第1部分 基礎篇
第1章 交流伺服電機的基礎 3
1.1 本書的重點課題 3
1.2 本書中使用的交流伺服電機 4
1.2.1 代表性的交流伺服電機 4
1.2.2 交流伺服電機的內(nèi)部構造 5
1.2.3 交流伺服電機的用途 5
1.3 電機的構造及原理 7
1.3.1 直流電機的基本構造 8
1.3.2 直流電機的轉(zhuǎn)動原理 9
1.3.3 無刷直流電機的基本構造 10
1.3.4 無刷電機的旋轉(zhuǎn)原理 11
1.4 電機的分類與直流伺服電機在分類中所處的位置 12
1.4.1 直流伺服電機屬于旋轉(zhuǎn)電機 13
1.4.2 交流伺服電機是有逆變器電路的交流電機 13
1.4.3 交流伺服電機是同步電機 14
1.4.4 交流伺服電機的特征 14
1.5 伺服是什么 15
1.5.1 伺服機構與伺服電機 15
1.5.2 直流伺服電機 15
1.5.3 RC伺服 16
1.5.4 位置檢出機構 18
1.5.5 交流伺服電機的系統(tǒng)構成 20
第2章 交流伺服電機的構造與特征 22
2.1 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力的原理 22
2.1.1 有關磁鐵的知識 22
2.1.2 實際的電機 23
2.1.3 電機的恢復轉(zhuǎn)矩和平衡點 25
2.2 旋轉(zhuǎn)力與步進驅(qū)動 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 決定位置機構的特征 28
2.2.4 控制位置 28
2.2.5 控制速度 29
2.3 無刷直流電機驅(qū)動 29
2.3.1 讓電機不停止地轉(zhuǎn)動 29
2.3.2 不會產(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 交流電機驅(qū)動(正弦波驅(qū)動) 33
2.4.1 交流伺服電機驅(qū)動(正弦波驅(qū)動)的電流分配 34
2.4.2 交流伺服電機驅(qū)動(正弦波驅(qū)動)的轉(zhuǎn)子位置檢測 35
2.4.3 很容易實現(xiàn)高旋轉(zhuǎn)/高效率的電機驅(qū)動的無刷直流電機驅(qū)動 36
2.4.4 很難實現(xiàn)高旋轉(zhuǎn)/高效率的電機驅(qū)動的交流伺服電機驅(qū)動 37
2.5 基于正弦波驅(qū)動的微步進驅(qū)動 40
2.5.1 三相正弦波驅(qū)動的穩(wěn)定點 40
2.5.2 轉(zhuǎn)子的步進角不總是正確的 40
2.5.3 抑制電機振動的效果 41
2.6 有刷直流電機 41
第3章 電機驅(qū)動電路的基礎 43
3.1 電機驅(qū)動的基礎知識 43
3.1.1 力與轉(zhuǎn)矩的關系 43
3.1.2 轉(zhuǎn)矩和功率的關系 44
3.1.3 電機驅(qū)動的4象限運行過程 45
3.1.4 直流電機的等價電路 46
3.1.5 直流電機的轉(zhuǎn)數(shù)可以通過電壓控制 47
3.1.6 線性放大器驅(qū)動和PWM 放大器驅(qū)動 48
3.2 電機的PWM驅(qū)動方法 52
3.2.1 電橋電路PWM驅(qū)動的MOSFET柵極驅(qū)動器電路的例子 53
3.2.2 電橋PWM 驅(qū)動方法的特征 54
3.2.3 線性PWM驅(qū)動的MOSFET柵極驅(qū)動器電路的例子 56
3.2.4 線性PWM 驅(qū)動方法的特征 59
3.3 基于PWM驅(qū)動的電機電流的檢測方法 61
3.3.1 直接測量電機線的方法(A方法) 62
3.3.2 測量電壓側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 測量電機電流的電路實例(A方法) 63
第4章 電機控制的基礎 65
4.1 電機控制的基礎知識 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 電機驅(qū)動部的傳遞函數(shù) 70
4.2 伺服控制器的作用 71
4.2.1 位置控制的運作原理 71
4.2.2 速度控制的運作原理 72
4.3 數(shù)字信號處理的基礎知識 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)字濾波器的設計方法 74
4.4 數(shù)字濾波器設計幫助軟件(DSP.EXE) 76
4.4.1 模擬濾波器設計 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控制器的設計(w7) 80
4.4.7 數(shù)字位置/速度環(huán)控制器的設計(w8) 80
4.5 抓住濾波器設計的特征 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)設計 86
4.6.1 伺服控制器的構成 86
4.6.2 目標軌跡生成器 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 應用篇
第5章 使用單片機控制交流伺服電機的基礎 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 單片機的使用方法 92
