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1第三章电机控制原理3.1交流伺服电机介绍交流伺服电机一般由永磁同步电机、转子位置传感器、速度传感器组成，交流伺服电机和它的驱动器组成一个伺服系统。早期的交流伺服系统是一个典型的速度闭环系统，伺服驱动器从主控制系统接收电压变化范围为maxU～maxU的速度指令信号。电压从maxU变化到maxU的过程中，伺服电机可实现从反转最高速变化到零，然后再变化到正转最高速。但是，这种交流伺服系统只能实现对速度的闭环控制，还不能直接实现对位置的闭环控制。要实现对位置的闭环控制，必须在电机和控制系统之间构成一个位置环。为了适应数字化控制的发展趋势，国外一些厂家在九十年代初相继推出了带位置环的全数字式交流伺服系统。不仅可以进行位置的闭环控制，还使得交流伺服电机可以象伺服电机一样易于控制，上位控制器可以是运动控制器、PLC或者直接是PC机等。3.2交流伺服电机的控制模式以日本山洋公司的Q系列交流伺服系统为例，介绍这种交流伺服系统的控制原理。这种伺服系统可在驱动器中由参数Pr02设置为位置、速度和转矩三种控制模式，现分述如下:3.2.1位置控制模式（Pr02=0）当伺服系统处于位置控制时，控制系统给伺服驱动器的信号是脉冲和方向信号。这一点和伺服电机的控制方式类似。其接口电路如图3-1所示。指令脉冲的输入方式可分为以下三种：1．正交脉冲指令频率相同但相位相差90°的A、B两相脉冲分别从PULS1、PULS2和SIGN1、SIGN2送入伺服驱动器。A、B两相脉冲的频率控制电机转速；脉冲数控制电机的角位移。2．CW/CCW脉冲指令即单脉冲工作方式。脉冲信号通过PULS1、PULS2进入驱动器，则电机按CW方向旋转。若通过SIGN1、SIGN2进入驱动器，则电机按CCW方向旋转。脉冲频率控制电机的旋转速度，PULS1PULS2SIGN1SIGN2脉冲输入方向输入驱动器内部驱动器内部图3-1交流伺服系统位置控制接口电路2脉冲数控制电机的角位移。3．脉冲+方向指令脉冲信号从PULS1、PULS2进入驱动器，脉冲频率控制电机转速，脉冲数控制电机的角位移。方向信号从SIGN1、SIGN2进入驱动器，高低电平控制电机的转向。3.2.2速度控制模式（Pr02=1）在速度控制模式中，上位控制系统通过SPD、GND引脚给伺服驱动器输入一个－10V～＋10V的模拟电压，即可控制电机实现从负向最大转速到正向最大转速之间的速度变化。电机转速n和指令输入电压V之间呈线性关系。速度指令除了可以由外部模拟电压来输入外，还可以在驱动器内部用四个参数设置四种内部速度。通过驱动器的两个开关输入信号的四种状态组合选择其中一种。驱动器可由内部参数Pr52对外部速度指令进行零漂调整。本文中的运动控制器就是采用速度控制方式对伺服驱动器进行控制的。3.2.3转矩控制模式（Pr02=2）通过外加－10V～＋10V的电压，即可控制电机的转矩，与速度控制相似。电机的额定转矩和输入电压之间呈线性关系，直线斜率可用驱动器内部参数设置。伺服电机工作在转矩控制模式时，应限制其最大转速，以免驱动器产生过速报警3.3伺服电机的PID调节方案图3-2是运动控制器采用的PID调节原理框图，虚线框中的速度调节器和电流调节器的功能由电机驱动器完成。电流环用来提高系统的动态响应指标，增强系统抗干扰能力。速度环用于根据指令速度调节伺服电机的实际转速，在山洋伺服电机中，参数Pr11和Pr12分别设置其速度环增益和积分时间常数、位置环包括位置PID调节和速度、加速度前馈，由运动控制器底层程序完成，可根据位置偏差调节电机的指令速度，实现精确定位、回零等；输出饱和控制主要在软件中实现，可保证输出电压不会超过设定范围；静差补偿则可以消除由于放大器的零点漂移带来的偏差。速度环和电流环分别在速度控制模式和转矩控制模式下发挥作用，因此在运动控制器采用的速度控制模式中，主要由速度环和位置环构成双闭环。