课程设计

题    目   伺服电机驱动器计算机接口设计

    基于通用数控系统的伺服接口设计

学    院            工学院              

专    业      机械设计制造及其自动化    

班    级         2012卓越工程师        

学    生                                

学    号                                

指导教师                                

二〇一四年 十二 月  二十六 日

摘 要

    数控伺服系统是根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。

    数控伺服系统是以机械位置或角度作为控制量的自动控制系统，在数控机床、机器人系统中，由伺服系统接收控制指令经变换和传递放大,转化为伺服电动机驱动机械部件的高精度运动。

数控伺服系统通常控制系统提供C语言函数库和Windows动态链接库，实现复杂的控制功能。伺服电机驱动器控制接口能够将控制函数与自己控制系统所需的数据处理，界面显示等联系在一起。控制接口包括通用的计算机接口（如PS2 USB VGA LAN）以及运动控制专用接口，可以实现普通PC机的所有基本功能，是一种理想的方案。伺服电机可以用驱动器控制两路甚至多路电机，可以实现机床的各种功能。

伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。

国内外伺服控制器的水平主要体现在三个方面：硬件方案、核心控制算法以及应用软件功能。国内的伺服控制器所采用的硬件平台和国外产品没有太大的差距。国内伺服控制器的差距主要体现在控制算法和二次开发平台的易用性方面。尤其是在全数字化的高性能伺服驱动技术方面还有很大差距，已经成为我国发展高性能数控系统产业的“瓶颈”问题。国外的产品提供了比较好的产品升级功能及良好的软件开发环境，降低了对开发人员的要求，在一定程度上促进了产品的市场推广。同时提供了丰富的通讯接口可以方便的与其他设备进行数据交互，人性化好。

关键词：机电系统；伺服接口；数控系统；接口设计

前言

     随着现代技术与先进电子元器件的发展，交流伺服系统在现代工业生产中获得了广泛的应用。

    伺服驱动器（servo drives）又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。 

    目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器作为控制的核心，可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

    随着伺服系统的大规模应用，伺服驱动器使用、伺服驱动器调试、伺服驱动器维修都是伺服驱动器在当今比较重要的技术课题，越来越多工控技术服务商对伺服驱动器进行了技术深层次研究。

    本说明书重点对基于通用数控系统的伺服接口设计进行介绍。

    首先，先概述一下数控车床系统原理及结构，对各部分的功能及接口特性加以说明,对信号流向加以分析。

    其次，根据机电系统功能要求，完成电气控制设计，并画出电气控制电路原理图。

    另外，分析计算机数控装置的输出控制信号、反馈输入信号；分析伺服驱动器的控制信号，绘制计算机数控装置与伺服控制器系统接线图。

    分析数控装置控制信号的特征（脉冲+方向），以及伺服电动机的光电编码器角位移信号的特点，说明电动机转向变化时，角位移编码器A、 B 相位变化，控制命令（脉冲+方向）和位移反馈信号（频率、相位）的对应关系。

    最后，总结一下这次课程设计的成果。

1数控车床系统原理结构框图

1.1 数控系统各个组成部分的功能

    在输入电源和交流伺服驱动单元之间必须安装断路器和交流接触器，断路器、接触器不仅是作为驱动单元的电源开关，同时还对电源起保护作用；还应有隔离变压器、滤波器。

a.断路器及接触器（必需设备）

   （1）断路器是一种可以自动切断故障线路的保护开关，具有电路过载、短路、欠压保护功能。驱动单元本身有150％，30min 的过载能力，为了充分发挥驱动单元的过载能力。

    (2)安装交流接触器，通过电气保护电路控制驱动装置的电源接通和关断，可以在系统故障时，迅速切断驱动装置的电源，有效保证了故障进一步的扩大。

b.三相交流滤波器（推荐设备）

    三相交流滤波器是一种无源低通滤波器，滤波频段在10kHz～30MHz 之间，用来抑制驱动单元电源端发出的高频噪声干扰。一般情况可以不安装，当驱动单元产生的高频噪声干扰影响到用户使用环境中其它设备的正常工作时，建议安装。

c.隔离变压器（必需设备）

    使用隔离变压器给伺服单元供电，可以减少伺服单元受电源、电磁场干扰的可能性。隔离变压器的选型，应根据驱动装置的额定容量、负荷率及占载率来确定：

伺服电动机功率≥1kW 时必须采用三相隔离变压器供电；单个轴时，以隔离变压器容量≥伺服电动机功率×80％为宜，用户可在伺服电动机功率的70％至100％之间选择隔离变压器容量；两个轴以上时，以隔离变压器容量≥总伺服电动机功率×70％为宜，用户可在总伺服电动机功率的60％至80％之间选择隔离变压器容量。

