本科毕业设计(论文)

开题报告

题目：外挂式数控伺服驱动器控制系统设计

题目：外挂式数控伺服驱动器控制系统设计

1 课题的背景及意义

近年来，随着电力电子技术的飞速发展和高性能永磁材料的开发应用，无刷直流永磁电动机的应用出现了快速发展的势头。无刷直流电动机的研究和应用是现代驱动界的热点之一。在许多应用场合出现了无刷直流电动机取代直流电动机和异步电机的状况。

无刷直流电动机具备交流电动机结构简单、工作可靠、维护方便、寿命长等优点，也具备普通直流电动机运行效率高，转矩大，调速方便，动念性能好等优点。同时克服了直流电动机机械换向所引起的火化干扰，难维护等诸多缺点。无刷直流电动机是综合了直流电动机和交流电动机的共同优点，是新一代电子驱动的发展方向之一。由于无刷直流电动机的许多优点，无刷直流电动机的应用领域也将越来越广阔，例如信息产业领域的计算机硬盘驱动器，光盘驱动器，打印机，汽车行业，武器装备和宇航领域，工业自动化的各种执行元件甚至电

力驱动装置等，特别是高精度雷达天线伺服驱动等领域的应用，越来越多地利用无刷直流电动机作为伺服驱动动力源[1]。

过去的电力拖动中，较少采用永磁无刷直流电动机，但最近几年，科学技术的飞速发展极大地推动了无刷直流电动机的发展和应用，主要原因有：

1)高性能永磁材料的发展

永磁材料近年来的开发很快，现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。永磁材料的发展极大推动了永磁无刷直流电动机的开发应用。在无刷直流电动机中永磁体取代传统的电励磁磁极的优点有：

用永磁体替代电励磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，电动机体积也得以减小；省去了励磁直流电源，消除了励磁损耗和发热。

2) 电力电子技术的发展大大促进了永磁同步电动机的开发和应用

自上世纪五十年代发明了第一个开关晶闸管以来，电力电子元件经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断能力的半导体器件(大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO、功率场效应管MOSFET)，第三代复合型场控器件(绝缘栅功率晶体管IGBT、静电感应式晶体管SIT、

MOS控制的场效应管MCT，到第四代功率集成电路IPM，半导体功率开关器件性能不断提高，容量不断增大，成本大大降低，控制电路日趋完善[2]。

3)大规模集成电路和计算机技术的快速发展

集成电路和计算机技术是电子技术发展的代表，它们飞速发展大大促进了电动机控制技术的发展和创新。

位置传感器(在本课题中，就是霍尔元件起到位置传感器的作用)与电机转子同轴连接，实时跟踪转子位置。当定子绕组的某相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩。驱动转子旋转[3]。再由位置传感器将转子磁钢位置信息变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。电子开关线路的导通次序与转子转角同步，因而起到机械换向器的换向作用。因此平常所说的无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁同步电动机及位置传感器三部分而组成的电动机系统[4]。组成原理框图如下图1：

图1 无刷直流电机组成原理框图

无刷直流电动机转子的永久磁钢与永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢的作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场[5]。不同之处在于无刷直流电动机中永久磁钢安装在转子上，而普通永磁直流电动机是将磁钢安装在定子上。

无刷直流电动机电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的输出极，其功能是将电源的能量以一定逻辑顺序分配给无刷直流电动机定子上各相绕组，以便使无刷电动机产生持续的转矩。而各相绕组导通顺序主要取决于位置传感器的信号[6]。但位置传感器产生的信号不能直接用来驱动功率单元，常需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑功率单元。综上所述，构成无刷直流电机的主要部件的框图如下图2

图2 无刷直流电机组成框图

2 课题的主要设计技术参数或研究工作要达到的目标

根据任务要求书，综合运用所学的知识，遵循有关的设计规范，搜集有关资料，拟定总

体方案，运用模块化设计思路，将外挂式数控伺服驱动器的各部分传动，正反两个方向传动，光栅尺的信号传输等控制系统设计方案做好。

进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动

的传动精度、灵敏度和稳定性有关。因此，在设计控制系统过程，充分考虑的干扰因素，反馈的调节等。

数控机床的进给运动采用无级调速的伺服驱动方式，伺服电机的动力和运动只需经过由

最多一两级齿轮或带轮传动副和滚珠丝杠螺母副、齿轮齿条副、蜗杆蜗条副等组成的传动系统传动给工作台等运动执行部件[7]。传动系统的齿轮副或带轮副的作用主要是通过降速来匹配。