3设nU为D/A转换器的指令速度输出值，nE为第n个采样时刻的位置偏差，nettP)(arg为第n个采样时刻的指令位置，nactualP)(为第n个采样时刻实际位置，nnE为第n个采样时刻累积误差值，ettVarg为当前目标速度，ettACCarg表示当前目标加速度，B表示电机静差补偿，则：nactualnettnPPE)()(argBKACCKVEKKEEKEUaffettvffettnnidnnpnnargarg1256)(其中，affvffdipKKKKK,,,,分别表示比例增益、积分增益、微分增益、速度前馈增益和加速度前馈增益。控制作用的强弱取决于比例增益，它相当于系统的刚度，比例增益越大，调节速度越快，但会增加系统的超调。积分调节的作用是消除系统输出的静差，但会降低系统响应速度，增加系统输出的超调。微分调节的作用是阻止偏差的变化，偏差变化越快，微分调节器的输出也越大，因此微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。速度前馈和加速度前馈可以提高系统的跟踪性能，减小跟随误差。图3-3是用在有前馈和无前馈的情况下用Matlab进行的圆弧插补跟随误差比较。可以看出，在无前馈的情况下，电机跟随误差从开始的63个脉冲在0.137秒后上升到114个脉冲，随后作类似余弦曲线的变化。引入前馈后，跟随误差从开始的63个脉冲迅速上升到109个脉冲，然后逐渐下降，在大约0.2秒后稳定在±2个脉冲之间。速度和加速度前馈的引入大大减小了系统的跟随误差。图3-2PID调节原理框图4编码器可以把机械转角变成电脉冲，主要分为光电式、接触式和电磁感应式。数控系统中主要使用体积小、精度高、工作稳定可靠的光电脉冲编码器。光电脉冲编码器分为增量式脉冲编码器和绝对式脉冲编码器。绝对式脉冲编码器结构复杂、价格昂贵，实际应用中，增量式脉冲编码器应用更为广泛。增量式脉冲编码器一般产生A+、A-、B+、B-、C+、C-、三对差分信号，差分信号处理电路可以将三对信号进行整形、放大转变成A、B、C三相信号。每转产生一个C相（Index）脉冲，用来产生机床的基准点。通常，数控机床的机械原点与各轴的脉冲编码器发C脉冲的位置是一致的，通过Home+Index回零实现。A相和B相信号则由两组近似正弦波、相差为90°的信号转变成两组相差为90°的正交编码脉冲，相角超前与滞后对应电机的转向，频率对应电机的转速，脉冲数对应电机的角位移。正交编码脉冲由4倍频电路产生4倍频脉冲信号，再通过增减计数器对4倍频脉冲信号进行计数，可以方便得获取电机的实际位置。同时，通过M/T测速法，根据在一个伺服周期T(s)内电机转过的脉冲数N(pulse)可以计算得到电机的转速。如对于一个2000pulse/r的增量编码器的伺服电机，其速度V(RPM)计算方法为：60RPM20004NVT图3-3跟随误差比较5第四章X-Y工作台与PC接口设计4.1接口设计4.1.18255A与电机的连接因为本系统传输距离较短，数据传输率高，所以采用并行通讯方式。8255A是Intel180系列微处理机的配套并行接口芯片，它可以为8086/8088与外设之间提供并行输入/输出的通道，由于它是可编程的，可以通过软件来设置芯片的工作方式，所以，用8255A连接外设时，通常不用附加外部电路。本设计中采用的可编程并行接口8255A可为微处理器提供三个独立的并行输入/输出端口，利用输出端口与运算放大器相连，可控制步进电机的运转及速度。利用模数转换器又可将工作台的位置及速度参数变换成数字量，通过并行输入端口送回微机系统中，从尔构成半闭环系统。8255A中端口A工作在方式0，完成输出功能，用来向x,y向步进电机输出8位脉冲信号。端口B工作在方式1，完成输入功能，用来接受由模数转换器输入的8位脉冲信号。端口C作控制用，PC7用作模数转换器ADC0809的启动信号，PC2用作输入的STB信号，PC0用作中断请求信号，INTR，通过中断控制器8259A可向CPU发中断请求，这些都要由初始化程序来定义。