時(shí)間：2022-07-09 08:54:36
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3D智能家庭控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)
該系統(tǒng)以實(shí)際別墅為載體，并且別墅內(nèi)部安裝定制的智能控制家電，如電冰箱，空調(diào)，電視和燈具等。因此實(shí)現(xiàn)過程中筆者使用3Dmax對(duì)實(shí)際別墅及內(nèi)部裝修物品進(jìn)行建模，使用戶可以在構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景中自由漫游，并且在漫游過程中，用戶可以對(duì)看到的智能家電實(shí)施控制，如控制電器的開關(guān)，空調(diào)溫度的調(diào)整，電視的選臺(tái)等功能。使用戶通過此系統(tǒng)就能在一個(gè)位置控制整個(gè)別墅家電的狀態(tài)，方便用戶的生活。另外為使用戶能更直觀地了解整個(gè)別墅的布局情況，用戶可從別墅外面觀看別墅的剖面圖，達(dá)到用戶不走進(jìn)別墅內(nèi)部，從外邊就可以看到別墅各個(gè)房間的裝飾風(fēng)格以及家電的位置。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程
系統(tǒng)采用3Dmax建模軟件構(gòu)建別墅模型，利用VS2010作為開發(fā)環(huán)境，基于DXUT框架完成了以上的系統(tǒng)目標(biāo)，用戶可以通過鼠標(biāo)、鍵盤或觸摸屏與系統(tǒng)進(jìn)行交互［3］。系統(tǒng)的開發(fā)步驟如圖1所示。
漫游實(shí)現(xiàn)
1自由漫游
三維場(chǎng)景中的自由漫游，用戶通過鼠標(biāo)，鍵盤，觸摸屏或其他的外接設(shè)備，可隨心所欲地在虛擬場(chǎng)景中查看各個(gè)角落的畫面?；驹?攝像機(jī)是漫游中一個(gè)重要概念，它像是人的眼睛，攝像機(jī)照到的地方就是用戶可以看到的地方。因此，在實(shí)現(xiàn)過程中將一些按鍵與功能相對(duì)應(yīng)，當(dāng)用戶按到相應(yīng)的鍵時(shí)，渲染模塊根據(jù)按鍵信息，調(diào)用相應(yīng)的功能函數(shù)，功能函數(shù)完成相應(yīng)的攝像機(jī)參數(shù)和其他位置信息的設(shè)置，調(diào)用一些幾何變化，渲染模塊根據(jù)新的參數(shù)信息，重新渲染視角內(nèi)的模型，完成功能操作［4］。漫游的基本功能有:前后、左右移動(dòng)以及左右視角的旋轉(zhuǎn)。
2碰撞檢測(cè)
用戶在漫游過程中不能出現(xiàn)穿越墻壁的情況，為達(dá)到這種真實(shí)性，需要時(shí)刻對(duì)場(chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行碰撞檢測(cè)。而碰撞檢測(cè)就是檢測(cè)場(chǎng)景中不同對(duì)象是否發(fā)生了碰撞。從幾何上講，碰撞檢測(cè)表現(xiàn)為兩個(gè)多面體的求交測(cè)試問題。常用的碰撞檢測(cè)算法有軸向包圍盒檢測(cè)算法，方向包圍和檢測(cè)算法，離散方向多面體檢測(cè)算法，時(shí)空包圍盒檢測(cè)算法等［5］。各算法有其自己的特點(diǎn)，根據(jù)人們的實(shí)際應(yīng)用，由于家電都是形狀比較規(guī)則的模型，基于包圍盒的檢測(cè)算法能快速準(zhǔn)確地計(jì)算出攝像機(jī)與其附近的模型的相交性。因此，筆者采用軸向包圍盒檢測(cè)算法，通過設(shè)置一個(gè)軸向長(zhǎng)方體將攝像機(jī)包裹起來，檢測(cè)此長(zhǎng)方體與模型是否相交［6］。項(xiàng)目中使用的碰撞檢測(cè)算法如圖2所示。
我國(guó)對(duì)先進(jìn)工業(yè)技術(shù)的開發(fā)有法律保障，在《中華人民共和國(guó)節(jié)約能源法》、《高耗能特種設(shè)備節(jié)能監(jiān)督管理辦法》中明確規(guī)定：在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，大力支持節(jié)能減排技術(shù)的研發(fā)、創(chuàng)造、展示以及推廣，為了降低能源的耗損比率；大力推廣企業(yè)用高效率、高能源利用率的、鍋爐、電動(dòng)機(jī)、窯爐、泵類等工業(yè)設(shè)備，爭(zhēng)取開創(chuàng)更加先進(jìn)的工業(yè)檢測(cè)和工業(yè)控制技術(shù)。然而，在具體實(shí)施過程中我們需要了解面臨的挑戰(zhàn)：
1.1對(duì)機(jī)械設(shè)備的危害與干擾
從機(jī)器自身結(jié)構(gòu)來看，大部分空壓機(jī)生產(chǎn)簡(jiǎn)單有明顯的技術(shù)缺陷：輸入的壓力數(shù)大于一定值時(shí)，變頻空壓機(jī)會(huì)自動(dòng)打開導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)，嚴(yán)重浪費(fèi)電力資源并且損害機(jī)器本身，繼而導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)和頻繁暫停，降低電動(dòng)機(jī)的使用壽命。變頻空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要很大的電流，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，而且嚴(yán)重磨損了電器本身的轉(zhuǎn)動(dòng)軸承設(shè)備。電動(dòng)機(jī)在運(yùn)作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的噪音污染，電動(dòng)機(jī)周圍的工作環(huán)境比較惡劣，也對(duì)工作人員的健康產(chǎn)生不利影響，且以人為調(diào)節(jié)法來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的輸出壓力，運(yùn)轉(zhuǎn)效率低，嚴(yán)重浪費(fèi)人力資源。
1.2對(duì)機(jī)械設(shè)備相關(guān)電器的危害
對(duì)變壓器的危害表現(xiàn)在：加大銅損和鐵損，使得變壓器的溫度升高，影響絕緣；引起電動(dòng)機(jī)附加零件的發(fā)熱，引發(fā)機(jī)器本身溫度的額外升高；導(dǎo)致電容器組溫度過熱，增加中介電質(zhì)的感應(yīng)能力，嚴(yán)重的情況下可以損壞電力電容器組；對(duì)開關(guān)設(shè)備的危害，啟動(dòng)瞬間開關(guān)將會(huì)產(chǎn)生較大的電流變化，達(dá)到電壓保險(xiǎn)值直至絕緣體的破壞；在保護(hù)電氣的時(shí)候，改變電器固有屬性，引發(fā)電器動(dòng)作紊亂；引發(fā)測(cè)量?jī)x表的數(shù)據(jù)顯示誤差，降低數(shù)據(jù)精確度。
2變頻技術(shù)在機(jī)電控制方面的策略
2.1基本思路
在世紀(jì)工業(yè)過程中對(duì)變頻技術(shù)進(jìn)行較為尖端的的軟件和硬件設(shè)計(jì)，先根據(jù)傳統(tǒng)空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，全方位分析其耗能原因和工作特性，從而設(shè)計(jì)出變頻技術(shù)調(diào)速、空氣技術(shù)壓縮、壓力傳感技術(shù)提升等控制方式，根據(jù)控制電路進(jìn)行變頻器的確定以及電器初始化的設(shè)計(jì)，控制方式要用矢量控制，詳細(xì)分析矢量控制原理，對(duì)變頻矢量進(jìn)行仿真檢查，科學(xué)地改變變頻器的運(yùn)行參數(shù)。另一方面，變換變頻器的控斜參數(shù)。通過復(fù)合信號(hào)控制變頻器的輸入與輸出，可以在容器的進(jìn)口處增加電器使用流量信號(hào)記錄，容器上增加電器壓力信號(hào)，這樣可以減少對(duì)機(jī)械設(shè)備的危害。
2.2具體策略
