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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/z73

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 CPU91

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FPGA103

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MCG02215

专业术语解释217

参考文献229