5.2.1 PWM 信號的產(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)路計算用的時基的產(chǎn)生方法 99
5.2.5 中斷控制器的使用方法 100
5.2.6 增計數(shù)的產(chǎn)生方法 101
5.2.7 實時通信接口(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的設計工具 103
5.3.3 設計中的注意點 103
5.4 交流伺服電機控制回路的系統(tǒng)設計 104
5.4.1 設計目標 104
5.4.2 三相正弦波PWM 驅(qū)動 104
5.4.3 自增計數(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 電機電流檢出頻率 107
第6章 驅(qū)動交流伺服電機的三相PWM 控制回路的實踐 108
6.1 設計參數(shù) 108
6.1.1 控制部分的參數(shù) 108
6.1.2 驅(qū)動部分的參數(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)動電路 110
6.2.3 電機電流檢測電路 111
6.3 交流伺服電機驅(qū)動硬件電路 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 113
6.3.3 轉(zhuǎn)子位置檢測電路(CPLD) 115
6.4 向量控制的基礎知識 118
6.4.1 模擬的參數(shù) 119
6.4.2 電機電流三相(U,V,W)的波形 120
6.4.3 電機電流的三相(U,V,W)→二相(α,β)轉(zhuǎn)換 120
6.4.4 電機電流的二相(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驗 127
6.5.1 計算轉(zhuǎn)子的位置,從LUT(LookUpTable)中讀取sin值和cos值 128
6.5.2 U相和V相的電機電流值的讀取、偏差修正、增益修正 129
6.5.3 對電機電流進行α-β變換,再進行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 對應各種各樣的電機 139
第7章 基于軟件的伺服控制器的設計 141
7.1 伺服控制器的構成 141
7.1.1 讀取編碼計數(shù)器的值,計算位置和速度 141
7.1.2 計算反饋(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 標準值的生成 148
7.2 反饋控制器 149
7.2.1 PID控制器的運算步驟 149
7.2.2 位置/速度環(huán)控制器計算路徑 150
7.3 IIR數(shù)字濾波器計算路徑 151
7.4 前饋計算路徑 154
7.5 目標軌跡生成器 155
7.5.1 目標軌跡生成相關的基礎知識 155
7.5.2 目標位置軌跡的生成方法 157
7.5.3 目標速度軌跡的生成方法 158
第8章 基于匯編語言實現(xiàn)的伺服控制器高速化 160
8.1 IEEE標準的單精度浮點 160
8.1.1 單精度浮點的位配置 160
8.1.2 單精度浮點的表示方法 161
8.2 16位精度浮點 162
8.2.1 16位精度浮點的位的設置 162
8.2.2 16位精度浮點的表示方法 163
8.2.3 16位精度浮點的計算精度 164
8.2.4 16位精度浮點的計算方法 164
8.3 PID控制器 180
8.3.1 寄存器的使用方法 182
8.3.2 計算順序和運行時間 183
8.3.3 在積分項中設置極限 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 計算順序和運行時間 187
8.4.3 在積分項中設置極限值 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 計算順序和運行時間 192
第9章 交流伺服電機的控制實驗 193
9.1 電機控制實驗的設備 193
9.1.1 電機控制主板 194
9.1.2 使用的電機 195
9.1.3 實驗中用的負荷 195
9.2 伺服調(diào)整方法 196
9.2.1 有關伺服調(diào)整的一些參數(shù) 196
9.2.2 伺服鎖定的實現(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 電機控制實驗(PID控制器) 204
9.3.1 微小距離傳送的定位性能 204
9.3.2 高速傳送響應性能 207
9.3.3 速度控制性能 207
9.4 電機控制實驗(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 電機的輸出功率 213
9.5.1 電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)和輸出功率的關系 213
9.5.2 電機轉(zhuǎn)動是在做功 214
附 錄 交流/直流伺服電機驅(qū)動MCG02 215
專業(yè)術語解釋 217
參考文獻 229