首先在系統(tǒng)線路中建立安裝濾波器，過濾掉高次諧波的干擾信號(hào)。其次是屏蔽干擾源，這是抵御干擾行之有效的方法之一，具體做法是用鋼管來屏蔽輸出線路。再次是將電機(jī)正確接地，接地時(shí)要與其他的動(dòng)力電器設(shè)備接地點(diǎn)分開。然后是對(duì)線路進(jìn)行合理布局，電動(dòng)機(jī)設(shè)備的信號(hào)線和電源線應(yīng)該盡量避開變頻器的輸入和輸出線，而其他設(shè)備的電源線和信號(hào)線也同樣要避開變頻器的輸入和輸出線，進(jìn)行平行鋪設(shè)。最后是合理使用電抗器，交流電抗器中的串聯(lián)電路減弱了輸入電路中電流對(duì)變頻器的打擊，而直流電抗器減弱了輸入電流中的高次諧波。在設(shè)置之前，電動(dòng)機(jī)電網(wǎng)中的高次諧波含量已達(dá)到40％，而安裝了濾波器之后，高次諧波的含量降到了20.6％，特別是三到八次過后，已經(jīng)低于標(biāo)準(zhǔn)含量值了。在變頻器選擇方面，需要學(xué)會(huì)優(yōu)先考慮諧波含量低且攜帶濾波器和電抗器的變頻工具。變壓機(jī)電動(dòng)機(jī)安裝時(shí)，控制信號(hào)電纜和本身的動(dòng)力電纜要有屬于各自的架構(gòu)線路的電纜結(jié)構(gòu)，做好及屏蔽措施，禁止線路交叉或者架構(gòu)紊亂，安裝時(shí)兩者要保持距離以及設(shè)立必要的防護(hù)措施，綜合達(dá)到既發(fā)展工業(yè)經(jīng)濟(jì)又節(jié)能減耗的“雙贏”效果。值得我們借鑒的是，國(guó)際上針對(duì)變頻空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)重新設(shè)計(jì)了空壓機(jī)，將電機(jī)由傳統(tǒng)意義上的單相電改為三相交流電，并且具有良好的調(diào)速性能。我國(guó)目前大量生產(chǎn)和應(yīng)用的空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)，如果要持續(xù)發(fā)展就必須要開發(fā)出單相電機(jī)的變頻器。最后對(duì)改造之后的空壓機(jī)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)計(jì)算，并進(jìn)行成本分析，驗(yàn)證是否能夠讓改造后的空壓機(jī)更加有效地節(jié)省能源。
3結(jié)束語
裝置總體設(shè)計(jì)
鑒于目前所實(shí)施的階梯峰谷電價(jià)和將來的實(shí)時(shí)電價(jià)政策，文中設(shè)計(jì)的家電控制裝置包括智能插座和家庭互動(dòng)終端，兩個(gè)裝置通過無線通信構(gòu)成一套家庭用電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。智能插座將采集用電數(shù)據(jù)發(fā)送給家庭互動(dòng)終端，互動(dòng)終端實(shí)時(shí)顯示家庭用電和電價(jià)情況，互動(dòng)終端根據(jù)電價(jià)情況為用戶提供不同的智能節(jié)電方案，在滿足用戶用電需求的前提下，智能控制室內(nèi)各電器工作屬性，用戶根據(jù)實(shí)際情況可以對(duì)節(jié)電方案進(jìn)行調(diào)整，最大程度上降低用電量和用電費(fèi)的支出，實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化配置。
智能插座
智能插座是基于光纖復(fù)合電纜或無線雙通道連接家電和電源的中間設(shè)備，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)家庭用電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控與管理，在執(zhí)行通斷電操作、獲得家電狀態(tài)信息的同時(shí)兼插座使用。
1智能插座主要功能
1）對(duì)家用電器的用電量進(jìn)行計(jì)量，并采集家電的電壓、電流、功率、功率因數(shù)，將所需數(shù)據(jù)上傳至家庭互動(dòng)終端；2）利用無線等通信方式，接收互動(dòng)終端下發(fā)的控制指令，對(duì)家用電器執(zhí)行通斷電操作，在家電進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)時(shí)切斷電源，達(dá)到消除待機(jī)能耗、節(jié)能省電的目的。
2智能插座硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)智能插座的功能，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，智能插座主要包含控制管理模塊、開斷模塊、計(jì)量模塊、通信模塊、時(shí)鐘和存儲(chǔ)模塊等。
1）控制管理模塊
智能插座在功能上要求較低，但安裝數(shù)量較多，因此在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)濟(jì)實(shí)用性著重考慮，可選用ATMEL公司的AT89S52。
2）電能計(jì)量模塊
用于監(jiān)測(cè)電器當(dāng)前的工作狀態(tài)，如實(shí)際功率、電壓、電流等，可采用計(jì)量芯片ATT7022B。
3）開關(guān)模塊
智能插座內(nèi)部的繼電器來控制家用電器電源的通斷，微處理器接收到通斷電指令后，令繼電器吸合或斷開。
4）通信模塊
選擇ZigBee微功率無線技術(shù)，通信的可靠性和通信速率高。通信模塊采用CC2530芯片，CC2530能以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)向控制器發(fā)送數(shù)據(jù)和接收控制器的指令。
家庭互動(dòng)終端
用戶通過家庭互動(dòng)終端了解室內(nèi)用電信息，互動(dòng)終端根據(jù)電價(jià)情況為用戶提供不同的智能節(jié)電方案，在滿足用戶用電需求的前提下，用戶根據(jù)實(shí)際情況可以對(duì)節(jié)電方案進(jìn)行調(diào)整?；?dòng)終端根據(jù)用電方案對(duì)各用電器進(jìn)行控制，最大程度上降低用電量和用電費(fèi)的支出，實(shí)現(xiàn)能源優(yōu)化配置。
1家庭互動(dòng)終端主要功能
1）接收智能插座發(fā)送的電器用電數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)電價(jià)數(shù)據(jù)，以及上述數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。2）為用戶提供平臺(tái)，用戶通過互動(dòng)終端查詢家庭用電信息及其它相關(guān)信息。3）用戶設(shè)定電器控制指令，互動(dòng)終端讀取用戶下達(dá)的條件并處理后將控制指令發(fā)送給各與家用電器連接的智能插座，從而控制家用電器的開關(guān)狀態(tài)。對(duì)信息家電的調(diào)控可以不只是簡(jiǎn)單地開、關(guān)控制，設(shè)定的調(diào)控選項(xiàng)包括開關(guān)的控制、溫度的設(shè)置、風(fēng)速和模式的設(shè)置等，能夠達(dá)到取代家電遙控器的作用。
2家庭互動(dòng)終端硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)家庭互動(dòng)終端的功能，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，互動(dòng)終端主要包含控制管理模塊、開斷模塊、計(jì)量模塊、通信模塊、時(shí)鐘和存儲(chǔ)模塊等。
1）控制管理模塊
家庭互動(dòng)終端需要處理大量信息，因此需要一個(gè)性能優(yōu)異的芯片才能保證其高效穩(wěn)定工作，選用TI公司基于ARM核心的LM3S9000系列。
2）LCD與按鍵模塊
該模塊包括按鍵、LCD及其驅(qū)動(dòng)3個(gè)部分，互動(dòng)終端將接收到的家電用電信息、每天的實(shí)時(shí)電價(jià)經(jīng)過處理以圖表的形式展現(xiàn)給用戶。
3）通信模塊
互動(dòng)終端的通信模塊與智能插座類似，負(fù)責(zé)向智能插座發(fā)送控制指令和接收智能插座采集的數(shù)據(jù)。
4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
互動(dòng)終端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包含微處理器的鐵電存儲(chǔ)器和LCD液晶屏的顯存。
軟件設(shè)計(jì)
1初始化設(shè)置
