直流PWM伺服系统在数控机床中的应用hrbj.docx

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1、摘要：从从20世世纪700年代末末我国开开始研究究PWMM系统，就就PWMM控制电电路、驱驱动电路路、功率率转换电电路以及及系统的的分析和和设计做做了许多多的工作作，取得得了一些些研究成成果，在在一定的的范围内内达到了了工业推推广水平平。例如如应用于于数控机机床、精精密机床床、仿型型机床、重重型机床床及精密密速度控控制中，也也用于军军事领域域中，同同时直流流伺服又又有其优优点和缺缺点，其其优点是是宽调速速、机械械特性硬硬和响应应速度快快；缺点点是电动动机制造造成本高高，维护护麻烦，还还由于机机械换向向困难，其其单机容容量和转转速都受受限制；而伺服服系统的的可靠性性设计及及其自诊诊技术伴伴随着系

2、系统功能能、性能能以及复复杂化程程度的升升级而受受到人们们的普遍遍重视。从从而推动动了伺服服系统的的发展。关键词：PWMM脉冲机床床 数字字PWM系系统的微微处理器器控制，就就是将微微处理器器引入PPWM，使使微处理理器成为为PWMM系统的的环节，同同时选用用适合于于微处理理器控制制的各种种现代伺伺服元件件和接口口电路，组组成一个个数字伺伺服系统统；应用用软件程程序，实实现数字字比较、数数字滤波波、数字字脉宽调调制以及及模拟系系统中控控制回路路所需要要的各种种附加功功能，从从而实现现设计的的各种需需求。在在电机微微机控制制系统中中，电机机是被控控对象，微微机则起起控制器器的作用用。计算算机对输

3、输入信号号进行存存储和加加工，按按要求形形成控制制指令，输输出数字字控制信信号。其其中有的的经过放放大可直直接控制制步进电电动机或或逆变器器之类用用数字脉脉冲信号号驱动的的部件，有有的则要要经过数数模（DD/A）转转换器转转换成模模拟信号号，再经经功率放放大后，通通过调节节器对电电机的电电压、电电流等物物理参数数进行控控制。若若采用闭闭环控制制，反馈馈给计算算机的物物理参数数，如电电机的转转速、转转角、转转矩等，可可由传感感器进行行测量。若若传感器器输出的的是模拟拟信号，则则先经采采样保持持器等器器件的处处理，再再经模数数（A/D）转转换，变变成数字字信号后后输入计计算机。若若传感器器输出的的

4、是数字字信号，则则经整形形、光偶偶隔离等等处理后后，可直直接输入入计算机机。电机机的给定定控制量量，如电电动机的的转角、转转速，或或发电机机的电压压等给定定值，可可通过键键盘或其其他设备备输入计计算机。显显示器则则可将操操作提示示和使用用者希望望了解的的数值及及时的显显示出来来。随着着电力电电子技术术、单片片机和微微型计算算机的高高速发展展，外围围电路元元件专用用集成电电路的不不断出现现，使得得直流伺伺服电动动机控制制技术有有了显著著进步。这这些技术术领域的的高速发发展，可可以很容容易的构构成高精精度、快快响应的的直流伺伺服系统统，因而而近年来来世界各各国在高高精度、速速度和位位置控制制场合（

5、例例如：机机床进给给伺服系系统，军军用伺服服系统），都都已由电电力半导导体驱动动安装取取代了电电液驱动动。特别别是被誉誉为“未来伺伺服驱动动装置”的晶体体管脉冲冲宽度调调制（PPWM）直直流伺服服系统。其其中，直直流伺服服系统可可分为永永磁直流流电动机机伺服系系统，无无槽电枢枢直流伺伺服电动动机系统统及空心心电枢直直流伺服服电动机机系统。而而永磁直直流电动动机具有有很重的的机械特特性和线线性，对对控制信信号响应应快。它它又可分分为晶闸闸管放大大器驱动动和晶体体管脉宽宽（PWWM）型型直流伺伺服电动动机系统统。脉宽宽调制方方式的直直流调速速系统的的调速范范围达到到百万以以上并具具有优良良的性能能

