1808噴繪機伺服系統(tǒng)設計

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畢業(yè)設計（論文）設計(論文)題目：1808噴繪伺服系統(tǒng)設計姓名________xx_____＿學院（系）_____xx_＿專業(yè)___x_＿年級________x_______＿指導教師_______xx______＿年月日

目錄摘要 -3-Abstract -4-第一章前言 -5-1.1噴繪機： -5-1.2主要原理： -6-1.3噴繪耗材： -6-1.4分辨率的選擇： -6-1.5噴繪機噴頭： -6-1.6噴繪機保養(yǎng)技巧： -7-1.6.1設備安裝完畢后，以及設備啟用初期對噴頭進行的保養(yǎng)維護 -7-1.6.2每天工作完成后如何對噴頭進行保養(yǎng)維護 -7-1.6.3發(fā)現(xiàn)噴嘴輕微堵塞后的處理方法 -8-1.6.4在噴繪過程中頻繁發(fā)生噴嘴堵塞時的處理方法 -8-1.6.5以上處理方法見效不大或者暫時沒有效果時的處理方法 -8-1.6.6設備預計要48小時以上暫不使用時的處理方法 -9-1.7噴繪機操作員注意事項 -9-第二章伺服電機 -11-2.1簡介 -11-2.2自動控制系統(tǒng)對伺服電機的基本要求： -11-2.3伺服電機的分類： -11-2.4直流伺服電機： -12-2.4.1普通型直流伺服電機： -12-2.4.2盤形電樞直流伺服電機： -13-2.4.3空心杯電樞直流伺服電機： -13-2.4.4無槽直流伺服電機： -14-2.5交流伺服電機 -15-2.5.1交流異步伺服電動機 -15-2.5.2交流同步伺服電機 -16-2.5.3交流伺服電動機基本結(jié)構(gòu) -17-2.5.4交流伺服電動機的工作原理： -18-2.5.5交流伺服電機的特征： -19-2.5.6交流電機的特點： -20-2.5.7交流伺服電動機有以下三種運行控制方式： -21-第三章伺服系統(tǒng) -23-3.1簡介： -23-3.2主要作用： -23-3.3主要結(jié)構(gòu)： -23-3.4伺服系統(tǒng)性能的基本要求： -23-3.5伺服系統(tǒng)的種類： -24-3.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展： -24-第四章運動控制卡 -26-4.1簡介： -26-4.2運動控制卡的出現(xiàn)主要是因為： -26-4.3近幾年來，基于PC平臺的運動控制技術(shù)獲得了越來越廣泛的應用。 -27-優(yōu)點： -27-4.4應用： -27-4.5雷賽運動控制卡系列--DMC1000： -28-4.5.1簡介： -28-4.5.2特性： -28-4.5.3硬件規(guī)格: -29-4.5.4電源功能： -29-4.5.5應用范圍: -30-4.5.6電機控制指標: -31-4.5.7信號控制指標: -32-4.5.8通用指標： -32-4.5.9脈沖和方向控制： -33-4.5.10控制模式: -33-4.5.11運動控制平臺位置傳感器及控制信號布局： -36-第五章伺服驅(qū)動系統(tǒng) -38-5.1熔斷器: -38-5.2編碼器： -38-5.2.1工作原理： -39-5.2.2信號輸出： -39-5.3伺服驅(qū)動器： -40-5.3.1工作原理： -40-5.3.2伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)： -40-5.3.3伺服驅(qū)動器控制電路結(jié)構(gòu)： -41-5.3.4主回路接線： -42-5.3.5伺服進給系統(tǒng)的要求： -42-5.3.6伺服驅(qū)動器的作用： -43-5.3.7伺服驅(qū)動器控制方式： -43-5.4元件選擇 -44-5.4.1運動控制卡 -45-5．