雕铣机(CNC engraving and milling machine)

既可以雕刻  ，也可铣削  ，是一种高效高精的数控 机床  ，广泛应用于精密模具粗精加丁一次完成  ， 紫铜电极  ，铝件产品批量加丁  ，鞋模制造  ，钟表 眼镜行业等 。雕铣机性价比高  ，加丁速度快  ，加 丁产品光洁度好  ，在机床加丁业越来越占有重要 地位 。为保证雕铣机的加丁精度  ，应包含的特性 有：自动化程度高、加丁精度高以及稳定性好 。 在雕铣机中进给伺服系统的控制性能决定了雕铣 机的加丁性能  ，因此  ，在雕铣机进给系统中的永 磁同步伺服电机控制方法的选择与实现会影响整 个加丁精度[1] 。
电机的矢量控制是目前应用广泛的控制方 法 。近几年来  ，国内外学者将空间矢量PWM控制技术应用于永磁同步电机控制中  ，并取得了相当 的成就 。同时  ，随着对PMSM控制技术要求的提 高  ，矢量PWM控制系统成为首选控制方案'为 此提出一种控制性能良好的永磁同步伺服电机矢 量控制系统  ，并对永磁同步电机数学模型和矢量 控制原理做了相关的研究  ，搭建了永磁同步电机 矢量控制模型并对其进行了编程仿真研究 。
1永磁同步电机的数学模型
为了实现对永磁同步电机控制  ，需要先对其 建立良好的数学模型 。在DSP控制系统中采用 坐标系下的数学模型  ，因为这是矢量控制原 理的根本 。
2永磁交流伺服电机的矢量控制系统
直流电机的控制方式比较简单  ，这是由其模 型所决定 。励磁磁场由励磁电流产生  ，电枢磁场 由电枢电流产生  ，可分开控制而不会相互影响 。 而永磁同步电机的模型复杂  ，非线性而且各个量 之间相互耦合  ，永磁体产生的磁场和定子绕组产 生的磁场是不垂直的 。因此  ，要通过矢量控制的 方式经坐标变化来建立虚拟的坐标系使得两者相 互垂直  ，这也正是矢量控制的本质意义所在[5] 。
2.1矢量控制的基本原理
从永磁同步伺服电机的数学模型可以看出  ， 对电机输出转矩的控制最终归结为对其交、直轴 电流的控制 。对永磁交流同步电机的矢量控制的 方法主要有：td=0控制、最大转矩控制、弱磁控 制以及控制等  ，该矢量控制的方法的提出是对电 机控制领域的一个巨大的创新 。该控制方法是将 定子电流分解成产生磁场的部分和产生转矩的部 分  ，分解后  ，模拟直流电机的控制方法  ，对这两 个组件可以单独控制[6] 。矢量控制坐标变换结构框 图见图1所示 。
该伺服电机控制系统的控制过程可表示为: 由图1所示的过程框图看出  ，进给速度给定信号 与编码器检测到的转子转速信号相比较  ，经速度 调节器的调节后  ，输出转矩电流分量tq指令信 号  ，而d轴的参考输人电流为〇  ，同时利用电流检 测器采集永磁电机的定子三相交变电流  ，然后经 CLARKE变换和PARK变换得q轴与d轴电流k和 td  ，然后使tq、‘和td、td相比较  ，并经过电流调节器的处理  ，得出d-q坐标系下的直轴电压< 和交轴电压 < 。再通过Park逆变换电路可得a -yS 坐标系下的矢量电压?和％  ，由该矢量电压通过 SVPWM模块产生六路PWM驱动控制信号  ，驱动 逆变器中的开关器件 。由此产生频率、幅值持续 可变的三相正弦电流输人到永磁同步电机定子电 枢  ，从而实现完整的速度电流双闭环的永磁同步 电机矢量控制[7] 。
2.2 SVPWM产生原理
三相桥式电压型逆变器是丁业上最常用的逆 变器拓扑结构  ，如图4是一个典型的电压型PWM 逆变电路 。该逆变电j9九游会平台过控制6个开关管的开 关状态和顺序的组合以及开关时间的调整来输出 电机所需要的电流[8] 。以得到谐波含量少、直流电 源电压利用率高的输出 。
如图2所示中的仏~队是6个功率开关管  ， 用a、b、c分别代表了 3个桥臂的开关状态 。规定：当上桥臂开关管处于“开”状态时（此时相
应下桥臂开关管必然是“关”状态）  ，其开关状态为“1”；当下桥臂开关管为“开”状态时（此时相应上桥臂开关管必然是“关”状态）  ，则开关状态为“0” 。这3个桥臂只有“1”或“0”两种状态  ，因此a、b、c可形成000、001、010、011、 100、 101、110、111共8种开关状态 。其中000和111开关状态使逆变电路输出电压为零  ，所以称这两种开关状态为零状态[9]  ，其八种状态如表1所示 。