6、，也受受到了人人们的越越来越多多的关注注，从而而得到迅迅速的发发展和广广泛的应应用，到到80年年代PWWM驱动动在直流流伺服系系统中的的应用已已经普及及。一、直流流伺服系系统的发发展趋势势从国内的的各种形形式来看看，数字字化交直直流流伺伺服系统统的应用用越来越越广，用用户对伺伺服驱动动技术的的要求越越来越高高。总的的来说，伺伺服系统统的发展展趋势可可以概括括为以下下几个方方面：交流化。 伺服技技术将继继续迅速速地由DDC伺服服系统转转向ACC伺服系系统。从从目前国国际市场场的情况况看，几几乎所有有的新产产品都是是AC伺伺服系统统。在工工业发达达国家，AAC伺服服电机的的市场占占有率已已经超过过

7、80%。在国国内生产产AC伺伺服电机机的厂家家也越来来越多，正正在逐步步地超过过生产DDC伺服服电机的的厂家。可可以预见见在不远远的将来来，除了了在某些些微型电电机领域域之外，AAC伺服服电机将将完全取取代DCC伺服电电机。数字化 采用新新型高速速微处理理器和专专用数字字信号处处理机（DDSP）的的伺服控控制单元元将全面面代替以以模拟电电子器件件为主的的伺服控控制单元元，从而而实现完完全数字字化的伺伺服系统统。全数数字化的的实现，将将原有的的硬件伺伺服控制制变成了了软件伺伺服控制制，从而而使在伺伺服系统统中应用用现代控控制理论论的先进进算法（如如:最优优控制、人人工智能能、模糊糊控制、神神经元

8、网网络等）成成为可能能。智能化 智能化化是当前前一切工工业控制制设备的的流行趋趋势，伺伺服驱动动系统作作为一种种高级的的工业控控制装置置当然也也不例外外。最新新数字化化的伺服服控制单单元通常常都设计计为智能能型产品品，它们们的智能能化特点点表现在在以下几几个方面面:首先先他们都都具有参参数记忆忆功能，系系统的所所有运行行参数都都可以通通过人机机对话的的方式由由软件来来设置，保保存在伺伺服单元元内部，通通过通信信接口，这这些参数数甚至可可以在运运行途中中由上位位计算机机加以修修改，应应用起来来十分方方便;其其次它们们都具有有故障自自诊断与与分析功功能，无无论什么么时候，只只要系统统出现故故障，就

9、就会将故故障的类类型以及及可能引引起故障障的原因因通过用用户界面面清楚地地显示出出来，这这就简化化了维修修与调试试的复杂杂性;除除以上特特点之外外，有的的伺服系系统还具具有参数数自整定定的功能能。众所所周知，闭闭环调节节系统的的参数整整定是保保证系统统性能指指标的重重要环节节，也是是需要耗耗费较多多时间与与精力的的工作。带带有自整整定功能能的伺服服单元可可以通过过几次试试运行，自自动将系系统的参参数整定定出来，并并自动实实现其最最优化。对对于使用用伺服单单元的用用户来说说，这是是新型伺伺服系统统最具吸吸引力的的特点之之一。模块化和和网络化化 在国外外，以工工业局域域网技术术为基础础的工厂厂自动

10、化化（Faactoory Auttomaatioon 简简称FAA）工程程技术在在最近十十年来得得到了长长足的发发展，并并显示出出良好的的发展势势头。为为适应这这一发展展趋势，最最新的伺伺服系统统都配置置了标准准的串行行通信接接口（如如RS-2322或RRS-4422接接口等）和和专用的的局域网网接口。这这些接口口的设置置，显著著地增强强了伺服服单元与与其它控控制设备备间的互互联能力力，从而而与CNNC系统统间的连连接也由由此变得得十分简简单，只只需要一一根电缆缆或光缆缆，就可可以将数数台，甚甚至数十十台伺服服单元与与上位计计算机连连接成为为整个数数控系统统。也可可以通过过串行接接口，与与可编

