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第1部分 基础篇 3

第1章 交流伺服电机的基础 3

1.1 本书的重点课题 3

1.2 本书中使用的交流伺服电机 4

1.2.1 代表性的交流伺服电机 4

1.2.2 交流伺服电机的内部构造 5

1.2.3 交流伺服电机的用途 5

1.3 电机的构造及原理 7

1.3.1 直流电机的基本构造 8

1.3.2 直流电机的转动原理 9

1.3.3 无刷直流电机的基本构造 10

1.3.4 无刷电机的旋转原理 11

1.4 电机的分类与直流伺服电机在分类中所处的位置 12

1.4.1 直流伺服电机属于旋转电机 13

1.4.2 交流伺服电机是有逆变器电路的交流电机 13

1.4.3 交流伺服电机是同步电机 14

1.4.4 交流伺服电机的特征 14

1.5 伺服是什么 15

1.5.1 伺服机构与伺服电机 15

1.5.2 直流伺服电机 15

1.5.3 RC伺服 16

1.5.4 位置检出机构 18

1.5.5 交流伺服电机的系统构成 20

第2章 交流伺服电机的构造与特征 22

2.1 产生旋转力的原理 22

2.1.1 有关磁铁的知识 22

2.1.2 实际的电机 23

2.1.3 电机的恢复转矩和平衡点 25

2.2 旋转力与步进驱动 26

2.2.1 制造旋转磁场的方法 26

2.2.2 使其连续的旋转 26

2.2.3 决定位置机构的特征 28

2.2.4 控制位置 28

2.2.5 控制速度 29

2.3 无刷直流电机驱动 29

2.3.1 让电机不停止地转动 29

2.3.2 不会产生失步 30

2.3.3 检测转子的位置 30

2.3.4 控制速度 32

2.3.5 控制位置 33

2.4 交流电机驱动（正弦波驱动） 33

2.4.1 交流伺服电机驱动（正弦波驱动）的电流分配 34

2.4.2 交流伺服电机驱动（正弦波驱动）的转子位置检测 35

2.4.3 很容易实现高旋转／高效率的电机驱动的无刷直流电机驱动 36

2.4.4 很难实现高旋转／高效率的电机驱动的交流伺服电机驱动 37

2.5 基于正弦波驱动的微步进驱动 40

2.5.1 三相正弦波驱动的稳定点 40

2.5.2 转子的步进角不总是正确的 40

2.5.3 抑制电机振动的效果 41

2.6 有刷直流电机 41

第3章 电机驱动电路的基础 43

3.1 电机驱动的基础知识 43

3.1.1 力与转矩的关系 43

3.1.2 转矩和功率的关系 44

3.1.3 电机驱动的4象限运行过程 45

3.1.4 直流电机的等价电路 46

3.1.5 直流电机的转数可以通过电压控制 47

3.1.6 线性放大器驱动和PWM放大器驱动 48

3.2 电机的PWM驱动方法 52

3.2.1 电桥电路PWM驱动的MOSFET栅极驱动器电路的例子 53

3.2.2 电桥PWM驱动方法的特征 54

3.2.3 线性PWM驱动的MOSFET栅极驱动器电路的例子 56

3.2.4 线性PWM驱动方法的特征 59

3.3 基于PWM驱动的电机电流的检测方法 61

3.3.1 直接测量电机线的方法（A方法） 62

3.3.2 测量电压侧MOSFET的电源和GND的电流的方法（B方法） 63

3.3.3 测量电源电流的方法（C方法） 63

3.3.4 测量电机电流的电路实例（A方法） 63

第4章 电机控制的基础 65

4.1 电机控制的基础知识 65

4.1.1 拉普拉斯变换是什么？ 65

4.1.2 传递函数是什么？ 66

4.1.3 方框图是什么？ 66

4.1.4 电机的传递函数 67

4.1.5 转矩控制放大器的传递函数 69

4.1.6 传感器的传递函数 70

4.1.7 电机驱动部的传递函数 70

4.2 伺服控制器的作用 71

4.2.1 位置控制的运作原理 71

4.2.2 速度控制的运作原理 72

4.3 数字信号处理的基础知识 73

4.3.1 延迟单元1/z 73

4.3.2 连续系统传递函数和离散系统传递函数 73

4.3.3 数字滤波器的设计方法 74

4.4 数字滤波器设计帮助软件（DSP.EXE） 76

4.4.1 模拟滤波器设计 77

4.4.2 解析模拟滤波器频率特性（c3） 78

4.4.3 s-z变换（c4） 78

4.4.4 解析数字滤波器频率特性（c5） 79

4.4.5 数字滤波器参数的保存（c6） 79

4.4.6 数字PID控制器的设计（w7） 80

4.4.7 数字位置／速度环控制器的设计（w8） 80

4.5 抓住滤波器设计的特征 81

4.5.1 2次LPF的特征 81

4.5.2 2次陷波滤波器的特征 82

4.5.3 PID控制器的特征 83

4.5.4 位置／速度环控制器的特征 85

4.6 伺服控制器的系统设计 86

4.6.1 伺服控制器的构成 86

4.6.2 目标轨迹生成器 86

4.6.3 系统延迟 87

4.6.4 反馈控制器 88

4.6.5 前馈控制器 88

4.6.6 输出滤波器 88

第2部分 应用篇 91

第5章 使用单片机控制交流伺服电机的基础 91

5.1 H8S/2367F和CoolRunner II的主要特征 91

5.1.1 16 bit高速H8S/2000 CPU 91

5.1.2 丰富的周边功能 92

5.1.3 CoolRunnerII（XC2C256）的主要特征 92

5.2 单片机的使用方法 92

5.2.1 PWM信号的产生方法 93