3软件模块及控制代码实现
在伺服电机控制领域  ，各个DSP厂家都有相 对应的系列产品  ，例如TI公司的28x系列  ，Fre- escale公司的56F80x系列等  ，综合考虑控制方法 所用时间和计算能力  ，位宽  ，浮点和定点等指标 满足要求的情况下  ，选择TI公司的C2000系列中 的28335作为控制器并利用电机控制模块实现电 机仿真  ，其仿真电路见图3所示 。
永磁同步伺服电机的控制程序是基于TI的 DSP开发软件CCS平台编写  ，以下是PWM控制信 号输出的一段程序：
#include <pmsm_pwm.h> main()
{
DDRB=0xff; //端口为输出 DDRD=0xff;
PORTD=0x00;
PORTE=0x00;
TIMSK=0x00; //关闭定时器中断
TCNT0=0x00; //定时器 0  ，OC0 输出 1.95305kHz的方波  ，占空比50%
TCCR0=0x6b; //快速PWM方式  ，分频 OCR0=0x80; //写人比较器数值（决定占空
比）
TCNT1H=0x00; //计数器清零 TCNT1L=0x00; //定时器1  ，输出方波
TCCR1A=0xa9; //快速PWM  ，8分频；
OCR1A=0x40；
OCR1B=0x80；
OCR1C=0xc0;
OC1C输出75%占空比

}
通过以上程序  ，实现了 3种占空比类型的PWM控制信号的输出  ，在实际的程序应用中  ，取得了比较好的控制效果 。
4试验验证
根据上述永磁同步伺服电机的数学模型  ，采用DSP控制器完成电机三相电流的控制  ，并实现对电机电流  ，速度等的检测 。该项目采用的CCS(CodeComposer Studio)是 TI 公司提供的DSP软件开发j9九游会平台  ，包含一整套用于开发和调试的工具 。其中编译器、源码编辑器可实现源代码的编写和调试 。而调
试器、描述器、仿真器等均可实现数据可视化  ，该项目中对电机的启停  ，加减速控制进行了实验  ，数据图形描述如下 。
如图4、5所示是电机在启动时的转速、转角和三相绕组电流的曲线  ，从图4中可以看出电机从零速到500 r/min的启动时间约为1 s  ，转速上升非常平滑  ，无过冲  ，并且预设转速与实际测量转速基本一致 。转子转角的三种曲线的变化趋势相同  ，转角增加平稳、运行稳定  ，启动性能良好 。从图5看出电机在启动过程中三相电流是正弦波形  ，谐波分量少  ，从而减少了谐波损耗  ，提高电机效率 。
如图6、7是DSP控制下伺服电机在阶跃响应 的转速与电流曲线  ，由图6可见  ，实际转速与给定转速相比有一段时间滞后和平滑上升阶段  ，但 响应转速平稳  ，且转速稳定时的波动小  ，下部分 曲线表示了电机的控制电流的变化  ，此时在转速 增加的时电流较大  ，稳定电流较小且稳定 。图7 是DSP控制下伺服电机在阶跃响应下的电流曲线 电流响应曲线  ，可见电流给定曲线与响应曲线非 常接近  ，响应时间短、无超调、电流响应平稳  ， 所以该DSP控制具有优良的电流控制特性 。
5结论
本文通过永磁同步伺服电机的应用场合  ，指 出该类电机应具有的性能特性 。为此对其数学模型 进行了探讨和计算研究  ，并在此数学模型的基础 上  ，应用DSP控制技术对永磁同步电机矢量控制系 统进行了研究  ，通过电机运动控制的仿真与实验结 果的对比  ，验证了算法的可行性和准确性  ，为今后 电机应用和控制提供了理论指导和参考数据 。