11、程程控制器器（PLLC）的的数控模模块相连连。高度集成成化 新的伺伺服系统统产品改改变了将将伺服系系统划分分为速度度伺服单单元与位位置伺服服单元两两个模块块的做法法，代之之以单一一的、高高度集成成化、多多功能的的控制单单元。同同一个控控制单元元，只要要通过软软件设置置系统参参数，就就可以改改变其性性能，既既可以使使用电机机本身配配置的传传感器构构成半闭闭环调节节系统，又又可以通通过接口口与外部部的位置置或速度度或力矩矩传感器器构成高高精度的的全闭环环调节系系统。高高度的集集成化还还显著地地缩小了了整个控控制系统统的体积积，使得得伺服系系统的安安装与调调试工作作都得到到了简化化。采用用新型电电力

12、电子子半导体体器件,目前，伺伺服控制制系统的的输出器器件越来来越多地地采用开开关频率率很高的的新型功功率半导导体器件件，主要要有大功功率晶体体管（GGTR）、功功率场效效应管（MMOSFFET）和和绝缘门门极晶体体管（IIGBTT）等。这这些先进进器件的的应二、PWWM（脉脉冲宽度度调制）简介PWM（脉脉冲宽度度调制）直直流伺服服系统是是主要用用于直流流有刷电电机精确确调速控控制；直直流电机机以其良良好的线线性特性性、优异异的控制制性能等等特点成成为大多多数变速速运动控控制和闭闭环位置置伺服控控制系统统的最佳佳选择。其主要由两部分组成，一是功率驱动器件，二是伺服调速电路；功率驱动器件目前主要采

13、用MOSFET管、IGBT模块，IPM模块；特别随着计算机在控制领域，高开关频率、全控型第二代电力半导体器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。伺服调速速电路通通常采用用速度、电电流串级级双闭环环调速原原理实现现；为适适应小型型直流电电机的使使用需求求，各半半导体厂厂商推出出了直流流电机控控制专用用集成电电路，构构成基于于微处理理器控制制的直流流电机伺伺服系统统。但是是，用集成成电路构构成的直直流电机机驱动器器的输出出功率有有限，不不适合大大功率直直流电机机驱动需需求。因因此脉宽宽调制(PWMM)直流流调速技技术，

14、实实现大功功率直流流电机驱驱动控制制。该驱驱动电路路能够满满足各种种类型直直流电机机需求，并并具有快快速、精精确、高高效、低低功耗等等特点，可可直接与与微处理理器接口口，可应应用PWWM技术术实现直直流电机机调速控控制。随随着电子子技术的的发展，出出现了多多种PWWM技术术。PWM直直流伺服服系统总总体原理理框图三、直流流电机PPWM调调速控制制原理直流电动动机转速速n=(U-IIR)/K其其中U为为电枢端端电压，II为电枢枢电流，RR为电枢枢电路总总电阻,为每每极磁通通量，KK为电动动机结构构参数。直直流电机机转速控控制可分分为励磁磁控制法法与电枢枢电压控控制法。励励磁控制制法是控控制磁通通

15、，其控控制功率率小，低低速时受受到磁饱饱和限制制，高速速时受到到换向火火花和换换向器结结构强度度的限制制，而且且由于励励磁线圈圈电感较较大动态态响应较较差，所所以这种种控制方方法用得得很少。大大多数应应用场合合都使用用电枢电电压控制制法。随随着电力力电子技技术的进进步，改改变电枢枢电压可可通过多多种途径径实现，其其中PWWM(脉脉宽调制制)便是是常用的的改变电电枢电压压的一种种调速方方法。PPWM调调速控制制的基本本原理是是按一个个固定频频率来接接通和断断开电源源，并根根据需要要改变一一个周期期内接通通和断开开的时间间比(占占空比)来改变变直流电电机电枢枢上电压压的占占空比，从而而改变平平均电