目前的居民電價(jià)政策主要是階梯峰谷電價(jià)，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，還會(huì)采用實(shí)時(shí)電價(jià)政策。根據(jù)不同的電價(jià)政策，設(shè)計(jì)的裝置為用戶提供不同的能效服務(wù)，用戶在使用裝置時(shí)可以根據(jù)具體的電價(jià)政策選擇裝置的工作模式。對(duì)于階梯峰谷電價(jià)參數(shù)的初始化輸入，用戶能將各階梯電量、各階梯的調(diào)價(jià)電費(fèi)、峰谷時(shí)段輸入到互動(dòng)終端。互動(dòng)終端LCD提供界面，用戶根據(jù)界面提示通過按鍵依次輸入各參數(shù)值；對(duì)于實(shí)時(shí)電價(jià)，用戶只需選定后互動(dòng)終端便進(jìn)入工作狀態(tài)并進(jìn)行實(shí)時(shí)電價(jià)的采集。實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示。
2信息獲取及存儲(chǔ)
在家庭正常用電時(shí)互動(dòng)終端根據(jù)用戶的初始化輸入統(tǒng)計(jì)每天在峰電價(jià)時(shí)段工作的電器及其用電量，用戶可以通過LCD查詢統(tǒng)計(jì)的信息。家庭互動(dòng)終端采集每天的實(shí)時(shí)電價(jià)并進(jìn)行存儲(chǔ)，以時(shí)段及相應(yīng)電價(jià)的形式存儲(chǔ)；互動(dòng)終端LCD提供實(shí)時(shí)電價(jià)查詢界面，以曲線圖的形式展示，用戶通過按鍵瀏覽過去一（兩）天的實(shí)時(shí)電價(jià)，實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。
關(guān)鍵詞：PBL3717ADSP步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)
引言
步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種重要執(zhí)行元件，廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中。它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移或轉(zhuǎn)速的控制電機(jī)，輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步。其機(jī)械角位移和轉(zhuǎn)速分別與輸入電機(jī)繞組的脈沖個(gè)數(shù)和脈沖頻率成比例，可以通過改變脈沖頻率在大范圍內(nèi)調(diào)速，易于與計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字元件接口，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，DSP（DigitalSignalProcessor數(shù)字信號(hào)處理器）的性能價(jià)格比得到很大提高，使得DSP在電機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用愈來愈廣泛。本文介紹由美國(guó)TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407和SGS公司的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片PBL3717A構(gòu)成的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)。
1DSP性能簡(jiǎn)介
美國(guó)TI公司的TMS320LF2407A是專為馬達(dá)控制而設(shè)計(jì)的一款DSP。它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減少了控制器的功耗；40MIPS的執(zhí)行速度使指令周期縮短到25ns(40MHz)，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括：2個(gè)16位通用定時(shí)器；CAN總線接口模塊；16位的串行外設(shè)（SPI）接口模塊；基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器；內(nèi)置正交編碼脈沖（QEP）電路；3個(gè)捕獲單元；16通道A/D轉(zhuǎn)換器；8個(gè)16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相器控制；PWM的對(duì)稱和非對(duì)稱波形；當(dāng)外部引腳PDPINTx出現(xiàn)低電平時(shí)，快速關(guān)閉PWM通道；可編程的PWM死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖；事件管理器模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電阻、步進(jìn)電阻、多級(jí)電機(jī)和逆變器。
2PBL3717A原理與步距控制方法
2.1PBL3717A的原理簡(jiǎn)介
PBL3717A是SGS公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相繞組的驅(qū)動(dòng)電路，內(nèi)部采用的是H-橋脈寬調(diào)制電路。利用外部邏輯電路構(gòu)成的邏輯分配器或微處理器分配信號(hào)，由若干片這種電路和少量無源元件可組成一個(gè)完整的多相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，可實(shí)現(xiàn)整步（基本步距）、半步或微步距控制?？刂品绞绞请p極性、固定OFF（關(guān)斷）時(shí)間的斬波電流控制。下面簡(jiǎn)要介紹一下PBL3717A的各引腳功能。如圖1所示，它采用16腳雙列直插塑料封裝。1腳（OUTPUTB）和15腳（OUTPUTA）為輸出端，分別接一相繞組線圈的兩端；2腳（PULSETIME）外接RC定時(shí)元件；3、14腳（Vs）是繞組線圈供電電源，可在10～46V的范圍內(nèi)選擇；4、5、12、13腳（GND）接地端，可接至熱片；6腳（Vss）是IC供電電源接+5V；7、9腳（INPUT1，INPUT0）用于選擇繞組線圈電流；8腳（Phase）為相位輸入端，用于控制轉(zhuǎn)動(dòng)方向；16腳（SenseResistor）外部繞組電流采樣電阻，采樣信號(hào)通過RC低通濾波器送至10腳（ComparatorInput），與內(nèi)部電壓比較器的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較；11腳（Reference）外接參考電壓，改變Reference可實(shí)現(xiàn)微步距控制，例如用1片單片機(jī)和2片DAC08088bitD/A轉(zhuǎn)換電路即可實(shí)現(xiàn)256細(xì)分控制。在整步、半步、1/4步工作方式下，REFERENCE接固定的+5V，本文僅討論這種情況。
2.2PBL3717A的步距控制方法
本文所設(shè)計(jì)的是兩修配混合式步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)，具體驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。其中，PHASE、INPUT1、INPUT0（圖中簡(jiǎn)寫為PH、I1、I0）為輸入端，OUTPUTA、OUTPUTB（圖中以MA、MB表示）為輸出端。因?yàn)楸疚牟豢紤]細(xì)分的情況，所以可以把圖中的DAC（11引腳）直接接+5V電源。
PHASE的作用是控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組中電流的方向。當(dāng)PHASE=0時(shí)，電流從MB流向MA；當(dāng)PHASE=1時(shí)，電流從MA流向MB。PBL3717A對(duì)步距的控制是通過選擇I1、I0的不同組合，從而控制繞組電流，達(dá)到步距控制的目的。電流的具體數(shù)值由VR、RS決定。計(jì)算公式如下：Im=(Vr*0.083)/Rs[A],100%級(jí)別；
Im=(Vr*0.050)/Rs[A],60%級(jí)別；
Im=(VR*0.016)/Rs[A],20%級(jí)別。