4.2伺服驅(qū)動器 -46-5.4.3伺服驅(qū)動系統(tǒng)選型步驟 -49-5.4.4伺服電機選擇 -50-5.5PC總線： -50-總結(jié) -52-參考文獻 -53-致謝 -54- 1808噴繪機伺服系統(tǒng)設計 摘要噴繪機是一種大型打印機系列的產(chǎn)品，沒有印刷、寫真機清晰度高，但是現(xiàn)在推出的噴繪機，清晰度有大大的提高。噴繪機是噴頭在材料上噴出墨水就象打印機一樣，它就是一種大幅面的打印機。一般應用在廣告行業(yè)上，用于大型戶外廣告。這次設計主要是了解噴繪機的各個組成的相關知識?；玖私膺\動控制卡DMC1000，伺服驅(qū)動器，交流伺服電機等相關設備。設計1808噴繪機的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。關鍵詞：噴繪機，交流伺服電機，DMC1000運動控制卡，松下伺服驅(qū)動器，

AbstractInkjetprintersusedinprinting,thanthelow-resolutionprintersandPhotoAlbum,however,thenewprintingmachinehighresolutionthanprevious,thesameasprintersinkjetprinterssprayink.Itisalarge-formatprinter,generallyusedfortheadvertisingindustryandthelargeoutdooradvertising.Theinkjetprintersdesignedtounderstandthebusinessknowledge,understandthebasicmotioncontrolcardDMC1000,Panasonicservodrives,ACservomotorsandotherrelatedknowledge,design1808InkjetPrinterservodrivesystem.Keywords：InkjetPrinter,ACservomotor，DMC1000，Panasonicservodrives

第一章前言1.1噴繪機：噴繪機是一種大型打印機系列的產(chǎn)品，沒有印刷、寫真機清晰度高，但是現(xiàn)在推出的噴繪機，清晰度有大大的提高。噴繪機是噴頭在材料上噴出墨水就象打印機一樣，它就是一種大幅面的打印機。噴繪機使用溶劑型或UV固化型墨水，其中溶劑型墨水具有強烈的氣味和腐蝕性，在打印的過程中墨水通過腐蝕而滲入到打印材質(zhì)的內(nèi)部，使得圖像不容易掉色，所以具有防水、防紫外線、防刮等特性。UV固化型墨水則是較新的產(chǎn)品，通過紫外光使油墨組分交聯(lián)而固化，基本無揮發(fā)性有機物，且適合多種基材，有較大的發(fā)展空間。主要應用在廣告行業(yè)上，用于大型戶外廣告。噴頭可以選擇不一定的個數(shù)安裝，一個噴頭的一般壽命為1年。目前國內(nèi)的主要品牌有：飛圖、工正、極限、力宇、邁杰特、賽博、泰威、威斯特、雅色蘭、宏華、彩神、樂彩、驁巍機電等。國外的主要是日本美國等廠家：賽天使、威特、Roland羅蘭、MUTOH武藤等，其中惠普也有相應的產(chǎn)品。國外產(chǎn)品普遍比國內(nèi)產(chǎn)品的價格高，不過相應的精度和壽命也有不俗的表現(xiàn)。噴繪機按幅面可分為兩種：大幅面噴繪機和超大幅面噴繪機大幅面噴繪機其幅寬在一米左右，利用染料性（DyEBASED）墨水噴繪，分辨率較高（可達600-1000DPI），可噴繪至高光相紙產(chǎn)生相片效果。但由于受油墨性能限制，產(chǎn)品不防水、不防紫外線，必須后期覆膜或涂層，適用于效果圖及小樣等。超大幅面噴繪機的幅寬在3米以上，它利用顏料性（PIGMENT-BASED）油墨噴繪，主要面對戶外巨幅廣告市場，分辨率能滿足戶外要求（通常24-70DPI即可完全滿足戶外需求）。由于采用的噴繪技術(shù)及油墨的不同，對承印物的要求也不同。有些噴繪機限定承印物品牌及類型，有些不限定。有些噴繪機要求后期涂層，有些噴繪機的產(chǎn)品可直接應用于戶外。