16、压压，控制制电机的的转速。在在脉宽调调速系统统中，当当电机通通电时其其速度增增加，电电机断电电时其速速度减低低。只要要按照一一定的规规律改变变通、断断电的时时间，即即可控制制电机转转速。而而且采用用PWMM技术构构成的无无级调速速系统启停时时对直流流系统无无冲击，并并且具有有启动功功耗小、运运行稳定定的特点点。电机机始终接接通电源源时，电电机转速速最大为为Vmaax，且且设占空空比为DD=tT，则则电机的的平均速速度Vdd为：VVd=VVmaxxD.由公式式可知，当当改变占占空比DD=tT时，就就可以得得到不同同的电机机平均速速度Vdd，从而而达到调调速的目目的。严严格地讲讲，平均均速度与与占

17、空比比D并不不是严格格的线性性关系，在在一般的的应用中中，可将将其近似似地看成成线性关关系。 在直流流电机驱驱动控制制电路中中，PWWM信号号由外部部控制电电路提供供，并经经高速光光电隔离离电路、电电机驱动动逻辑与与放大电电路后，驱驱动H桥桥下臂MMOSFFET的的开关来来改变直直流电机机电枢上上平均电电压，从从而控制制电机的的转速，实实现直流流电机PPWM调调速。PPWM控控制电路路基本原原理 为为了实现现直流伺伺服系统统的H型型单极模模式同频频PWMM可逆控控制，一一般需要要产生四四路驱动动信号来来实现电电机的正正反转切切换控制制。当PPWM控控制电路路工作时时，其中中H桥一一侧的两两路驱

18、动动信号的的占空比比相同但但相位相相反，同同时随控控制信号号改变并并具有互互锁功能能；而另另一侧上上臂为低低电平，下下臂为高高电平。另另外，为为防止桥桥路同侧侧对管的的导通，还还应当配配有延时时电路。设设计的整整体模块块见图11所示。其其中，dd7:0矢矢量用于于为微机机提供调调节占空空比的控控制信号号，css为微机机提供控控制电机机正反转转的控制制信号，cclk为为本地晶晶振频率率，qoout3:00矢量量为四路路信号输输出。其其内部原原理图如如图2所所示。该该设计可可得到脉脉冲周期期固定（用用软件设设置分频频器I99可改变变PWMM开关频频率，但但一旦设设置完毕毕，则其其脉冲周周期将固固定

19、）、占占空比决决定于控控制信号号、分辨辨力为112556的PPWM信信号。II8模块块为脉宽宽锁存器器，可实实现对来来自微机机的控制制信号dd7：0的的锁存,d77：0的向量量值用于于决定PPWM信信号的占占空比。cclk本本地晶振振在经II9分频频模块分分频后可可为PWWM控制制电路中中I122计数器器模块和和I111延时模模块提供供内部时时钟。II12计计数器在在每个脉脉冲的上上升沿到到来时加加1，当当计数器器的数值值为000H或由由0FFFH溢出出时，它它将跳到到00HH时，ccao输输出高电电平至II7触发发器模块块的置位位端，II7模块块输出一一直保持持高电平平。当I8锁锁存器的的值

20、与II12计计数器中中的计数数值相同同时，信信号将通通过I113比较较器模块块比较并并输出高高电平至至I7模模块的复复位端，以以使I77模块输输出低电电平。当当计数器器再次溢溢出时，又又重复上上述过程程。I77为RSS触发器器，经过过它可得得到两路路相位相相反的脉脉宽调制制波，并并可实现现互锁。II11为为延时模模块，可可防止桥桥路同侧侧对管的的导通，II10模模块为脉脉冲分配配电路，用用于输出出四路满满足设计计要求的的信号。CCS为II10模模块的控控制信号号，用于于控制电电机的正正反转。四、PWWM伺服服系统在在数控系系统中的的具体应应用PWM软软件法控控制充电电电流 本方法的的基本思思想