PBL3717A能實(shí)現(xiàn)三種運(yùn)行方式。在以下討論中，以A、B表示二相繞組正向電流工作，以A、B表示二相繞組反向電流工作。
（1）基本步距（整步）工作方式
可用二相激勵(lì)四拍方式，即ABABABAB實(shí)現(xiàn)，也可用單相激勵(lì)四拍方式，即ABAB實(shí)現(xiàn)。
（2）半步距工作方式
半步距方式采用二相，單相交替激勵(lì)的二相八拍方式，即ABBABAABBABA，這種工作方式是兩相激勵(lì)和單相激勵(lì)交替出現(xiàn)，每一找不到的轉(zhuǎn)距不相等。在二相激勵(lì)時(shí)的轉(zhuǎn)距是單相的1.4倍，這是因?yàn)槎嗉?lì)時(shí)的轉(zhuǎn)距是單相激勵(lì)時(shí)轉(zhuǎn)距的矢量合成。如果兩相激勵(lì)時(shí)，采用I1I0=01方式，使電流降到60%，由于磁路原先有飽和效應(yīng)，此時(shí)每相轉(zhuǎn)距可能增大到70%左右，兩相合成的轉(zhuǎn)距接近于1。這樣電機(jī)就可以近似實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)距運(yùn)行。圖3示出了在第一象限的轉(zhuǎn)矩矢量圖。
（3）1/4步距工作方式
為了實(shí)現(xiàn)1/4步距工作方式，要在整步與半步間插入一個(gè)1/4步的狀態(tài)（如圖3）。例如上方的1/4步狀態(tài)，A相繞組取100%電流，B相繞組取20%電流。在第一象限由半步A狀態(tài)到半步B狀態(tài)要經(jīng)過4步，即AA0.2BAB0.2ABB。知道第一象限的矢量圖不難推出其它三個(gè)象限的矢量圖，一個(gè)循環(huán)需6步完成，即AB0.2ABB0.2ABABA0.2BAA0.2BAB0.2ABB0.2ABABA0.2BAA0.2B，其中0.2A、0.2B分別表示A相、B相繞組取20%電流。
3硬件部分
因?yàn)镈SP采用3.3V供電，而PBL3717A的工作電壓是+5V，所以要考慮3.3V和5V的電平轉(zhuǎn)換問題。如圖4所示，為5VCMOS，5VTTL和3.3VTTL電平的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)。其中，VOH表示輸出高電平的最低電平，VIH表示輸入高電平的最低電平，VIL表示輸入低電平的最高電壓，VOL輸出低電平的最高電壓。從圖中可以看出5VCMOS和3.3VTTL的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)不同，因此，3.3V器件（LVC）引腳不能直接與5VCMOS器件引腳相連接。在這種情況下，可以采用雙電壓（一邊是3.3V供電，另一邊是5V供電）供電的驅(qū)動(dòng)器，如TI公司的SN74ALVC164245，SN74LV4245等。而5VTTL和3.3VTTL的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)相同，所以它們可以直接相連。因?yàn)镻BL3717A是TTL兼容電路，所以可以直接將DSP的I/O口和PBL3717的相應(yīng)引腳相連。在這里，我們選DSP的端口B中的IOPB0，IOPB1，IOPB2，IOPB3，IOPB4，IOPB4分別與PBL3717A的I1B，I0B，I1A，I0A，PhaseA,PhaseB相連接（見圖5）。
4軟件部分
本文以步進(jìn)電機(jī)工作在1/4步為例設(shè)計(jì)DSP控制軟件。DSP控制軟件采用C語言編寫。從第一拍到第十六拍的控制字分別為：0x0000、0x0004、0x000c、0x0014、0x0010、0x0011、0x0013、0x0031、0x0030、0x0034、0x003C、0x0024、0x0020、0x0021、0x0023、0x0001。將以上數(shù)值存放到數(shù)組Run_Table[]中，可通過循環(huán)程序調(diào)用數(shù)組中的相應(yīng)值賦給端口B的數(shù)據(jù)和方向控制寄存器PBDATDIR，從而通過DSP的端口B來驅(qū)動(dòng)控制PBL3717A的相應(yīng)引腳來實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行。通過修改run_delay(intcount)延時(shí)子程序的count的值可改變電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。下面給出了兩相步進(jìn)電機(jī)1/4步方式下正轉(zhuǎn)的控制程序清單。
/*Filename:Step.c*/
/*IOPB0=I1B,IOPB1=I0B,IOPB2=I1A,IOPB3=10A,IOPB4=PhaseA,IOPB5=PhaseB*/
#include"f2407_c.h"
staticintRun_Table[]={0x0000,0x0004,
0x000C,0x0014,0x0010,0x0011,0x0013,0x0031,0x0030,0x0034,0x003C,0x0024,0x0020,
0x0021,0x0023,0x0001};
voidmain()
{inti;
InitCPU();
while(1)
{
for(i=0;i<=15;i++)
{
*PBDATDIR=Run_Table[i]|0xff00;
run_delay(10);
}
}
}
關(guān)鍵詞：DSPFPGA3／3相雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)
1系統(tǒng)簡(jiǎn)介
3／3相雙繞組感應(yīng)發(fā)電機(jī)帶有兩個(gè)繞組：勵(lì)磁補(bǔ)償繞組和功率繞組，如圖1所示。勵(lì)磁補(bǔ)償繞組上接一個(gè)電力電子變換裝置，用來提供感應(yīng)發(fā)電機(jī)需要的無功功率，使功率繞組上輸出一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓。
圖1中各參數(shù)的含義如下：
isa,isb,isc——補(bǔ)償繞組中的勵(lì)磁電流；
usa,usb,usc——補(bǔ)償繞組相電壓；
ipa,ipb,ipc——功率繞組電流；
upa,upb,upc——功率繞組相電壓；
udc——二極管整流橋直流側(cè)輸出電壓；
uc——變流器直流側(cè)電容電壓。
電力電子變換裝置由功率器件及其驅(qū)動(dòng)電路和控制電路兩部分組成。功率器件選用三菱公司的智能功率模塊（IPM）PM75CSA120（75A／1200V），驅(qū)動(dòng)電路使用光耦HCPL4502?？刂齐娐酚蒁SP＋FPGA構(gòu)成。
圖2控制電路的接口電路
2EPM7128與TMS320C32同外設(shè)之間的接口電路
圖2所示為控制電路的接口電路?？刂齐娐肥褂玫腄SP是TMS320C32，它是TI公司生產(chǎn)的第三代高性能的CMOS32位數(shù)字信號(hào)處理器，其憑借強(qiáng)大的指令系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)處理能力及創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)成為理想的工業(yè)控制用DSP器件。其主要特點(diǎn)是：?jiǎn)沃芷谥噶顖?zhí)行時(shí)間為50ns，具有每秒可執(zhí)行2200萬條指令、進(jìn)行4000萬次浮點(diǎn)運(yùn)算的能力；提供了一個(gè)增強(qiáng)的外部存儲(chǔ)器配置接口，具備更加靈活的存儲(chǔ)器管理與數(shù)據(jù)處理方式?？刂齐娐肥褂玫腇PGA器件為ALTERA公司的EPM7128，它屬于高密度、高性能的CMOSEPLD器件，與ALTERA公司的MAXPLUSII開發(fā)系統(tǒng)軟件配合，可以100％地模仿高密度的集成有各種邏輯函數(shù)和多種可編程邏輯的TTL器件。采用類似器件作為DSP的專用集成電路ASIC更為經(jīng)濟(jì)靈活，可以進(jìn)一步降低控制系統(tǒng)的成本。
電壓檢測(cè)使用三相變壓器，電流檢測(cè)使用HL電流傳感器。電平轉(zhuǎn)換電路用來將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5V的電平。A／D轉(zhuǎn)換器選用ADS7862。保護(hù)電路使用電壓比較器311得到過壓／過流故障信號(hào)。
DSP完成以下四項(xiàng)工作：數(shù)據(jù)的采集和處理、控制算法的完成、PWM脈沖值的計(jì)算和保護(hù)中斷的處理。