另外，由于顏料油墨與染料油墨的色域不同，顏料油墨的色域比染料油墨的色域要窄得多，故采用顏料油墨的超大幅面噴繪機對于色彩的真實再現(xiàn)性在一段時期內(nèi)還達不到小型寫真機的水平1808噴繪機它的幅寬為1.8米。8個噴頭，4色。1.2主要原理：目前國內(nèi)使用的噴繪機原理主要有點態(tài)噴繪和霧狀噴繪兩種。美國賽德和以色列賽天使使用點狀噴繪原理，威特使用霧狀原理。前者適合于制作大畫面，對近距離觀察小畫面制作欠佳。兩者原理上的差異導致畫面效果的差別。首先霧狀噴繪制作的畫面輪廓清晰，尤其在制作線條、文字時表現(xiàn)最為明顯。其次霧狀噴繪使畫面模糊，顏色發(fā)灰，而點狀噴繪雖然在近距離觀察時顏色點不柔和，但遠距離觀察時色彩鮮明，甚至有某種立體感。1.3噴繪耗材：與彩色噴繪緊密相關的是耗材，重要包含油墨和布基。一般來講液體油墨都是復印呆板公用配套，相互之間不能取代，布基則與呆板無關。今朝最經(jīng)常使用的有德國歐特龍，韓國韓華等。前者最大幅寬達5米，后者有2.5米、3.2米，但后者代價廉價不少。實際上這些布自己品質(zhì)沒有太大的不同。一般在戶外使用四年以上沒問題，而噴繪油墨與布的連系只能包管三年不退色、不掉色。1.4分辨率的選擇：另外在實際制作與使用中發(fā)現(xiàn)，客戶認為分辨率越高越好，實際上這是一個誤區(qū)，分辨率的選擇應由畫面大小和實際安裝決定，過高的分辨率在遠距離觀察時效果反而不好。根據(jù)經(jīng)驗，分辨率一般選用18-36dpi比較合適。1.5噴繪機噴頭：目前噴繪機噴頭主要有四大品牌：日本精工SPT噴繪機噴頭、日本柯尼卡噴繪機噴頭、英國XAAR（賽爾）噴繪機噴頭、美國spectra噴繪機噴頭等四大主流的噴頭。噴繪機噴頭是噴繪機最核心的東西，噴頭壞了等于報廢，買一個新的噴頭價格不菲。所以噴繪機噴頭保養(yǎng)十分重要。噴繪機噴頭常見故障：噴繪機噴頭斷墨、噴頭堵頭、噴頭掉膜、噴頭斜噴、噴頭偏針、噴頭斷線等等。綜上所述常見的狀況大部分是因為噴頭堵頭和操作不當造成，所以操作過程中一定要注意保養(yǎng)性。針對以上故障解決方案：更換噴頭過濾網(wǎng)、噴頭清洗、噴頭貼膜、噴頭膜片打磨、電路調(diào)整等。1.6噴繪機保養(yǎng)技巧：噴繪機在使用過程中的噴頭堵塞問題，主要以“預防為主”。要保持噴頭最佳工作狀態(tài)的最好的方法，是您每天對噴頭做一些適當而有效的日常維護，那將大大減少噴嘴堵塞的可能性，因此，請您仔細閱讀以下內(nèi)容并參考操作。1.6.1設備安裝完畢后，以及設備啟用初期對噴頭進行的保養(yǎng)維護1．為使噴頭進入最佳運作狀態(tài)，在設備正式開始承接制作業(yè)務之前，請務必用1～2天時間盡最大可能多打印一些畫面，畫面最好是CMYK4色都用到的，而且在畫面的2邊都要加上C、M、Y、K4色色條以確保4個噴頭始終處于噴墨狀態(tài)。2．噴繪時最好把最右端清潔站內(nèi)的保濕海綿連同其托架一起取出。1.6.2每天工作完成后如何對噴頭進行保養(yǎng)維護每天所有的打印作業(yè)全部完成后，為使噴頭保持最佳工作狀態(tài)且避免由于溶劑性墨水揮發(fā)而堵塞噴嘴，請按以下方法噴頭進行維護之后讓設備過夜。1．關閉設備電源。2．先用專用清洗液將保濕海綿清洗干凈，然后將清洗液倒在海綿上使其浸濕。3．將機頭移回最右端的清潔站并使噴嘴與保濕海綿緊密結(jié)合。4．保持這種狀態(tài)讓設備過夜。1.6.3發(fā)現(xiàn)噴嘴輕微堵塞后的處理方法1．在噴繪過程中發(fā)現(xiàn)噴嘴出現(xiàn)輕微堵塞現(xiàn)象后要毫不猶豫地按PAUSE鍵暫停打印作業(yè)，然后用吸塵器或者手動氣泵使墨水從噴嘴噴出進行噴嘴清洗，清洗完畢后須用塑料擠壓瓶往噴嘴表面噴一些清洗液洗去殘留墨水。注意：使用手動氣泵時切勿用力過猛，否則會因壓力過大而損壞噴頭。2．及時果斷且徹底地處理噴嘴輕微堵塞對于在長時間打印過程中保持噴嘴最佳工作狀態(tài)是非常重要的！3．此外，也有必要仔細檢查噴頭情況并查找噴嘴堵塞的原因所在。1.6.4在噴繪過程中頻繁發(fā)生噴嘴堵塞時的處理方法1．先按PAUSE鍵暫停噴繪作業(yè)，然后按PURGE鍵使機頭移動到最左端的清洗位置。