21、就是是利用单单片机具具有的PPWM端端口，在在不改变变PWMM方波周周期的前前提下，通通过软件件的方法法调整单单片机的的PWMM控制寄寄存器来来调整PPWM的的占空比比，从而而控制充充电电流流。本方法所所要求的的单片机机必须具具有ADDC端口口和PWWM端口口这两个个必须条条件，另另外ADDC的位位数尽量量高，单单片机的的工作速速度尽量量快。在在调整充充电电流流前，单单片机先先快速读读取充电电电流的的大小，然后把设定的充电电流与实际读取到的充电电流进行比较，若实际电流偏小则向增加充电电流的方向调整PWM的占空比；若实际电流偏大则向减小充电电流的方向调整PWM的占空比。在软件PWM的调整过程中要

22、注意ADC的读数偏差和电源工作电压等引入的纹波干扰，合理采用算术平均法等数字滤波技术。软件PWM法具有以下优缺点。 优点： 简化了PPWM的的硬件电电路，降降低了硬硬件的成成本。利利用软件件PWMM不用外外部的硬硬件PWWM和电电压比较较器，只只需要功功率MOOSFEET、续续流磁芯芯、储能能电容等等元器件件，大大大简化了了外围电电路。 可控制涓涓流大小小。在PPWM控控制充电电的过程程中,单单片机可可实时检检测ADDC端口口上充电电电流的的大小，并并根据充充电电流流大小与与设定的的涓流进进行比较较，以决决定PWWM占空空比的调调整方向向。 电池唤醒醒充电。单单片机利利用ADDC端口口与PWW

23、M的寄寄存器可可以任意意设定充充电电流流的大小小，所以以，对于于电池电电压比较较低的电电池，在在上电后后，可以以采取小小电流充充一段时时间的方方式进行行充电唤唤醒，并并且在小小电流的的情况下下可以近近似认为为恒流，对对电池的的冲击破破坏也较较小。 缺点： 电流控制制精度低低。充电电电流的的大小的的感知是是通过电电流采样样电阻来来实现的的，采样样电阻上上的压降降传到单单片机的的ADCC输入端端口，单单片机读读取本端端口的电电压就可可以知道道充电电电流的大大小。若若设定采采样电阻阻为Rssampple（单单位为），采采样电阻阻的压降降为Vssampple（单单位为mmV）， 10位位ADCC的参考

24、考电压为为5.00V。则则ADCC的1 LSBB对应的的电压值值为 550000mV/1022455mV。一一个5mmV的数数值转换换成电流流值就是是50mmA，所所以软件件PWMM电流控控制精度度最大为为50mmA。若若想增加加软件PPWM的的电流控控制精度度，可以以设法降降低ADDC的参参考电压压或采用用10位位以上AADC的的单片机机。 PPWM采采用软启启动的方方式。在在进行大大电流快快速充电电的过程程中，充充电从停停止到重重新启动动的过程程中，由由于磁芯芯上的反反电动势势的存在在，所以以在重新新充电时时必须降降低PWWM的有有效占空空比,以以克服由由于软件件调整PPWM的的速度比比较

25、慢而而带来的的无法控控制充电电电流的的问题。 充电效率率不是很很高。在在快速充充电时，因因为采用用了充电电软启动动，再加加上单片片机的PPWM调调整速度度比较慢慢，所以以实际上上停止充充电或小小电流慢慢速上升升充电的的时间是是比较大大的。 为了克克服2和和3缺点点带来的的充电效效率低的的问题，我我们可以以采用充充电时间间比较长长，而停停止充电电时间比比较短的的充电方方式，例例如充22s停550mss，再加加上软启启动时的的电流慢慢速启动动折合成成的停止止充电时时间，设设定为550mss，则实实际充电电效率为为（20000mms1100mms）/20000mss955，这这样也可可以保证证充电效