进给系统的惯量和获得要求的输出机械特性，对开环系统，还起匹配所需脉冲当量的作用。近年来，由于伺服电机及其控制单元性能的提高，许多数控机床的进给传动系统去掉了降速齿轮副，直接将伺服电机与滚珠丝杠连接。滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副的作用是实现旋转到直线的运动形式的转换[8]。

外挂式数控伺服驱动器的控制系统设计主要包括：1.根据机床丝杠的转矩输出以及转速，选择直流伺服电动机的型号；2.根据直流伺服电动机的转速和丝杠转速确定传动比，并以此来设计减速器；3.设计改变丝杠转向的齿轮组；4.为实现手动与自动的切换，选择电磁离合器的型号；5.对光栅尺的信号传输编程；6.对正反两个方向的运动进给编程。

通过对外挂式数控伺服驱动器的控制系统设计使部分手动进给的数控机床实现自动进给运动，并在需要时实现自动进给与手动进给的切换。从而提高部分旧式数控机床的工作精度以及生产效率。

3课题研究的主要内容

3．1 课题研究基本原理技术方案

本课题是设计外挂式数控伺服驱动器，本文研究的是外挂式数控伺服驱动器的控制系统设计，为了优化外挂式数控伺服驱动器，本质上就是驱动器的控制系统设计。其中有电机选择，电子离合器的选择，双向进给运动的编程控制，光栅尺的信号传输控制等。

电机选择：

普通永磁直流电动机的定子作用是在电动机气隙中产生磁场，电枢绕组通电后产生感应磁场[9]。由于电刷的换向作用，使定子磁场和电枢感应磁场在电动机运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。无刷直流电动机为了实现无刷换向，首先要求把电枢绕组安放在定子上，把永久磁钢安放在转子上，这与普通直流永磁电动机的结构相反。但仅仅用直流电直接供给定子上的电枢是不行的。因为这样的话，电枢绕组产生的磁场是固定的，不能与转子的永磁磁场相互作用产生顺着某一方向的转矩。

为了产生单一方向的电磁转矩，就要保持电枢产生的电场与永磁转子的磁场在电动机运行时相互垂直[10]，为此，无刷直流电动机除了由定子和转子组成的电动机本体外，还要有电子换向装置，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组产生的磁场和转子中的转子磁钢产生的永磁磁场在空问始终保持在左右的电角度[11]。目前，这种换向装置一般由位置传感器、控制电路和逻辑开关共同构成。

电磁离合器的选用：

为了实现外挂式伺服驱动器的手动与自动的切换，必须实现电机和传动轴的结合与断开

的切换，因此选用了电磁离合器。电磁离合器具有良好的特性：1.电磁离合器尺寸小；2.电

磁离合器可以通过电信号来控制；3.电磁离合器拥有高速响应的特点[12]；4.电磁离合器耐久性强、组装维护容易。

3．2课题可行性分析

本文采用基于无刷直流伺服电动机及其驱动装置的数控驱动器为结构设计对象，可以实现外挂式数控伺服驱动器的结构优化。外挂式数控伺服驱动器是机械结构与电控技术的综合应用，包含控制原理、控制、驱动、反馈部分元器件的设计选用以及齿轮传动，电机选择，减速器的设计、编程控制等，这些内容都是本科课程中所涉及的内容。由于现在许多旧式机床都是工人通过手动来使丝杠达到进给的目的，在一定程度上存在着误差，但如果使用伺服驱动器，那么在制造精度上就会有大幅度的提升，同时也使旧机床的生产效率更高。现在国内在外挂式伺服驱动器的设计上大多仅仅实现了自动进给[13]，但缺少伺服反馈，因此，但总体来说，这个课题的研究具有驱动方式新颖、整体结构简单、操控柔顺性高等优点。