2．保持設備電源處于打開狀態(tài)，將副墨罐連到機頭控制板上的液位感應器信號線全部拔掉。3．將噴頭上的供墨管（源自副墨罐）拔掉，然后用玻璃注射器抽取專用清洗液清洗噴頭，方法：每次用40ml清洗液，每隔10分鐘一次，共3～4次。4．清洗之后重新插上供墨管和液位感應器信號線，然后繼續(xù)先前暫停的打印作業(yè)。1.6.5以上處理方法見效不大或者暫時沒有效果時的處理方法1．將噴頭從噴頭托盤中拆下取出。2．在干凈的玻璃容器(例如：燒杯)中倒入適量專用清洗液，以放入噴頭后淹沒噴頭底部2～3mm為宜，然后用保鮮膜將玻璃容器密封起來（防灰）靜置1天以上。注意：噴頭頂端的信號接口切勿接觸清洗液，否則會損壞噴頭。3．噴頭浸泡完畢后，在打印機噴頭清洗器中倒入適量專用清洗液，再將噴頭底部放入清洗液中浸沒約2～3mm，然后啟動清洗器，選擇專用的噴頭清洗器，如果使用一般的超聲波清洗器一定要嚴格控制時間，以防損壞噴頭。注：連續(xù)使用清洗器清洗不用超過三次。4．用玻璃注射器抽取40ml專用清洗液，從噴頭上部的供墨管接口處往里注射，注意觀察從噴嘴噴出的水線狀態(tài)，如果所有的水線都很直，說明清洗有效，這個噴頭可以繼續(xù)使用（前提：電路與壓電晶體均完好），如果仍有部分水線噴歪，則須按第2、3步驟再做2～3次。1.6.6設備預計要48小時以上暫不使用時的處理方法如果設備預計要48小時以上暫不使用，必須將噴頭中的墨水清洗干凈，否則噴嘴中的墨水會因為溶劑逐漸揮發(fā)而干結(jié)，嚴重的甚至會對噴嘴產(chǎn)生不可逆的損壞。處理方法如下：1．關閉噴繪機的電源。2．將機頭移到最左端清潔位置，在噴頭下方放一個耐腐蝕容器用于盛裝清洗廢液。3．用玻璃注射器抽出或者直接倒出副墨罐中的墨水，然后用專用清洗液將副墨罐洗干凈。4．將噴頭上的供墨管（源自副墨罐）拔掉，然后用玻璃注射器抽取40ml專用清洗液清洗噴頭，共做2次。最后不要把噴頭中殘留的清洗液吹干凈，一定要留足夠的清洗液在噴頭內(nèi)部，因為清洗液對噴嘴可以起到保濕作用。5．將處理過的噴頭放入干凈的耐腐蝕容器并密封（用保鮮膜就不錯）起來后可存放1個月左右。1.7噴繪機操作員注意事項1．噴繪機對靜電比較敏感，設備的地線應在安裝人員的指導下一次性處理好。2．操作控制板或噴頭時，一定先斷掉噴繪機的總電源，并有防靜電措施。3．計算機系統(tǒng)中的噴繪文件應隨時清理，保證硬盤有足夠的空間。4．噴繪軟件使用進不能打開其他程序，也不能打開二個噴繪程序。5．噴繪過程中不能向控制噴繪機的電腦傳輸文件。6．電腦系統(tǒng)的參數(shù)設置不能隨便改去，特別是重裝系統(tǒng)時要保證設置準確。7．拖鏈中的數(shù)據(jù)傳輸電纜線要定期檢查磨損情況，保證無斷路；短路及信號干擾。8．如噴繪布太大帶不動，會給畫面帶來橫條紋或刮布，也會使噴繪布走步尺寸不準，可以將噴繪布打開一些，使走布均勻。9．垂直步距的參數(shù)在驅(qū)動軟件中調(diào)整，調(diào)整方法見軟件使用說明。10．小車行走的噪音加大，要檢查滑塊或機頭，機尾架軸承的磨損情況。11．電機帶電時不能推小車，否則，容易造成各種錯位現(xiàn)象發(fā)生。12．驅(qū)動器的參數(shù)在出廠時已調(diào)整好，用戶不能擅自改動，如電機使用時發(fā)生故障，請詳細觀察電機報警信號，由專業(yè)人員參照說明書處理。13．同步帶拉伸的松緊度要適宜，過緊，過松都不行，用調(diào)整螺栓調(diào)整。14．供墨系統(tǒng)的各個管接口必須保證沒有泄露。檢查墨盒的供墨情況是否正常，保證噴頭的供墨管接口處不漏氣，供墨管內(nèi)油墨沒氣泡，否則會出現(xiàn)供墨不足。15．如發(fā)現(xiàn)上墨速度變慢，必須檢查或更換過濾器。16．噴頭上電前應先供墨，因為墨是帶走噴頭熱量的主要途徑。17．噴繪機工作進就使用小車罩，防止油墨污染噴頭，連接口，噴頭分色板等，否則，容易造成短路事故，損壞噴頭。