由8255A端口A输出的8位数字信息，经运算放大器放大后便将模拟电流放大并转换为模拟电压，经过调整可达到，当CPU输出的数字量从00H-FFH时，运算放大器输出0－4.98V的模拟电压，该电压经传感器可调节控制不进电机的转动与速度。通过8255A并行接口和步进电机的驱动器电路连接，这样就可以用计算机的软件取代常规大的环形分配器。PA0-PA7的八个端口后接步进电机的各项绕组，光电隔离器TIL117是用作电平转换并防止电机电路对微处理器的干扰，驱动电路由复合功率放大，驱动步进电机的三个绕组A相，B相，C相,D相。4.1.2ADC与微机的连接而反馈电路则由转角传感器，运算放大器及模数转换器ADC0809组成。目前，在半闭环伺服系统中，也常采用光电脉冲编码器，既测量电动机的角位移，又通过计时而获得速度。先由转角传感器测出电机的转角及转速，得到的模拟量再经过运算放大器放大，然后经模数转换器ADC0809转换成数字量，再送到计算机进行比较。控制现场的模拟信息经传感器和运算放大器可变换为一定范围的电压值，这模拟电压经模数转换器ADC0809可变换为8位数字信息送回8255A的端口B，其转换速度取决于从CLK端引入的标准时钟，端口B可采用查询或中断方式与CPU联系。若采用中断方式，中断请求信号经8255A中断排队后送CPU的INTR端。如采用中断方式，并定义中断类型码为40H，那么首先将相应的中断服务程序定位到存储器中，并将其入口地址的段基址和偏移地址置入中断入口地址表中从100H地址开始的四个字节中。4.1.3编写接口的初始化程序4.1.3.18255A初始化程序INTT:MOVDX,8255A控制端口6MOVAL,86HOUTDX,ALMOVAL,05HOUTDX,AL4.1.3.28259A初始化程序MOVDX,8259A偶地址端口MOVAL,13HOUTDX,ALMOVDX,8259A奇地址端口MOVAL,40HOUTDX,ALMOVAL,03HOUTDX,ALMOVAL,OFEHOUTDX,AL4.1.3.3从端口A输出8位数据并启动ADC0809POUT:MOVDX,8255A端口AMOVAL,XXHOUTDX,ALMOVDX,8255A端口CMOVAL,80HOUTDX,ALMOVAL,0OUTDX,ALWAIT:STIJMPWAIT4.1.3.440H类型中断服务程序MOVDX,8255AINAL,DX………………………………IRET4.1.4电机驱动程序4.1.4.1电机的控制电路原理及控制字节拍通电相控制字正转反转二进制十六进制18A0000000101H27AB0000001103H36B0000001002H45BC0000011006H54C0000010004H63CD0000010105H72D0000011006H81DA0000011107H7设电机总的运行步数放在R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1（D5）中，当F1为0时，电机正转，为1时则反转。正转时P1端口的输出控制字01H,03H,02H,06H,04H,05H存放在片内数据存储单元20H~27H中，28H中存放结束标志00H，在29H~2EH的存储单元内反转时P1端口的输出控制字01H,05H,04H,06H,02H,03H,在2DH单元内存放结束标志00H。4.1.4.2电机正反转及转速控制程序PUSHA；保护现场MOVR4,#N；设步长计数器CLRC；ORLC,D5H；转向标志为1转移JCROTE；MOVR0,#20；正转控制字首址指针AJMPLOOP；ROTE:MOVR0,#27H；反转控制字首地址LOOP:MOVA,@R0；MOVP1,A；输出控制字ACALLDELAY；延时INCR0；指针加1MOVA,#00H；ORLA,@R0；JZTRL；LOOP1:DJNZR4,LOOP；步数步为0转移POPA；恢复现场RET；;返回TPL:MOVA,R0；CLRA；SUBBA,#06H；MOVR0,A；恢复控制字首指