雕铣机(CNC engraving and milling machine)
既可以雕刻,也可铣削,是一种高效高精的数控 机床,广泛应用于精密模具粗精加丁一次完成, 紫铜电极,铝件产品批量加丁,鞋模制造,钟表 眼镜行业等。雕铣机性价比高,加丁速度快,加 丁产品光洁度好,在机床加丁业越来越占有重要 地位。为保证雕铣机的加丁精度,应包含的特性 有:自动化程度高、加丁精度高以及稳定性好。 在雕铣机中进给伺服系统的控制性能决定了雕铣 机的加丁性能,因此,在雕铣机进给系统中的永 磁同步伺服电机控制方法的选择与实现会影响整 个加丁精度[1]。
电机的矢量控制是目前应用广泛的控制方 法。近几年来,国内外学者将空间矢量PWM控制技术应用于永磁同步电机控制中,并取得了相当 的成就。同时,随着对PMSM控制技术要求的提 高,矢量PWM控制系统成为首选控制方案'为 此提出一种控制性能良好的永磁同步伺服电机矢 量控制系统,并对永磁同步电机数学模型和矢量 控制原理做了相关的研究,搭建了永磁同步电机 矢量控制模型并对其进行了编程仿真研究。
1永磁同步电机的数学模型
为了实现对永磁同步电机控制,需要先对其 建立良好的数学模型。在DSP控制系统中采用 坐标系下的数学模型,因为这是矢量控制原 理的根本。
2永磁交流伺服电机的矢量控制系统
直流电机的控制方式比较简单,这是由其模 型所决定。励磁磁场由励磁电流产生,电枢磁场 由电枢电流产生,可分开控制而不会相互影响。 而永磁同步电机的模型复杂,非线性而且各个量 之间相互耦合,永磁体产生的磁场和定子绕组产 生的磁场是不垂直的。因此,要通过矢量控制的 方式经坐标变化来建立虚拟的坐标系使得两者相 互垂直,这也正是矢量控制的本质意义所在[5]。
2.1矢量控制的基本原理
从永磁同步伺服电机的数学模型可以看出, 对电机输出转矩的控制最终归结为对其交、直轴 电流的控制。对永磁交流同步电机的矢量控制的 方法主要有:td=0控制、最大转矩控制、弱磁控 制以及控制等,该矢量控制的方法的提出是对电 机控制领域的一个巨大的创新。该控制方法是将 定子电流分解成产生磁场的部分和产生转矩的部 分,分解后,模拟直流电机的控制方法,对这两 个组件可以单独控制[6]。矢量控制坐标变换结构框 图见图1所示。
该伺服电机控制系统的控制过程可表示为: 由图1所示的过程框图看出,进给速度给定信号 与编码器检测到的转子转速信号相比较,经速度 调节器的调节后,输出转矩电流分量tq指令信 号,而d轴的参考输人电流为〇,同时利用电流检 测器采集永磁电机的定子三相交变电流,然后经 CLARKE变换和PARK变换得q轴与d轴电流k和 td,然后使tq、‘和td、td相比较,并经过电流调节器的处理,得出d-q坐标系下的直轴电压< 和交轴电压 <。再通过Park逆变换电路可得a -yS 坐标系下的矢量电压?和%,由该矢量电压通过 SVPWM模块产生六路PWM驱动控制信号,驱动 逆变器中的开关器件。由此产生频率、幅值持续 可变的三相正弦电流输人到永磁同步电机定子电 枢,从而实现完整的速度电流双闭环的永磁同步 电机矢量控制[7]。
2.2 SVPWM产生原理
三相桥式电压型逆变器是丁业上最常用的逆 变器拓扑结构,如图4是一个典型的电压型PWM 逆变电路。该逆变电路通过控制6个开关管的开 关状态和顺序的组合以及开关时间的调整来输出 电机所需要的电流[8]。以得到谐波含量少、直流电 源电压利用率高的输出。
如图2所示中的仏~队是6个功率开关管, 用a、b、c分别代表了 3个桥臂的开关状态。规定:当上桥臂开关管处于“开”状态时(此时相
