第1部分 基礎(chǔ)篇
第1章 交流伺服電機(jī)的基礎(chǔ) 3
1.1 本書的重點(diǎn)課題 3
1.2 本書中使用的交流伺服電機(jī) 4
1.2.1 代表性的交流伺服電機(jī) 4
1.2.2 交流伺服電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造 5
1.2.3 交流伺服電機(jī)的用途 5
1.3 電機(jī)的構(gòu)造及原理 7
1.3.1 直流電機(jī)的基本構(gòu)造 8
1.3.2 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理 9
1.3.3 無刷直流電機(jī)的基本構(gòu)造 10
1.3.4 無刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)原理 11
1.4 電機(jī)的分類與直流伺服電機(jī)在分類中所處的位置 12
1.4.1 直流伺服電機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)電機(jī) 13
1.4.2 交流伺服電機(jī)是有逆變器電路的交流電機(jī) 13
1.4.3 交流伺服電機(jī)是同步電機(jī) 14
1.4.4 交流伺服電機(jī)的特征 14
1.5 伺服是什么 15
1.5.1 伺服機(jī)構(gòu)與伺服電機(jī) 15
1.5.2 直流伺服電機(jī) 15
1.5.3 RC伺服 16
1.5.4 位置檢出機(jī)構(gòu) 18
1.5.5 交流伺服電機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成 20
第2章 交流伺服電機(jī)的構(gòu)造與特征 22
2.1 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力的原理 22
2.1.1 有關(guān)磁鐵的知識(shí) 22
2.1.2 實(shí)際的電機(jī) 23
2.1.3 電機(jī)的恢復(fù)轉(zhuǎn)矩和平衡點(diǎn) 25
2.2 旋轉(zhuǎn)力與步進(jìn)驅(qū)動(dòng) 26
2.2.1 制造旋轉(zhuǎn)磁場的方法 26
2.2.2 使其連續(xù)的旋轉(zhuǎn) 26
2.2.3 決定位置機(jī)構(gòu)的特征 28
2.2.4 控制位置 28
2.2.5 控制速度 29
2.3 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 29
2.3.1 讓電機(jī)不停止地轉(zhuǎn)動(dòng) 29
2.3.2 不會(huì)產(chǎn)生失步 30
2.3.3 檢測轉(zhuǎn)子的位置 30
2.3.4 控制速度 32
2.3.5 控制位置 33
2.4 交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)(正弦波驅(qū)動(dòng)) 33
2.4.1 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)(正弦波驅(qū)動(dòng))的電流分配 34
2.4.2 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)(正弦波驅(qū)動(dòng))的轉(zhuǎn)子位置檢測 35
2.4.3 很容易實(shí)現(xiàn)高旋轉(zhuǎn)/高效率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 36
2.4.4 很難實(shí)現(xiàn)高旋轉(zhuǎn)/高效率的電機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 37
2.5 基于正弦波驅(qū)動(dòng)的微步進(jìn)驅(qū)動(dòng) 40
2.5.1 三相正弦波驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定點(diǎn) 40
2.5.2 轉(zhuǎn)子的步進(jìn)角不總是正確的 40
2.5.3 抑制電機(jī)振動(dòng)的效果 41
2.6 有刷直流電機(jī) 41
第3章 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ) 43
3.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí) 43
3.1.1 力與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 43
3.1.2 轉(zhuǎn)矩和功率的關(guān)系 44
3.1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的4象限運(yùn)行過程 45
3.1.4 直流電機(jī)的等價(jià)電路 46
3.1.5 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)可以通過電壓控制 47
3.1.6 線性放大器驅(qū)動(dòng)和PWM 放大器驅(qū)動(dòng) 48
3.2 電機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)方法 52
3.2.1 電橋電路PWM驅(qū)動(dòng)的MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器電路的例子 53
3.2.2 電橋PWM 驅(qū)動(dòng)方法的特征 54
3.2.3 線性PWM驅(qū)動(dòng)的MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器電路的例子 56