d.伺服驱动器

    伺服驱动器（servo drives）又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术的高端产品。

    目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心， 可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路,在主回路中还加入软启动电路,以减小启动过程对驱动器的冲击。功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三相电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路。

e.编码器

    编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。

1.2 数控系统各个组成部分的接口特性

（1）驱动单元的电机编码器接口CN2 是25 孔式插座，制作连接线用的连接

应该是25 针式插头。

（2）驱动单元的控制信号接口CN1 是44 针式插座，制作控制线用的连接器

该是44 孔式插座。

   （3）VCMD+（CN1-17）/ VCMD-（CN1-1）为速度指令输入端，最大接收10V 直流电压信号，端口输入阻抗为15KΩ。

   （4）伺服单元无24V 电源输出，开关量信号输入时需要在外部配备24V 使用电源。规格要求：DC15V～24V， 100mA 以上。建议与输出电路使用同一电源。COM＋（CN1-38/39）为输入点公共端，DG（CN1-32/33）为输出点的公共端。

1.3数控系统电气原理图

2.计算机控制电路的设计

本次主要针对位置指令输入信号计算机的控制电路设计，位置指令输入信号电路在伺服驱动器的接线端子分别为、、、。

2.1伺服驱动器的电路分析 

2.1.1光电耦合电路

    光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等等。

    它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。（外形有金属圆壳封装，塑封双列直插等）。

2.1.2光电耦合电路的工作原理

当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极体通过电流而发红光，光敏元件受到光照后产生电流，电路导通；当输入端无信号，发光二极体不亮，光敏三极管截止，电路不通。对于数位量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“ 0”。

2.1.3伺服驱动器的接线端

    伺服驱动器这边有四个接线与计算机相连接，分别为脉冲和方向。PULS+  PULS-为指令脉冲输入信号的接线端；SIGN+  SIGN-为指令方向输入信号的接线端。

2.2位置指令输出信号的控制电路的设计

2.2.1位置指令输出信号控制机的接线端

    计算机与伺服驱动器采用差分驱动接法。差分驱动方式下，采用型号为AM26LS31驱动芯片。

指令脉冲信号和指令方向信号内部电路

下面的两个端子、是指令脉冲输出信号的接线端，上面的两个端子、是指令方向输出信号的接线端，这两组信号均为差分驱动输出。

2.2.1差分驱动器

单端输入信号系统要复杂，但差分信号系统的优点是明显的。第一，差分信号对外部电磁干扰（EMI）是高度免疫的。一个干扰源对差分信号对的每一端影响都是相同的。因为由电压差来决定信号，两边的干扰相抵，信号便不会有大幅的变化。第二，差分信号有利于识别微小信号。在差分信号系统中，基准点是由使用者来确定的，可以选择两输入端的平均信号作为基准点，这就减小了信号的摆动范围。第三，单端输入系统的信号要依靠虚地，而差分信号就不需要这样一个虚地，增加了双极型信号的保真度和稳定性。第四，差分信号的时序定位精确。差分信号受工艺和环境温度的影响小，可降低时序上的误差。目前流行的LVDS就是一种小振幅差分信号技术。

差分放大器就是接受和输出差分信号的器件，同运算放大器一样，它能接收双端输入，不同的是它具有双输出端，而不像运算放大器只有单端口。在差分放大器中，其输出共模电压（VOCM）能地被差分电压控制。

2.3计算机与伺服驱动器的连接

2.3.1计算机与伺服驱动器的连接方法

脉冲+方向输出信号通过计算机接口的1、9、2、10脚，与伺服驱动器输入信号接口的30、15、29、14脚相连接。计算机的控制命令通过几个接口输出输送到伺服驱动器，伺服驱动器接收到控制命令之后去执行。

3.控制信号及反馈信号的分析

3.1计算机数控装置控制信号的输出及反馈信号的输入

加工程序经输入设备，输送到计算机中，计算机将数字脉冲或者模拟电压经数模转换器转变成模拟信号，输送到伺服驱动器，伺服驱动器根据信号去完成相应的命令。伺服驱动器接受信号，边进行计算，边控制伺服电机的速度、位置和转矩等，编码器将检测的信号及时送到伺服驱动器，伺服驱动器根据反馈信号，精确的完成任务。