5.2.2 DMA的使用方法 94

5.2.3 DTC的使用方法 97

5.2.4 环路计算用的时基的产生方法 99

5.2.5 中断控制器的使用方法 100

5.2.6 增计数的产生方法 101

5.2.7 实时通信接口（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的设计工具 103

5.3.3 设计中的注意点 103

5.4 交流伺服电机控制回路的系统设计 104

5.4.1 设计目标 104

5.4.2 三相正弦波PWM驱动 104

5.4.3 自增计数器 105

5.4.4 PWM频率 106

5.4.5 电流环频率 106

5.4.6 伺服环频率 106

5.4.7 电机电流检出频率 107

第6章 驱动交流伺服电机的三相PWM控制回路的实践 108

6.1 设计参数 108

6.1.1 控制部分的参数 108

6.1.2 驱动部分的参数 108

6.2 使用部件及电路的选定 109

6.2.1 MOSFET的确定 109

6.2.2 MOSFET栅极驱动电路 110

6.2.3 电机电流检测电路 111

6.3 交流伺服电机驱动硬件电路 112

6.3.1 使用微控制器内置的TPU生成三相PWM的方法 112

6.3.2 非重叠PWM信号 113

6.3.3 转子位置检测电路（CPLD） 115

6.4 向量控制的基础知识 118

6.4.1 模拟的参数 119

6.4.2 电机电流三相（U,V,W）的波形 120

6.4.3 电机电流的三相（U,V,W）→二相（α，β）转换 120

6.4.4 电机电流的二相（α，β）到d-q的转换 121

6.4.5 PI（比例积分）控制器 123

6.4.6 PI控制器d-q→α′-β′变换 125

6.4.7 二相（α′，β′）→三相（U,V,W）变换 126

6.5 基于微控制器的向量控制实验 127

6.5.1 计算转子的位置，从LUT（Look Up Table）中读取sin值和cos值 128

6.5.2 U相和V相的电机电流值的读取、偏差修正、增益修正 129

6.5.3 对电机电流进行α-β变换，再进行d-q变换 131

6.5.4 PI（比例积分）控制器 132

6.5.5 PI控制器d-q→二相（α′，β′）→三相（U,V,W）变换 135

6.5.6 三相（U,V,W）→PWM变换 135

6.5.7 对应各种各样的电机 139

第7章 基于软件的伺服控制器的设计 141

7.1 伺服控制器的构成 141

7.1.1 读取编码计数器的值，计算位置和速度 141

7.1.2 计算反馈（PID或者是位置／速度环） 143

7.1.3 前馈＆输出滤波器 145

7.1.4 伺服输出（转矩指令）处理 146

7.1.5 标准值的生成 148

7.2 反馈控制器 149

7.2.1 PID控制器的运算步骤 149

7.2.2 位置／速度环控制器计算路径 150

7.3 IIR数字滤波器计算路径 151

7.4 前馈计算路径 154

7.5 目标轨迹生成器 155

7.5.1 目标轨迹生成相关的基础知识 155

7.5.2 目标位置轨迹的生成方法 157

7.5.3 目标速度轨迹的生成方法 158

第8章 基于汇编语言实现的伺服控制器高速化 160

8.1 IEEE标准的单精度浮点 160

8.1.1 单精度浮点的位配置 160

8.1.2 单精度浮点的表示方法 161

8.2 16位精度浮点 162

8.2.1 16位精度浮点的位的设置 162

8.2.2 16位精度浮点的表示方法 163

8.2.3 16位精度浮点的计算精度 164

8.2.4 16位精度浮点的计算方法 164

8.3 PID控制器 180

8.3.1 寄存器的使用方法 182

8.3.2 计算顺序和运行时间 183

8.3.3 在积分项中设置极限 184

8.4 位置／速度环控制器 184

8.4.1 寄存器的使用方法 187

8.4.2 计算顺序和运行时间 187

8.4.3 在积分项中设置极限值 188

8.5 IIR数字滤波器 188

8.5.1 寄存器和局部变量的使用方法 190

8.5.2 计算顺序和运行时间 192

第9章 交流伺服电机的控制实验 193

9.1 电机控制实验的设备 193

9.1.1 电机控制主板 194

9.1.2 使用的电机 195

9.1.3 实验中用的负荷 195

9.2 伺服调整方法 196

9.2.1 有关伺服调整的一些参数 196

9.2.2 伺服锁定的实现 197

9.2.3 伺服调整工具 200

9.2.4 PID参数的决定方法 201

9.2.5 加速度极限和速度极限的确定方法 202

9.2.6 驱动极限（转矩控制放大器的电流极限）的确定方法 204

9.2.7 前馈的确定方法 204

9.2.8 数字滤波器的系数 204

9.3 电机控制实验（PID控制器） 204

9.3.1 微小距离传送的定位性能 204

9.3.2 高速传送响应性能 207

9.3.3 速度控制性能 207

9.4 电机控制实验（位置／速度环控制器） 208

9.4.1 位置／速度环控制器是二重反馈控制器 209

9.4.2 伺服增益的决定 209

9.4.3 开环频率特性 210

9.5 电机的输出功率 213

9.5.1 电机转动圈数和输出功率的关系 213

9.5.2 电机转动是在做功 214

附录 交流／直流伺服电机驱动MCG02 215

专业术语解释 217

参考文献 229