3.2.4 線性PWM 驅(qū)動(dòng)方法的特征 59
3.3 基于PWM驅(qū)動(dòng)的電機(jī)電流的檢測方法 61
3.3.1 直接測量電機(jī)線的方法(A方法) 62
3.3.2 測量電壓側(cè)MOSFET的電源和GND的電流的方法(B方法) 63
3.3.3 測量電源電流的方法(C方法) 63
3.3.4 測量電機(jī)電流的電路實(shí)例(A方法) 63
第4章 電機(jī)控制的基礎(chǔ) 65
4.1 電機(jī)控制的基礎(chǔ)知識(shí) 65
4.1.1 拉普拉斯變換是什么? 65
4.1.2 傳遞函數(shù)是什么? 66
4.1.3 方框圖是什么? 66
4.1.4 電機(jī)的傳遞函數(shù) 67
4.1.5 轉(zhuǎn)矩控制放大器的傳遞函數(shù) 69
4.1.6 傳感器的傳遞函數(shù) 70
4.1.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部的傳遞函數(shù) 70
4.2 伺服控制器的作用 71
4.2.1 位置控制的運(yùn)作原理 71
4.2.2 速度控制的運(yùn)作原理 72
4.3 數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)知識(shí) 73
4.3.1 延遲單元1/z 73
4.3.2 連續(xù)系統(tǒng)傳遞函數(shù)和離散系統(tǒng)傳遞函數(shù) 73
4.3.3 數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法 74
4.4 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)幫助軟件(DSP.EXE) 76
4.4.1 模擬濾波器設(shè)計(jì) 77
4.4.2 解析模擬濾波器頻率特性(c3) 78
4.4.3 s-z 變換(c4) 78
4.4.4 解析數(shù)字濾波器頻率特性(c5) 79
4.4.5 數(shù)字濾波器參數(shù)的保存(c6) 79
4.4.6 數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì)(w7) 80
4.4.7 數(shù)字位置/速度環(huán)控制器的設(shè)計(jì)(w8) 80
4.5 抓住濾波器設(shè)計(jì)的特征 81
4.5.1 2次LPF的特征 81
4.5.2 2次陷波濾波器的特征 82
4.5.3 PID控制器的特征 83
4.5.4 位置/速度環(huán)控制器的特征 85
4.6 伺服控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 86
4.6.1 伺服控制器的構(gòu)成 86
4.6.2 目標(biāo)軌跡生成器 86
4.6.3 系統(tǒng)延遲 87
4.6.4 反饋控制器 88
4.6.5 前饋控制器 88
4.6.6 輸出濾波器 88
第2部分 應(yīng)用篇
第5章 使用單片機(jī)控制交流伺服電機(jī)的基礎(chǔ) 91
5.1 H8S/2367F和CoolRunnerII的主要特征 91
5.1.1 16bit高速H8S/2000CPU 91
5.1.2 豐富的周邊功能 92
5.1.3 CoolRunnerII(XC2C256)的主要特征 92
5.2 單片機(jī)的使用方法 92
5.2.1 PWM 信號(hào)的產(chǎn)生方法 93
5.2.2 DMA的使用方法 94
5.2.3 DTC的使用方法 97
5.2.4 環(huán)路計(jì)算用的時(shí)基的產(chǎn)生方法 99
5.2.5 中斷控制器的使用方法 100
5.2.6 增計(jì)數(shù)的產(chǎn)生方法 101
5.2.7 實(shí)時(shí)通信接口(SCI)的使用方法 102
5.3 PLD的使用方法 103
5.3.1 CPLD及FPGA 103
5.3.2 CPLD的設(shè)計(jì)工具 103
5.3.3 設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn) 103
5.4 交流伺服電機(jī)控制回路的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 104
5.4.1 設(shè)計(jì)目標(biāo) 104
5.4.2 三相正弦波PWM 驅(qū)動(dòng) 104
5.4.3 自增計(jì)數(shù)器 105
5.4.4 PWM 頻率 106
5.4.5 電流環(huán)頻率 106
5.4.6 伺服環(huán)頻率 106
5.4.7 電機(jī)電流檢出頻率 107
第6章 驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)的三相PWM 控制回路的實(shí)踐 108
6.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 108
6.1.1 控制部分的參數(shù) 108
6.1.2 驅(qū)動(dòng)部分的參數(shù) 108
6.2 使用部件及電路的選定 109
6.2.1 MOSFET的確定 109
6.2.2 MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路 110
6.2.3 電機(jī)電流檢測電路 111
6.3 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)硬件電路 112
6.3.1 使用微控制器內(nèi)置的TPU生成三相PWM 的方法 112
6.3.2 非重疊PWM 信號(hào) 113
6.3.3 轉(zhuǎn)子位置檢測電路(CPLD) 115