26、效率在990%以以上。 纯硬件PPWM法法控制充充电电流流 在数数控系统统中的应应用:由于单片片机的工工作频率率一般都都在4MMHz左左右，由由单片机机产生的的PWMM的工作作频率是是很低的的，再加加上单片片机用AADC方方式读取取充电电电流需要要的时间间，因此此用软件件PWMM的方式式调整充充电电流流的频率率是比较较低的，为为了克服服以上的的缺陷，可可以采用用外部高高速PWWM的方方法来控控制充电电电流。现现在智能能充电器器中采用用的PWWM控制制芯片主主要有TTL4994等,本PWWM控制制芯片的的工作频频率可以以达到3300kkHz以以上，外外加阻容容元件就就可以实实现对电电池充电电过程

27、中中的恒流流限压作作用，单单片机只只须用一一个普通通的I/O端口口控制TTL4994使能能即可。另另外也可可以采用用电压比比较器替替代TLL4944，如LLM3993和LLM3558等。采采用纯硬硬件PWWM具有有以下优优缺点。 优点： 电流精度度高。充充电电流流的控制制精度只只与电流流采样电电阻的精精度有关关，与单单片机没没有关系系。不受受软件PPWM的的调整速速度和AADC的的精度限限制。 充电效率率高。不不存在软软件PWWM的慢慢启动问问题，所所以在相相同的恒恒流充电电和相同同的充电电时间内内，充到到电池中中的能量量高。 对电池损损害小。由由于充电电时的电电流比较较稳定，波波动幅度度很小

28、，所所以对电电池的冲冲击很小小，另外外TL4494还还具有限限压作用用，可以以很好地地保护电电池。 缺点： 硬件的价价格比较较贵。TTL4994的使使用在带带来以上上优点的的同时，增增加了产产品的成成本，可可以采用用LM3358或或LM3393的的方式进进行克服服。 涓流控制制简单，并并且是脉脉动的。电电池充电电结束后后，一般般采用涓涓流充电电的方式式对电池池维护充充电，以以克服电电池的自自放电效效应带来来的容量量损耗。单单片机的的普通II/O控控制端口口无法实实现PWWM端口口的功能能，即使使可以用用软件模模拟的方方法实现现简单的的PWMM功能，但但由于单单片机工工作的实实时性要要求，其其软

29、件模模拟的PPWM频频率也比比较低，所所以最终终采用的的还是脉脉冲充电电的方式式，例如如在100%的时时间是充充电的，在在另外990%时时间内不不进行充充电。这这样对充充满电的的电池的的冲击较较小。 单片机 PWMM控制端端口与硬硬件PWWM融合合 对于单纯纯硬件PPWM的的涓流充充电的脉脉动问题题，可以以采用具具有PWWM端口口的单片片机，再再结合外外部PWWM芯片片即可解解决涓流流的脉动动性。 在充电过过程中可可以这样样控制充充电电流流：采用用恒流大大电流快快速充电电时，可可以把单单片机的的PWMM输出全全部为高高电平（PPWM控控制芯片片高电平平使能）或或低电平平（PWWM控制制芯片低低

30、电平使使能）；当进行行涓流充充电时，可可以把单单片机的的PWMM控制端端口输出出PWMM信号，然然后通过过测试电电流采样样电阻上上的压降降来调整整PWMM的占空空比，直直到符合合要求为为止。结论：目前各种种电机及及其相匹匹配的PPWM直直流伺服服驱动系系统在我我国已经经广泛地地用于数数控机床床、精密密机床、重重型机床床的进给给、机器器人驱动动装置、精精密速度度控制以以及快速速跟踪高高精度武武器伺服服系统中中。近年来，PPWM直直流伺服服系统在在对伺服服精度和和电磁兼兼容性要要求极高高的各类类惯导测测试转台台设备也也得到了了广泛的的应用并并逐步向向全数字字化方向向发展。参考文献献：1邱邱阿瑞，王

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