FPGA完成以下三項(xiàng)工作：管理DSP和各種外部設(shè)備的接口；脈沖的輸出和死區(qū)的產(chǎn)生；保護(hù)信號(hào)的處理。
圖3FPGA與A/D轉(zhuǎn)換器和DSP之間的接口
3使用FPGA實(shí)現(xiàn)DSP和ADS7862之間的高速接口
ADS7862是TI公司專為電機(jī)和電力系統(tǒng)控制而設(shè)計(jì)的A／D轉(zhuǎn)換器。它的主要特點(diǎn)是：4個(gè)全差分輸入接口，可分成兩組，兩個(gè)通道可同時(shí)轉(zhuǎn)換；12bits并行輸出；每通道的轉(zhuǎn)換速率為500kHz?？刂品椒椋河葾0線的值決定哪兩個(gè)通道轉(zhuǎn)換；由Convst線上的脈寬大于250ns的低電平脈沖啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；由CS和RD線的低電平控制數(shù)據(jù)的讀出，連續(xù)兩次讀信號(hào)可以得到兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)中使用了兩片ADS7862，它們的控制線使用同樣的接口，數(shù)據(jù)線則分別和DSP的高／低16位數(shù)據(jù)線中的低12位相連接。這樣DSP可以同時(shí)控制兩片A／D轉(zhuǎn)換器：4通道同時(shí)轉(zhuǎn)換；每次讀操作可以得到兩路數(shù)據(jù)。
如圖3所示，將A／D轉(zhuǎn)換器的控制信號(hào)映射為DSP的三個(gè)外部端口：A0、ADCS（和ADRD使用一個(gè)端口）和CONVST。在FPGA中使用邏輯譯碼器對(duì)端口譯碼。利用AHDL語言編寫的譯碼程序如下：
TABLE
A[23．．12],IS,RW＝＞A0,ADCS,CONVST,PWM1,PWM2,PWM3,PWM,PRO,CLEAR;
H″810″,0,0＝＞0,1,1,1,1,1,1,1,1;
H″811″,0,1＝＞1,0,1,1,1,1,1,1,1;
H″812″,0,0＝＞1,1,0,1,1,1,1,1,1;
H″813″,0,1＝＞1,1,1,0,1,1,1,1,1;
H″814″,0,0＝＞1,1,1,1,0,1,1,1,1;
H″815″,0,0＝＞1,1,1,1,1,0,1,1,1;
H″816″,0,0＝＞1,1,1,1,1,1,0,1,1;
H″817″,0,1＝＞1,1,1,1,1,1,1,0,1;
H″817″,0,0＝＞1,1,1,1,1,1,1,1,0;
ENDTABLE
其中，0表示低電平，1表示高電平。RW＝1表示讀，RW＝0表示寫。
DSP對(duì)這三個(gè)端口進(jìn)行操作就可以控制A／D轉(zhuǎn)換器：寫CONVST端口可以啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換器；讀ADCS端口可以從A／D轉(zhuǎn)換器中讀到數(shù)據(jù)；寫數(shù)據(jù)到A0端口可以設(shè)置不同的通道。
使用上述方法可以實(shí)現(xiàn)DSP和A／D轉(zhuǎn)換器之間的無縫快速連接。
4使用FPGA實(shí)現(xiàn)PWM脈沖的產(chǎn)生和死區(qū)的注入
FPGA除了管理DSP和外設(shè)的接口外，還完成PWM脈沖的產(chǎn)生和死區(qū)的注入。將PWM芯片和死區(qū)發(fā)生器集成在FPGA中，就可以使DSP專注于復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)，而將PWM處理交給FPGA系統(tǒng)，使系統(tǒng)運(yùn)行于準(zhǔn)并行處理狀態(tài)。
5使用FPGA實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)
為了保護(hù)發(fā)電機(jī)和IGBT功率器件，勵(lì)磁控制系統(tǒng)提供了多種保護(hù)功能：變流器直流側(cè)過壓保護(hù)；變流器交流電流過流保護(hù)；變流器過溫保護(hù)；發(fā)電機(jī)輸出過壓保護(hù)；IPM錯(cuò)誤保護(hù)。
圖5穩(wěn)態(tài)時(shí)勵(lì)磁繞組電壓電流及系統(tǒng)直流電壓波形
1.1典型合閘回路及缺陷
中小型變電站的聯(lián)絡(luò)線路兩側(cè)都裝設(shè)油斷路器。對(duì)于35KV、10KV油斷路器的控制，典型設(shè)計(jì)是在電站側(cè)裝設(shè)同期裝置，在變電站側(cè)只設(shè)普通合閘回路，普通合閘回路的原理如圖1所示：操作控制開
關(guān)SA，其②-④觸點(diǎn)接通，經(jīng)過防跳繼電器的常閉觸點(diǎn)KM2和斷路器的常閉觸點(diǎn)DL，接通合閘接觸器線圈HO，使斷路器合閘。這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，常為工程設(shè)計(jì)人員所采用。在具體操作中，按先合變電站側(cè)斷路器、再合對(duì)側(cè)斷路器的操作順序進(jìn)行。但在小水電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，因受地形、容量等技術(shù)條件的限制，建設(shè)不甚規(guī)范，特別是有些聯(lián)絡(luò)線路上還接有負(fù)載，當(dāng)出現(xiàn)某種故障造成變電站側(cè)油斷路器跳閘，此時(shí)的對(duì)側(cè)斷路器可能還在合閘位置，如要對(duì)聯(lián)絡(luò)線路進(jìn)行合閘，因不知對(duì)側(cè)是否有電，必須等到調(diào)度命令或接到匯報(bào)后才能進(jìn)行操作，加至有些地段通訊不暢，經(jīng)常耽誤時(shí)間，影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電；由于典型回路本身不能檢測(cè)線路是否有電壓，又無防范不規(guī)范操作的技術(shù)措施，如果誤操作SA發(fā)出合閘命令，就會(huì)造成非同期合閘事故，給人們生命財(cái)產(chǎn)帶來重大損失。
1.2改正后的合閘回路
為了防止事故的發(fā)生，對(duì)原典型合閘回路進(jìn)行了如下改進(jìn)（見圖1中虛線所示）：即在線路電壓互感器二次側(cè)增設(shè)一只電壓繼電器KV，用以檢測(cè)線路電壓，并將其常閉觸點(diǎn)KV1串入本站油開關(guān)合閘回路中。當(dāng)線路有電壓時(shí)，就是誤操作SA發(fā)出了合閘命令，因KV1觸點(diǎn)斷開了合閘操作回路，無法啟動(dòng)合閘接觸器，達(dá)到了防止非同期合閘的目的。同時(shí)，考慮到聯(lián)絡(luò)線路的可靠性，在KV1觸點(diǎn)兩端設(shè)計(jì)并聯(lián)一連接片LP，以便該電壓繼電器檢修或需該線路供給變電站負(fù)荷時(shí)好操作。正常情況下，連接片LP處在斷開位置。
還將電壓繼電器的常開觸點(diǎn)KV2與合閘位置繼電器HWJ的常閉觸點(diǎn)（或跳閘位置繼電器TWJ的常開觸點(diǎn)）串聯(lián)，以接通“線路有電壓”光字牌的信號(hào)回路，當(dāng)斷路器在斷開位置，線路有電壓，該光字牌亮，提醒運(yùn)行人員不得進(jìn)行合閘操作。在信號(hào)回路中，串聯(lián)跳（合）閘位置繼電器觸點(diǎn)的作用是為了在該線路運(yùn)行時(shí)斷開光字牌，以免光字牌長(zhǎng)期帶電。電壓繼電器KV可選DJ—121型，繼電器校驗(yàn)方法與其他電壓繼電器相同。
2水電站壓力裝置的控制回路改進(jìn)
2.1典型油壓裝置自動(dòng)回路及缺陷
調(diào)速器、高低壓氣機(jī)等是水電站中常見的壓力設(shè)備，在油（氣）裝置的自動(dòng)回路中，一般采用電接點(diǎn)壓力表(如YX—150型)來反映油（氣）罐中壓力的變化，進(jìn)而控制油（氣）泵電機(jī)。壓力表上可設(shè)置上、下兩個(gè)值限，上限用紅針指示，下限用黃針指示，實(shí)際壓力值用黑針指示。油壓裝置自動(dòng)投入的動(dòng)作過程如圖2所示：
當(dāng)壓力罐油壓降到壓力下限時(shí)，壓力表黑針與黃針接觸，即觸點(diǎn)YLJ1