6.4 向量控制的基礎(chǔ)知識(shí) 118
6.4.1 模擬的參數(shù) 119
6.4.2 電機(jī)電流三相(U,V,W)的波形 120
6.4.3 電機(jī)電流的三相(U,V,W)→二相(α,β)轉(zhuǎn)換 120
6.4.4 電機(jī)電流的二相(α,β)到d-q 的轉(zhuǎn)換 121
6.4.5 PI(比例積分)控制器 123
6.4.6 PI控制器d-q→α′-β′變換 125
6.4.7 二相(α′,β′)→三相(U,V,W)變換 126
6.5 基于微控制器的向量控制實(shí)驗(yàn) 127
6.5.1 計(jì)算轉(zhuǎn)子的位置,從LUT(LookUpTable)中讀取sin值和cos值 128
6.5.2 U相和V相的電機(jī)電流值的讀取、偏差修正、增益修正 129
6.5.3 對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行α-β變換,再進(jìn)行d-q 變換 131
6.5.4 PI(比例積分)控制器 132
6.5.5 PI控制器d-q→二相(α′,β′)→三相(U,V,W)變換 135
6.5.6 三相(U,V,W)→PWM 變換 135
6.5.7 對(duì)應(yīng)各種各樣的電機(jī) 139
第7章 基于軟件的伺服控制器的設(shè)計(jì) 141
7.1 伺服控制器的構(gòu)成 141
7.1.1 讀取編碼計(jì)數(shù)器的值,計(jì)算位置和速度 141
7.1.2 計(jì)算反饋(PID或者是位置/速度環(huán)) 143
7.1.3 前饋& 輸出濾波器 145
7.1.4 伺服輸出(轉(zhuǎn)矩指令)處理 146
7.1.5 標(biāo)準(zhǔn)值的生成 148
7.2 反饋控制器 149
7.2.1 PID控制器的運(yùn)算步驟 149
7.2.2 位置/速度環(huán)控制器計(jì)算路徑 150
7.3 IIR數(shù)字濾波器計(jì)算路徑 151
7.4 前饋計(jì)算路徑 154
7.5 目標(biāo)軌跡生成器 155
7.5.1 目標(biāo)軌跡生成相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí) 155
7.5.2 目標(biāo)位置軌跡的生成方法 157
7.5.3 目標(biāo)速度軌跡的生成方法 158
第8章 基于匯編語言實(shí)現(xiàn)的伺服控制器高速化 160
8.1 IEEE標(biāo)準(zhǔn)的單精度浮點(diǎn) 160
8.1.1 單精度浮點(diǎn)的位配置 160
8.1.2 單精度浮點(diǎn)的表示方法 161
8.2 16位精度浮點(diǎn) 162
8.2.1 16位精度浮點(diǎn)的位的設(shè)置 162
8.2.2 16位精度浮點(diǎn)的表示方法 163
8.2.3 16位精度浮點(diǎn)的計(jì)算精度 164
8.2.4 16位精度浮點(diǎn)的計(jì)算方法 164
8.3 PID控制器 180
8.3.1 寄存器的使用方法 182
8.3.2 計(jì)算順序和運(yùn)行時(shí)間 183
8.3.3 在積分項(xiàng)中設(shè)置極限 184
8.4 位置/速度環(huán)控制器 184
8.4.1 寄存器的使用方法 187
8.4.2 計(jì)算順序和運(yùn)行時(shí)間 187
8.4.3 在積分項(xiàng)中設(shè)置極限值 188
8.5 IIR數(shù)字濾波器 188
8.5.1 寄存器和局部變量的使用方法 190
8.5.2 計(jì)算順序和運(yùn)行時(shí)間 192
第9章 交流伺服電機(jī)的控制實(shí)驗(yàn) 193
9.1 電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)的設(shè)備 193
9.1.1 電機(jī)控制主板 194
9.1.2 使用的電機(jī) 195
9.1.3 實(shí)驗(yàn)中用的負(fù)荷 195
9.2 伺服調(diào)整方法 196
9.2.1 有關(guān)伺服調(diào)整的一些參數(shù) 196
9.2.2 伺服鎖定的實(shí)現(xiàn) 197
9.2.3 伺服調(diào)整工具 200
9.2.4 PID參數(shù)的決定方法 201
9.2.5 加速度極限和速度極限的確定方法 202
9.2.6 驅(qū)動(dòng)極限(轉(zhuǎn)矩控制放大器的電流極限)的確定方法 204
9.2.7 前饋的確定方法 204
9.2.8 數(shù)字濾波器的系數(shù) 204
9.3 電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)(PID控制器) 204
9.3.1 微小距離傳送的定位性能 204
9.3.2 高速傳送響應(yīng)性能 207
9.3.3 速度控制性能 207
9.4 電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)(位置/速度環(huán)控制器) 208
9.4.1 位置/速度環(huán)控制器是二重反饋控制器 209
9.4.2 伺服增益的決定 209
9.4.3 開環(huán)頻率特性 210
9.5 電機(jī)的輸出功率 213
9.5.1 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)和輸出功率的關(guān)系 213
9.5.2 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是在做功 214
附 錄 交流/直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)MCG02 215
專業(yè)術(shù)語解釋 217
參考文獻(xiàn) 229