应下桥臂开关管必然是“关”状态),其开关状态为“1”;当下桥臂开关管为“开”状态时(此时相应上桥臂开关管必然是“关”状态),则开关状态为“0”。这3个桥臂只有“1”或“0”两种状态,因此a、b、c可形成000、001、010、011、 100、 101、110、111共8种开关状态。其中000和111开关状态使逆变电路输出电压为零,所以称这两种开关状态为零状态[9],其八种状态如表1所示。
3软件模块及控制代码实现
在伺服电机控制领域,各个DSP厂家都有相 对应的系列产品,例如TI公司的28x系列,Fre- escale公司的56F80x系列等,综合考虑控制方法 所用时间和计算能力,位宽,浮点和定点等指标 满足要求的情况下,选择TI公司的C2000系列中 的28335作为控制器并利用电机控制模块实现电 机仿真,其仿真电路见图3所示。
永磁同步伺服电机的控制程序是基于TI的 DSP开发软件CCS平台编写,以下是PWM控制信 号输出的一段程序:
#include <pmsm_pwm.h> main()
{
DDRB=0xff; //端口为输出 DDRD=0xff;
PORTD=0x00;
PORTE=0x00;
TIMSK=0x00; //关闭定时器中断
TCNT0=0x00; //定时器 0,OC0 输出 1.95305kHz的方波,占空比50%
TCCR0=0x6b; //快速PWM方式,分频 OCR0=0x80; //写人比较器数值(决定占空
比)
TCNT1H=0x00; //计数器清零 TCNT1L=0x00; //定时器1,输出方波
TCCR1A=0xa9; //快速PWM,8分频;
OCR1A=0x40;
OCR1B=0x80;
OCR1C=0xc0;
OC1C输出75%占空比
}
通过以上程序,实现了 3种占空比类型的PWM控制信号的输出,在实际的程序应用中,取得了比较好的控制效果。
4试验验证
根据上述永磁同步伺服电机的数学模型,采用DSP控制器完成电机三相电流的控制,并实现对电机电流,速度等的检测。该项目采用的CCS(CodeComposer Studio)是 TI 公司提供的DSP软件开发环境,包含一整套用于开发和调试的工具。其中编译器、源码编辑器可实现源代码的编写和调试。而调
试器、描述器、仿真器等均可实现数据可视化,该项目中对电机的启停,加减速控制进行了实验,数据图形描述如下。
如图4、5所示是电机在启动时的转速、转角和三相绕组电流的曲线,从图4中可以看出电机从零速到500 r/min的启动时间约为1 s,转速上升非常平滑,无过冲,并且预设转速与实际测量转速基本一致。转子转角的三种曲线的变化趋势相同,转角增加平稳、运行稳定,启动性能良好。从图5看出电机在启动过程中三相电流是正弦波形,谐波分量少,从而减少了谐波损耗,提高电机效率。
如图6、7是DSP控制下伺服电机在阶跃响应 的转速与电流曲线,由图6可见,实际转速与给定转速相比有一段时间滞后和平滑上升阶段,但 响应转速平稳,且转速稳定时的波动小,下部分 曲线表示了电机的控制电流的变化,此时在转速 增加的时电流较大,稳定电流较小且稳定。图7 是DSP控制下伺服电机在阶跃响应下的电流曲线 电流响应曲线,可见电流给定曲线与响应曲线非 常接近,响应时间短、无超调、电流响应平稳, 所以该DSP控制具有优良的电流控制特性。
5结论
本文通过永磁同步伺服电机的应用场合,指 出该类电机应具有的性能特性。为此对其数学模型 进行了探讨和计算研究,并在此数学模型的基础 上,应用DSP控制技术对永磁同步电机矢量控制系 统进行了研究,通过电机运动控制的仿真与实验结 果的对比,验证了算法的可行性和准确性,为今后 电机应用和控制提供了理论指导和参考数据。
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