閉合，使中間繼電器1KA動(dòng)作并自保持，因轉(zhuǎn)換開關(guān)SA在自動(dòng)位置，其②-④觸點(diǎn)接通，啟動(dòng)接觸器KM，使電機(jī)接通電源，帶動(dòng)油泵向壓力罐打油，壓力逐漸上升，當(dāng)?shù)焦ぷ鲏毫χ瞪舷迺r(shí)，壓力表黑針與紅針接觸，即上限觸點(diǎn)YLJ2接通，使中間繼電器2KA動(dòng)作，斷開1KA的自保持回路，油泵電機(jī)自動(dòng)停止工作。對(duì)于這種典型設(shè)計(jì)，壓力表的上、下限觸點(diǎn)一直串在控制回路中，并帶有相應(yīng)負(fù)載，特別是在啟動(dòng)和停止過程中，壓力變化呈波動(dòng)狀態(tài)，使觸頭抖動(dòng)不已，無法可靠接觸，常常生火花，由于壓力罐補(bǔ)壓（氣）是通過自動(dòng)回路完成的經(jīng)常性的工作，壓力變化頻繁，使壓力表的觸頭接觸也相應(yīng)頻繁，從開始的產(chǎn)生火花，到逐漸燒壞觸頭（或觸頭粘連），繼而造成壓力罐壓力消失，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。
2.2改進(jìn)后的控制回路
為了克服上述設(shè)計(jì)中存在的問題,對(duì)典型電路進(jìn)行了如下改動(dòng)(見圖2中虛線所示):即在壓力下限回路中串聯(lián)一個(gè)接觸器KM的常閉輔助觸點(diǎn)KM1,當(dāng)壓力罐壓力下降到壓力下限時(shí),壓力表下限觸頭YLJ1閉合,通過常閉輔助觸頭KM1起動(dòng)1KA并自保持,使接觸器動(dòng)作,啟動(dòng)油泵打油;盡管在油泵電機(jī)啟動(dòng)之初,壓力出現(xiàn)波動(dòng),YLJ1觸頭發(fā)生抖動(dòng),但由于在此回路中已串入了接觸器常閉觸頭KM1,接觸器動(dòng)作后立即斷開了此回路,此時(shí)的下限觸頭無需承擔(dān)任何負(fù)載,避免了觸頭的燒壞;又在壓力上限回路中串聯(lián)了接觸器的常開輔助觸頭KM2,當(dāng)油壓力達(dá)到上限值時(shí),隨著2KA的啟動(dòng),使接觸器失電返回,其常開輔助觸點(diǎn)KM2立即斷開壓力上限回路。不管在這個(gè)過程中壓力如何變化，壓力表的上、下限觸點(diǎn)YLJ1、YLJ2總在回路不帶負(fù)載的情況下抖動(dòng)，避免了負(fù)載過程中電火花對(duì)觸頭的損壞，提高了安全運(yùn)行的可靠性，同時(shí)也減少了因油壓裝置失壓而造成的運(yùn)行成本。
通常情況下，數(shù)控機(jī)床的系統(tǒng)一般由三種系統(tǒng)構(gòu)成，分別為反饋檢測(cè)系統(tǒng)、NC控制系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)對(duì)于數(shù)控機(jī)床的加工方面會(huì)產(chǎn)生不同程度和不同方面的影響。從數(shù)控機(jī)床的加工精度方面來看，其中位置伺服控制系統(tǒng)能夠?qū)τ跈C(jī)床加工的精度方面產(chǎn)生很大程度上的影響。所以，位置精度屬于比較重要的指標(biāo)之一。要想保持位置精度的準(zhǔn)確性，不僅需要在系統(tǒng)使用的時(shí)候選擇正確的開環(huán)放大的倍數(shù)，還需要對(duì)于位置檢測(cè)中的元件能夠有一定的精度上的要求。另外，由于數(shù)控機(jī)床屬于精度高且效率也很高的一種自動(dòng)化的設(shè)備，它能夠?yàn)閿?shù)控機(jī)床的生產(chǎn)提供更高的生產(chǎn)效率，但是如果這個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問題和重大故障，那么其所帶來的損失也是不可估量的。因此，數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的可靠性和安全性也是值得關(guān)注的一方面。
2數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)出現(xiàn)的問題
數(shù)控機(jī)床在電器控制系統(tǒng)方面的故障一般都是強(qiáng)電故障和弱電故障兩種，具體如下所述。
2.1弱電故障弱電指的是數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)中的電子的元器件以及集成電路為主要的控制的部分。弱電故障中又可以分為硬件發(fā)生的故障和軟件發(fā)生的故障。硬件故障主要是指各種集成電路內(nèi)部的芯片或者是接插件等出現(xiàn)的事故。軟件故障指的是在硬件都屬于正常的情況下，內(nèi)部發(fā)生的各種動(dòng)作性的問題或者是數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失等問題，一般比較常見的例子有加工程序出現(xiàn)錯(cuò)誤或者是計(jì)算機(jī)的運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤以及系統(tǒng)的程序或者是參數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤等。
2.2強(qiáng)電故障強(qiáng)電部分指的是控制系統(tǒng)之中出現(xiàn)的主回路或者是大功率的回路中的繼電器或者是電源變壓器等一系列的電氣的元件以及其中組成的控制電路。強(qiáng)電故障雖然在維修或者是診斷問題的部分較為簡(jiǎn)單，但是因?yàn)槠涮幱谝环N高壓以及大電流的工作狀態(tài)之下，所以一般強(qiáng)電發(fā)生故障的次數(shù)要多于弱點(diǎn)故障，因此需要相關(guān)的維護(hù)和維修人員能夠予以重視。
3解決方法
3.1調(diào)節(jié)法在解決數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的眾多辦法中，調(diào)節(jié)的方法是其中最為簡(jiǎn)單的一種。調(diào)節(jié)法主要是通過對(duì)于電位計(jì)進(jìn)行調(diào)整，以此來達(dá)到修復(fù)系統(tǒng)出現(xiàn)的故障的目的。最佳的調(diào)整辦法是對(duì)于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和被拖動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)來進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)整，并實(shí)現(xiàn)最佳的匹配的一種較為綜合性的調(diào)節(jié)的辦法。這種調(diào)節(jié)的辦法也較為簡(jiǎn)單，可以使用一臺(tái)但是多線的記錄儀來或者是雙蹤示波器來對(duì)于觀察指令和速度反饋的一種相互響應(yīng)的關(guān)系。一般都是通過對(duì)于速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)以及積分的時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，促使伺服系統(tǒng)能夠達(dá)到比較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的一種特征，但是又不會(huì)出現(xiàn)振蕩的一種最恰當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。另外，在現(xiàn)場(chǎng)如果沒有示波器的情況下，相關(guān)的工作人員可以根據(jù)自己以往的工作經(jīng)驗(yàn)，調(diào)節(jié)來使得電機(jī)起振并向反方向慢慢進(jìn)行調(diào)節(jié)，一直調(diào)節(jié)到消除振蕩狀態(tài)為止。
3.2復(fù)位法如果數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)由于突發(fā)性故障而引起系統(tǒng)報(bào)警的情況，那么可以是他呀復(fù)位法患者是開關(guān)系統(tǒng)電源來進(jìn)行依次地操作來消除故障。但是如果系統(tǒng)內(nèi)部的工作存儲(chǔ)的區(qū)域掉電并且插拔電路板以及電池欠壓，而造成系統(tǒng)出現(xiàn)混亂的現(xiàn)象，那么就需要對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作來進(jìn)行清除，但是在清除之前需要提前做好數(shù)據(jù)和信息的拷貝，以免丟失數(shù)據(jù)。但是如果初始化操作之后故障依舊沒有排除，那么就需要進(jìn)行硬件方面的檢查和診斷。