第二章伺服電機2.1簡介伺服電機又稱執(zhí)行電機，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件。它可以將輸入的電信號轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，通過改變控制電信號的大小和極性，可改變電動機的轉(zhuǎn)速大小和轉(zhuǎn)向。伺服電機在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。2.2自動控制系統(tǒng)對伺服電機的基本要求：（1） 無“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。即要求控制電機在有控制信號時迅速轉(zhuǎn)動，而當控制信號消失時立即停止轉(zhuǎn)動，控制信號消失后，電機仍然轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象稱為自轉(zhuǎn)，自動控制系統(tǒng)不允許有“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。（2） 空載始動電壓低。電機空載時，轉(zhuǎn)子從靜止到連續(xù)轉(zhuǎn)動的最小控制電壓稱為始動電壓，始動電壓越小，電機的靈敏度越高。（3） 具有線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性。線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高系統(tǒng)的控制精度，能在寬廣的范圍內(nèi)平滑穩(wěn)定地調(diào)速。（4） 快速響應性好。即要求電機的機電時間常數(shù)要小，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩要大，轉(zhuǎn)動慣量要小，轉(zhuǎn)速能隨控制電壓的變化而迅速變化。2.3伺服電機的分類：根據(jù)伺服電機的控制電壓來分伺服電機分為直流伺服電機和交流伺服電機兩大類。直流伺服電機輸出功率較大，功率范圍通常為1—600W，有的甚至可達上千瓦，可用于功率較大的控制系統(tǒng)；交流伺服電機輸出功率小，功率范圍一般為0.1—100W，可用于功率小的控制系統(tǒng)。2.4直流伺服電機：直流伺服電機的控制電源為直流電壓，根據(jù)其功能可分為普通型直流伺服電機，盤形電樞直流伺服電機，空心杯電樞直流伺服電機，無槽直流伺服電機。直流伺服電機也可分為有刷和無刷電機。

有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。

無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝碗s，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。2.4.1普通型直流伺服電機：由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成。根據(jù)勵磁方式又可分為電磁式和永磁式兩種，電磁式伺服電機的定子磁極上裝有勵磁繞組，勵磁繞組接勵磁控制電壓產(chǎn)生磁通；永磁式伺服電機的磁極時永磁鐵，其磁通是不可控的。轉(zhuǎn)子一般由硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子外圓有槽，槽內(nèi)裝有電樞繞組，繞組通過換向器和電刷與外邊電樞控制電路相連接。為了提高控制精度和響應速度，伺服電機的電樞鐵心長度與直徑之比比普通直流電機要大，氣隙也較小。當定子中的勵磁磁通和轉(zhuǎn)子中的電流相互作用時，就會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電樞轉(zhuǎn)動，恰當?shù)乜刂妻D(zhuǎn)子中電樞電流的方向和大小，就可以控制伺服電機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度。電流為零時，伺服電機則停止不動。