基于多类型伺服的三轴数控机床进给伺服实验平台研制

　　直流电机的转速与电枢电压成正比，转矩则与电枢电流成正比。从控制角度看，直流电机伺服系统的控制是一个单输入、单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统^。本文直流电机伺服系统采用了经典的三环结构，其原理图如图5所示。电流环作为内环，电流调节器采用PI调节器，将电流环校正为I型系统。速度环作为中环，速度调节器采用PI调节器，将速度环校正为II型系统。位置环作为外环，位置调节器采用P调节器，使输出快速跟随给定位移。三环控制系统可以保证系统运行时的稳定性，当速度环和电流环内部的某些参数发生变化或受到扰动时，电流反馈和速度反馈能对这些干扰起到有效的抑制作用，因而对位置环的工作影响很小。本文中，直流电机采用模拟量控制，通过PLC实现位置环闭环。速度环和电流环由驱动器实现。直流伺服驱动器的主要性能指标：电源电压50 V，连续输出电流5 A，开关频率50 kHz，电流控制带宽2.5 kHz。采用的直流电机的主要性能指标：电机额定转速250 r／min，额定转矩0.65 Nm，额定电流2.8 A，额定电压48 V。直流电机光电编码器：1024P／R。

图5直流伺服系统控制原理图

　　2.3 交流伺服系统

　　交流轴由永磁同步电机驱动。本文采用直轴电流分量i。的控制策略。i_d=0的控制方法优点很多，最重要的特点是输出转矩与定子电流的幅值成正比，使它的运行类似于直流电机，控制简单，实用性很强，在隐极式同步电机控制系统中应用很广泛。

　　永磁同步电机的转矩方程为

　　比较，经过位移P控制器的调节，输出信号作为速度给定，该信号值与检测的速度信号相比较，通过速度PI调节器的调节，输出信号作为q轴电流PI控制器的给定信号，d轴电流PI控制器的给定信号为0。通过Clarke变换和Park变换将三相定子电流转化为z_d和i_q，将其分别作为d轴和q轴电流调节器的反馈输入。d轴和4轴的电流PI调节器的输出电压分别为u_d和u_q，经过Park逆变换得到一坐标系电压u_e与u_β，调制 SVPWM模块输出6路PWM信号，驱动三相桥实现电机的驱动。本文所用交流电机驱动器的主要性能指标:工作电源电压单相220 V/50 Hz，连续输出电流6 A，开关频率50 kHz，电流控制带宽2. 5kHz。永磁同步电机参数:额定转速2 000 r/min,额定转矩3 Nm，额定相电流2. 0 A,额定电压220 V 。脉冲编码器:2500P/R。

3上位机软件设计

　　3.1 虚拟仪器简介

　　虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司(National Instruments)最先提出的。虚拟仪器的三大主要功能是:数据采集，数据测试和分析，结果输出显示s虚拟仪器以通用计算机和配置标准数字接口的测量仪器(包括GPIB, RS-232等传统仪器以及新型的VXI模块化仪器)为基础，将仪器硬件连接到各种计算机平台上，直接利用计算机丰富的软硬件资源，将计算机硬件(处理器、存储器、显示器)和测量仪器(频率计、示波器、信号源)等硬件资源与计算机软件资源(包括数据的处理、控制、分析和表达、过程通信以及图形用户界面)有机地结合起来。

图6交流伺服系统控制原理图

　　3.2 上位机程序设计

　　上位机程序主要完成参数设定、插补计算、回原点、显示伺服系统参数、通信、限位保护以及保存数据等功能。其界面如图7所示。

图7上位机程序界面图 

　　上电时，在上位机界面中设置好各个参数，程序将系统初始化，在自动模式下，上位机不断地通过RS232与PLC通信，发送指令，自动完成插补进给；在手动模式下，可以人工设置各轴的进给速度或者进给位移，通过通信模块传给PLC完成进给。在进给的过程中系统会时刻检测是否限位，如果限位则停止进给并发出警报。此外，上位机程序会利用PLC和数据采集卡完成伺服系统的参数计算及采集，实现对各种电机电流、速度，以及位移的显示，配合数据保存功能可以保存这些数据以供分析之用。其软件流程图如图8所示。

图8上位机程序流程图

　　上位机程序的通信模块主要实现计算机与PLC的RS232口通信。本平台使用台达DVP-12SC型PLC，支持高达11.52 kbit／s的通信速率。该PLCASCII模式通信格式见表1。