本课题研究的控制系统是通过查阅相关文献以及我所学的专业知识进行设计的，所以本

课题是可行的。

3．3课题主要解决的技术关键问题及创新点

1．控制系统设计

外挂式数控伺服驱动器采用闭环伺服系统如图3。该系统与开环系统的区别是：由光栅，感应同步器等位置检测装置测出机床实际工作台的实际位移，并转换成电信号，与数控装置发出的指令位移信号进行比较，当两者不等时有一差值，伺服放大器将其放大后，用来控制伺服电机带动机床工作台运动，直到差值为零时停止运动[14]。

闭环进给系统在结构上比开环伺服系统复杂，成本也高，且调试维修较难，但可以获得比开环系统更高的精度，更快的速度，驱动功率更大的特性指标[15]。

图3 驱动器闭环控制框图

2. 编程控制设计

光栅尺信号的传送以及驱动器的手动，双向运动进给。

3. 驱动箱体内部的结构设计

外挂式数控伺服驱动器箱体内部主要有驱动电路板、直流伺服电机、离合器、换向齿轮

机构、减速器等。驱动箱体内部的结构设计主要是对箱体内的结构进行合理排布，尽可能减

小箱体的尺寸。

3．4课题主要研究流程

本课题的外挂式数控伺服驱动器，主要是将部分数控机床的手动进给系统进行改进，设

计一个可以实现手动与自动双功能的数控伺服驱动器。首先，根据机床丝杠的输出扭矩和转

速，选择电动机的型号以及电磁离合器的型号。接着，计算传动比，设计减速器。然后对双向运动进给编程控制。最后完成相关的文档资料。主要的流程如下：

 

图4 流程图

4 课程计划进度

时间	完成的主要工作
2012年1月5日——2012年2月21日	查阅资料，完成开题报告，完成文献综述
2012年2月22日——2012年3月15日	完成各部件功能的设计方案
2012年3 月16日——2012年3月30日	完成各个部件功能的方案设计报告书
2012年4 月1 日——2012年4月15 日	绘制电路图以及对控制系统编写程序代码
2012年4月16日——2012年5月10日	完成毕业设计终稿

5 参 考 文 献

[1] Takashi Sukegawa et a1.”Fully Digital,Vector-Controlled PEM VSI-Fed’ac Drives with an Inverter Dead-Time Compensation Strategy”[J] .IEEE Trans. Ind. App,vol.27,No.3,May./June.

1991:552-559

[2] Jung-Soo Choi et a1.”A Novel Dead Time Minimization Algorithm of the PWM Inverter” [J].

IEEE 34th IAS Annual Meeting,l999, vol.4: 2188-2193

[3] 张卫宁．TMS320C2000系列DSPS原理及应用[M]．北京：国防工业出版社，2004.210-212.

[4] 王兆安，黄俊．电力电子技术(第4版) [M]. 机械工业出版社，2001

[5] 刘宗富，电机学(修订版) [M] .冶金工业出版社，1989.12-34.

[6] TMS320LF/LC250XA DSP Controllers Reference Guide CPU and Instruction Set[J]．Texas Instruments．2001：P34-37

[7] 张维娜，孙强．基于DSP的高性能矢量控制系统[J]．电力电子技术，2001,(2):39-41.

[8] 马小亮．大功率交一交变频调速及矢量控制技术[M]．北京：机械工业出版社，2003.88—90.

[9] 秦继荣，沈安俊.现代直流伺服控制技术及其系统设计[M].机械工业出版社,1993.

80-83.

[10] 王晓明．电动机的这也是标题单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社．2002.31-35.

[11] 贺益康，潘再平.电力电子技术基础[M].杭州:浙江大学出版社，1995.23-26.

[12] M .D . Minkov, D .Minkov,J. L .Rodgerson,R .G .Harley. Adaptive neural speed controller of a DC motor[J].Electric Power System Research,1998,47

[13] 孙增忻.智能控制理论与技术[M].北京:清华大学出版社.1992

[14] 易继楷，侯媛彬.智能控制技术[M].北京:北京工业大学出版社.1999

[15] ATmegal6(L) AVR 8-bit RISC Microcontroller datasheet[J]，ATMEL Inc，2002．