3.2伺服驱动器的控制信号

    驱动单元接受数控系统等控制装置（也称为上位机）的速度（或位置）指令，控制伺服电机绕组电流的频率和大小，使伺服电机转子的转速（或转角）接近速度（或位置）指令值，并通过编码器的反馈信号来获得伺服电机转子转速（或转角）实际值与指令值的偏差，驱动单元不断调整伺服电机绕组电流的频率和大小，使得伺服电机转子转速（或转角）实际值与指令值的控制在要求的范围内。

伺服装置有三种基本的控制模式：位置控制、速度控制、转矩控制，系统框图如下图4-1。

a.位置控制：

    位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。

b.速度控制：

    通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。

c.转矩控制：

    转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

3.3光电编码器角位移信号

                        增量式光电编码器输出信号

    增量编码器是以脉冲形式输出的传感器，其码盘比绝对编码器码盘要简单得多且分辨率更高，一般只需要三条码道。它的码盘的外道和中间道有数目相同均匀分布的透光和不透光的扇形区（光栅），但是两道扇区相互错开半个区。当码盘转动时，它的输出信号是相位差为90°的A相和B相脉冲信号以及只有一条透光狭缝的第三码道所产生的脉冲信号（它作为码盘的基准位置，给计数 系统提供一个初始的零位信号）。从A，B两个输出信号的相位关系（超前或滞后）可判断旋转的方向。

若A相超前于B相，对应某一旋转方向，则B相超前A相时，对应相反的旋转方向，用比较简单的逻辑电路，就能根据这两个轨道来确定旋转方向。

结    论

    一周的课程设计结束了，虽然结果不是那么理想，但是在这个过程中总体我们还是比较满意的。这次课程设计不仅巩固了之前所学到的知识，而且还学到了课外的许多东西。这次课程设计只是个开始，是为今后的课程设计打下基础；最重要的是：我们多多少少的学到了产品设计的思想与思路、获取知识的渠道与技巧，更培养了我们运用所学知识来解决实际问题和查阅知识的能力。

    由于临近本学期末，各科的考试复习、电子课程设计和机械设计课程设计，所以时间比较紧，我们边复习考试，边进行这个课程设计。在接到任务书的那一刻，我们组的人几乎全部蒙了，脑子一片空白，没有一点思路，课上学的数控知识，涉及到这方面的知识很少，我们是机械专业 的，接触到的电路知识完全不够，我们之前所学到的知识完全不能解决这个问题。通过小组讨论，大家先把老师给的资料看一看，我们就开始看资料，看第一遍的时候，有点看不懂，还是没有思路，甚至不知道到底让我们干什么，再加上各科的考试，心情开始有点烦躁。第二天又打开了老师发的任务书，打算仔细看看，要明白这次课程设计的内容，确定目的，然后带着问题去看资料，有针对性的查阅资料，之后的一段时间内，只要是有空的时候一遍遍的查看资料，不懂的地方也查找资料，和本小组的同学通过各种途径一起讨论，去图书馆，上网等等。功夫不负有心人，慢慢的搞懂了伺服系统的组成结构、接口特性、信号控制等等，终于有点思路了，至少知道我们到底要干什么了。下一步我们就开始查找有关电路的资料，讨论电路的问题。虽然最后没有设计出来我们想要的电路，但是我们也学到了很多知识，明白了连接方法以及伺服驱动器用到的简单电路。

    最后，真诚的感谢指导老师带给我们耐心的指导，能给我们这个机会来锻炼一下自己的能力，还要感谢小组的同学，在这过程中，大家互相学习、互相帮助、彼此鼓励，更让我体会到了团队合作的精神与强大的力量。希望在今后的学习与生活中，大家互相学习，共同进步。

参 考 文 献

[1]机床数控技术/李郝林，方键编著. -2版. -北京：机械工业出版社，2007.5（2013.7重印）

[2]潘新民, 王燕芳. 微型计算机控制技术[M], 第2版. 北京: 电子工业出版社, 2003.4:305-350

[3]机床电气控制与PLC/曲尔光，弓锵主编. -北京：电子工业出版社，2010.6

[4]机床电气控制线路识图/李响初等编著. -北京：中国电力出版社，2009

[5]典型机床电气控制解析与PLC改造实例/朱朝宽，张勇编著. -北京：机床工业出版社，2011.1

[6]数控机床电气及PLC控制技术/张华宇等编著. -北京：电子工业出版社，2010.3下载本文