2.4.2盤形電樞直流伺服電機：定子由永久磁鐵和前后鐵軛共同組成，盤形伺服電機的轉(zhuǎn)子電樞由線圈沿轉(zhuǎn)軸的徑向圓周排列，盤形繞組中通過的電流是徑向電流，而磁通是軸向的，徑向電流與軸向磁通相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使伺服電機旋轉(zhuǎn)。2.4.3空心杯電樞直流伺服電機：有一個外定子和一個外定子。通常外定子有兩個半圓形的永磁鐵組成，內(nèi)定子有圓柱形軟磁材料組成，僅作為磁路的一部分，以減少磁路的磁阻。也有內(nèi)定子由永久磁鋼制成，外定子由軟磁材料做成。繞組或采用印制繞組，或先繞成單個成型線圈，然后將他們沿圓周的軸向排列成空心杯型。電樞直接裝在電機軸上，在內(nèi)外定子間的空隙旋轉(zhuǎn)。電樞繞組接到轉(zhuǎn)向器上，由電刷引出。2.4.4無槽直流伺服電機：電樞鐵心不開槽電樞繞組直接排列在鐵心表面，再用環(huán)氧樹脂將其與電樞鐵心固化成整體。定子磁極可由永久磁鐵做成，也可用電磁式結(jié)構(gòu)電機的轉(zhuǎn)動慣性與電樞繞組的電感相較而言較大，因而動態(tài)能較大?？刂品绞剑褐绷魉欧姍C的控制方式有兩種：一種是電樞控制，一種是磁極控制。2.5交流伺服電機交流伺服電機包括交流異步伺服電機和交流同步伺服電機。2.5.1交流異步伺服電動機交流異步伺服電動機指的是交流感應電動機。即轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，獲得一個轉(zhuǎn)動力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動的導體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動機中不轉(zhuǎn)動的部分，主要任務是產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場并不是用機械方法來實現(xiàn)。而是以交流電通于數(shù)對電磁鐵中，使其磁極性質(zhì)循環(huán)改變，故相當于一個旋轉(zhuǎn)的磁場。交流異步伺服電機的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)它有三相和單相之分，也有鼠籠式和線繞式，通常多用鼠籠式三相感應電動機。2.5.2交流同步伺服電機交流同步伺服電機：它的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度與定子繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的速度是一樣的，所以稱為同步電動機。同步電機結(jié)構(gòu)圖因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相同。其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與磁極對數(shù)p、電源頻率f之間滿足n=60f/p。轉(zhuǎn)速n決定于電源頻率f，故電源頻率一定時，轉(zhuǎn)速不變，且與負載無關。具有運行穩(wěn)定性高和過載能力大等特點。常用于多機同步傳動系統(tǒng)、精密調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)和大型設備(如軋鋼機)等交流同步伺服電動機雖較感應電動機復雜，但比直流電動機簡單。它與感應電動機相比轉(zhuǎn)子卻不同。按不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分電磁式及非電磁式兩大類。非電磁式又分為磁滯式、永磁式和反應式多種。其中磁滯式和反應式同步電動機存在效率低、功率因數(shù)較差、制造容量不大等缺點。數(shù)控機床中多用永磁式同步電動機。與電磁式相比，永磁式優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、效率較高；缺點是體積大、啟動特性欠佳。