3.3更正法所謂的更正法指的是對(duì)于系統(tǒng)中的參數(shù)進(jìn)行修改，程序更正的辦法。系統(tǒng)的參數(shù)主要是用來確定系統(tǒng)的功能的一種依據(jù)，如果系統(tǒng)的參數(shù)在設(shè)定的時(shí)候出現(xiàn)錯(cuò)誤那么就很可能造成系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者是系統(tǒng)中的某一項(xiàng)的功能失去作用。有的時(shí)候可能會(huì)因?yàn)橛脩舻某绦虺霈F(xiàn)錯(cuò)誤而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障而停止運(yùn)作。在這種情況下，系統(tǒng)修復(fù)可以使他系統(tǒng)的搜索功能進(jìn)行檢查，來對(duì)于用戶的程序中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行搜索，在搜索完成之后依次改正，這樣才能在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤之后進(jìn)行改正，系統(tǒng)才能恢復(fù)運(yùn)行。數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的發(fā)展在未來的發(fā)展道路中將不斷走向開放式的發(fā)展形式，由于其可靠性和低成本等一系列的優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)促使更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)的商家逐步走向甲方是的發(fā)展形勢(shì)。其中，數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)在速度方面也將走向高速化的發(fā)展道路，精度方面也會(huì)得到一定的發(fā)展。另外，數(shù)控機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)還會(huì)向智能化方面進(jìn)行轉(zhuǎn)變。人工智能機(jī)在我國(guó)的研究和發(fā)展已經(jīng)走向了一定的程度，其在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展也在不斷深入，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度也將趕上時(shí)代的潮流，走向智能化的發(fā)展道路。
4結(jié)語
[關(guān)鍵詞]數(shù)控系統(tǒng)伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)
中圖分類號(hào)：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597(2008)0820116－01
近年來，伺服電機(jī)控制技術(shù)正朝著交流化、數(shù)字化、智能化三個(gè)方向發(fā)展。作為數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。本文對(duì)其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)作簡(jiǎn)要探討。
一、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)
（一）開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)不設(shè)檢測(cè)反饋裝置，不構(gòu)成運(yùn)動(dòng)反饋控制回路，電動(dòng)機(jī)按數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對(duì)運(yùn)動(dòng)誤差沒有檢測(cè)反饋和處理修正過程，采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，機(jī)床的位置精度完全取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角精度和機(jī)械部分的傳動(dòng)精度，難以達(dá)到比較高精度要求。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能很高，運(yùn)動(dòng)部件的速度受到限制。但步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低，且其控制電路也簡(jiǎn)單。所以開環(huán)控制系統(tǒng)多用于精度和速度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。
（二）全閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)伺服系統(tǒng)主要由比較環(huán)節(jié)、伺服驅(qū)動(dòng)放大器，進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和直線位移測(cè)量裝置組成。對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的移動(dòng)量具有檢測(cè)與反饋修正功能，采用直流伺服電動(dòng)機(jī)或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件?？梢圆捎弥苯影惭b在工作臺(tái)的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)器件，來構(gòu)成高精度的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的直線位移檢測(cè)器安裝在移動(dòng)部件上，其精度主要取決于位移檢測(cè)裝置的精度和靈敏度，其產(chǎn)生的加工精度比較高。但機(jī)械傳動(dòng)裝置的剛度、摩擦阻尼特性、反向間隙等各種非線性因素，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大影響，使閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)安裝調(diào)試比較復(fù)雜。因此只是用在高精度和大型數(shù)控機(jī)床上。
（三）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的工作原理與全閉環(huán)伺服系統(tǒng)相同，同樣采用伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，可以采用內(nèi)裝于電機(jī)內(nèi)的脈沖編碼器，無刷旋轉(zhuǎn)變壓器或測(cè)速發(fā)電機(jī)作為位置/速度檢測(cè)器件來構(gòu)成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)的反饋信號(hào)取自電機(jī)軸或絲桿上，進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)裝置處于反饋回路之外，其剛度等非線性因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性沒有影響，安裝調(diào)試比較方便。機(jī)床的定位精度與機(jī)械傳動(dòng)裝置的精度有關(guān)，而數(shù)控裝置都有螺距誤差補(bǔ)償和間隙補(bǔ)償?shù)软?xiàng)功能，在傳動(dòng)裝置精度不太高的情況下，可以利用補(bǔ)償功能將加工精度提高到滿意的程度。故半閉環(huán)伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用很廣。
二、伺服電機(jī)控制性能優(yōu)越
（一）低頻特性好。步進(jìn)電機(jī)易出現(xiàn)低速時(shí)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服電機(jī)不會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象，運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能，可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。
