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近年来,随着制造业的不断进步,现代制造业对精密化、精确化、高速化、自动化发展的要求越来越高,传统的运动控制器大部分采用8051系列的8位单片机,这种单片机虽然节省了开发周期,但缺乏灵活性,且运算能力有限,难以胜任高要求运作设备 .DSP的数据运算和处理功能十分强大,即使在很复杂的控制系统中,其采样周期也可以取得很小,控制效果可以接近于连续系统. 把DSP与单片机各自优势相结合将是高性能数控系统的发展趋势. 本文针对数控系统的要求,开发了以ti公司的高性能浮点DSP和ATMEL公司的AT89C51为主控芯片的运动控制器. 它以嵌入式工业PC作为基本平台,通过PCI接口与嵌入式工业PC协调并进行数据交换,并以DSP高速运动控制卡作细插补和伺服控制的核心,来对永磁同步电动机的运动进行控制,取得了良好的应用效果.
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HANUC CNC2000 i系统
HANUC CNC2000 i系统控制框图如图1所示，系统主要包括嵌入式PC、操作面板、运动控制模块、彩显、输入/输出模块、数控键盘、DNC模块几部分。为实现高速、高精确度曲面轮廓精加工，必须提高微段轮廓线的解释执行能力和伺服驱动特性，为了保证零件程序的传送、插补、加减速控制等的连续处理， CNC应具备足够高的数据处理能力。 但普通的PC机在工业现场控制中，存在体积大、功耗高、可靠性差等缺点。 基于这种情况， 嵌入式工业微机———PCl04总线模块应运而生。 图1 HANUC CNC2000i数控系统结构框图 本系统的嵌入式PC采用Intel80486处理器，内置32M缓存，MS - DOS操作系统。 与传统的工业PC相比，其32M缓存保证了数控系统加工时的快速性和精确性。 因为，在加工的时候，缓存内的数据段直接和后续的译码程序相关联，所以缓存的容量越大，所存储的程序越多，执行起来也越快，并且还能进行小线段插补，充分保证了加工的精确度。 与其相连的DNC模块可通过RS232接口与上位机通信，使得整个系统具有良好的开放性。运动控制模块是本系统的核心，它以智能功率模块为开关器件，以TMSLF2407 +AT89C51为硬件控制核心，采用空间矢量控制方法。 它发出控制命令给伺服放大器，伺服放大器得到信号后发出指令控制交流永磁伺服电机，编码器将实际工作情况通过伺服放大器返回给运动控制模块，这种闭环控制模式充分保证了加工精确度。 通过正、负限位开关防止“飞车”、失控等危险事故发生。 交流伺服驱动系统的结构如图2所示。 图2 交流伺服驱动系统结构图 TMSLF2407是用来实现电流环、速度环、SVP2WM信号发生、故障检测、保护、信号处理及实时性比较高的矢量控制和闭环控制。 用单片机完成实时性要求比较低的管理任务，如I/O接口管理、键盘处理、显示、串行通讯等。 FPGA 用于AT89C51与DSP之间的数据交换。 且系统可支持模拟速度输入、数字速度输入、脉冲输入及通过上位机进行控制等功能. |
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空间电压矢量脉宽调制原理
在全数字控制的交流伺服驱动系统中，通常采用数字脉宽调制方法来代替传统的模拟脉宽调制。而在众多的脉宽调制威廉希尔官方网站 中，空间电压矢量是一种优化的PWM威廉希尔官方网站 ，能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电动机的谐波损耗，降低脉动转矩，且其控制简单，数字化实现方便，电压利用率高，已有取代传统SPWM的趋势。 在本文中， Tk 和Tk+1分别为在逆变器相邻两个工作状态Vsk和Vsk+1下的导通时间，表示为 在一个完整的调制周期Ts 内， 除了Tk 和Tk+1的导通时间外， 其余为0 状态时间。 0 状态时间T0 由两个自由轮换状态时间T7 和T8 用等式表示为 T0 =T7+T8 =Ts-Tk-Tk+1 （2） 由于0状态存在于每一个区域内，一般发生在每个调制周期的开始和结束时， 总的0状态时间一般分成两个相同的0状态时间，即 T7 = T8 =T0/2（3） 以便获得对称的空间矢量脉宽调制信号。依据式（ 1 ） ～ （ 3 ） 可得到对应电压空间矢量 V*Sref在0 类似的方法可以计算出电压参考信号V*Sref在其他5区域内双边空间矢量脉宽调制的三相逆变器开关时间，如表1所示。 |
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实验研究
伺服系统是数控装置和机床的联系环节，伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。 本文在一台HANUC CNC2000 i系统中进行了实验研究， 给出了其中一轴的伺服性能波形图。图8和图9给出了CNC2000 i系统的加工程序的X 轴交流伺服系统的性能波形， 5个通道分别为速度指令n （单位： r /min） ， 反馈速度n （单位： r /min） ，转矩图形误差e （% ） ，零偏差U （单位： V） ，定位完成信号S （单位：V） 。从实测波形图中可以看出，该伺服系统具有良好的位置跟踪性和准确的定位控制精确度。 图6 总线控制模块流程图 图7 参数管理模块流程图 由于采用单片机与DSP配合，系统的运算和实时处理的能力大大增强，可以适应多坐标轴、高速度、高精确度的数控系统，实现单处理器系统难以实现的功能。 与由单处理器完成所有任务的情况相比，该方法允许较短的插补周期，实现更高的进给和伺服控制精确度。 并经实验证明该伺服运动控制器反向速度快、定位时间短、转矩恒定，具有良好的线性调速特性及动态性能. |
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