（二）控制精度高。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。例如松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)，對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。
（三）過載能力強(qiáng)。步進(jìn)電機(jī)不具有過載能力，為了克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩，選型時(shí)需要選取額定轉(zhuǎn)矩比負(fù)載轉(zhuǎn)矩大很多的電機(jī)，造成了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。而交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力，例如松下交流伺服系統(tǒng)中的伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。
（四）速度響應(yīng)快。步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的速度響應(yīng)較快，例如松下MSMA400W交流伺服電機(jī)，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速僅需幾毫秒。
（五）矩頻特性佳。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)矩會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩。
三、伺服電機(jī)控制展望
（一）伺服電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)加工技術(shù)的高速高精化。80年代以來，數(shù)控系統(tǒng)逐漸應(yīng)用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件。交流伺服電機(jī)內(nèi)是無刷結(jié)構(gòu)，幾乎不需維修，體積相對(duì)較小，有利于轉(zhuǎn)速和功率的提高。目前交流伺服系統(tǒng)已在很大范圍內(nèi)取代了直流伺服系統(tǒng)。在當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)中，交流伺服取代直流伺服、軟件控制取代硬件控制成為了伺服技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。由此產(chǎn)生了應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給和主軸裝置上的交流數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。隨著微處理器和全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算速度大大提高，采樣時(shí)間大大減少。硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂坪?，大大地提高了伺服系統(tǒng)的性能。例如OSP-U10/U100網(wǎng)絡(luò)式數(shù)控系統(tǒng)的伺服控制環(huán)就是一種高性能的伺服控制網(wǎng)，它對(duì)進(jìn)行自律控制的各個(gè)伺服裝置和部件實(shí)現(xiàn)了分散配置，網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)一步發(fā)揮了它對(duì)機(jī)床的控制能力和通信速度。這些技術(shù)的發(fā)展，使伺服系統(tǒng)性能改善、可靠性提高、調(diào)試方便、柔性增強(qiáng)，大大推動(dòng)了高精高速加工技術(shù)的發(fā)展。
另外，先進(jìn)傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展也極大地提高了交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和定位精度。交流伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一般選用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器、混合型的光電編碼器和絕對(duì)值編碼器作為位置、速度傳感器，其傳感器具有小于1μs的響應(yīng)時(shí)間。伺服電動(dòng)機(jī)本身也在向高速方向發(fā)展，與上述高速編碼器配合實(shí)現(xiàn)了60m/min甚至100m/min的快速進(jìn)給和1g的加速度。為保證高速時(shí)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)更加平滑，改進(jìn)了電動(dòng)機(jī)的磁路設(shè)計(jì)，并配合高速數(shù)字伺服軟件，可保證電動(dòng)機(jī)即使在小于1μm轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也顯得平滑而無爬行。
（二）交流直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給技術(shù)已趨成熟。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)有“旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)＋精密高速滾珠絲杠”和“直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)”兩種類型。傳統(tǒng)的滾珠絲杠工藝成熟加工精度較高，實(shí)現(xiàn)高速化的成本相對(duì)較低，所以目前應(yīng)用廣泛。使用滾，珠絲杠驅(qū)動(dòng)的高速加工機(jī)床最大移動(dòng)速度90m/min，加速度1.5g。但滾珠絲杠是機(jī)械傳動(dòng)，機(jī)械元件間存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應(yīng)會(huì)造成運(yùn)動(dòng)滯后和非線性誤差，所以再進(jìn)一步提高滾珠絲杠副移動(dòng)速度和加速度比較難了。90年代以來，高速高精的大型加工機(jī)床中，應(yīng)用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)進(jìn)給驅(qū)動(dòng)方式。它比滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)具有剛度更高、速度范圍更寬、加速特性更好、運(yùn)動(dòng)慣量更小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能更佳，運(yùn)行更平穩(wěn)、位置精度更高等優(yōu)點(diǎn)。且直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，不需中間機(jī)械傳動(dòng)，減小了機(jī)械磨損與傳動(dòng)誤差，減少了維護(hù)工作。直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)與滾珠絲杠傳動(dòng)相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達(dá)10g，剛度提高7倍，最高響應(yīng)頻率達(dá)100Hz，還有較大的發(fā)展余地。當(dāng)前，在高速高精加工機(jī)床領(lǐng)域中，兩種驅(qū)動(dòng)方式還會(huì)并存相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，但從發(fā)展趨勢(shì)來看，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)所占的比重會(huì)愈來愈大。種種跡象表明，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)在高速高精加工機(jī)床上的應(yīng)用已進(jìn)入加速增長(zhǎng)期。
參考文獻(xiàn)：
[1]《交流伺服電機(jī)控制技術(shù)的研究》，中國(guó)測(cè)試技術(shù)，鄭列勤，2006.5.