但永磁式同步電動機采用高剩磁感應，高矯頑力的稀土類磁鐵后，可比直流電動外形尺寸約小1/2，質(zhì)量減輕60﹪，轉(zhuǎn)子慣量減到直流電動機的1/5。它與異步電動機相比，由于采用了永磁鐵勵磁，消除了勵磁損耗及有關的雜散損耗，所以效率高。又因為沒有電磁式同步電動機所需的集電環(huán)和電刷等，其機械可靠性與感應（異步）電動機相同，而功率因數(shù)卻大大高于異步電動機，從而使永磁同步電動機的體積比異步電動機小些。這是因為在低速時，感應（異步）電動機由于功率因數(shù)低，輸出同樣的有功功率時，它的視在功率卻要大得多，而電動機主要尺寸是據(jù)視在功率而定的。2.5.3交流伺服電動機基本結(jié)構(gòu)交流伺服電動機的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。交流伺服電動機的定子繞組和單相異步電動機相似，它的定子上裝有兩個在空間相差90°電角度的繞組，即勵磁繞組和控制繞組。運行時勵磁繞組始終加上一定的交流勵磁電壓，控制繞組上則加大小或相位隨信號變化的控制電壓。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式為籠型轉(zhuǎn)子和空心杯型轉(zhuǎn)子兩種?；\型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與一般籠型異步電動機的轉(zhuǎn)子相同，但轉(zhuǎn)子做的細長，轉(zhuǎn)子導體用高電阻率的材料做成如青銅，黃銅等。其目的是為了減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，增加啟動轉(zhuǎn)矩對輸入信號的快速反應和克服自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，為了提高交流伺服電機的快速響應性能，宜把籠形轉(zhuǎn)子做成又細又長，以減少轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。1-空心杯轉(zhuǎn)子2-外定子3-內(nèi)定子4-機殼5-端蓋非磁性空心杯轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖杯子底部固定于轉(zhuǎn)軸上，杯臂薄而輕，厚度一般在0.2—0.6mm，因而轉(zhuǎn)動慣量小，動作快而靈敏，轉(zhuǎn)動平滑，無抖動現(xiàn)象。由于使用內(nèi)外定子，氣隙較大，故勵磁電流較大，體積較大。2.5.4交流伺服電動機的工作原理：

交流伺服電動機的工作原理和單相異步電動機相似，LL是有固定電壓勵磁的勵磁繞組，LK是有伺服放大器供電的控制繞組，兩相繞組在空間相差90°電角度。如果IL與Ik的相位差為90°，而兩相繞組的磁動勢幅值又相等，這種狀態(tài)稱為對稱狀態(tài)。與單相異步電動機一樣，這時在氣隙中產(chǎn)生的合成磁場為一旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導體相對切割，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應電流。轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如果改變加在控制繞組上的電流的大小或相位差，就破壞了對稱狀態(tài)，使旋轉(zhuǎn)磁場減弱，電動機的轉(zhuǎn)速下降。電機的工作狀態(tài)越不對稱，總電磁轉(zhuǎn)矩就越小，當除去控制繞組上信號電壓以后，電動機立即停止轉(zhuǎn)動。這是交流伺服電動機在運行上與普通異步電動機的區(qū)別。為了在電機內(nèi)形成一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場，要求激磁電壓Uf和控制電壓UK之間應有90度的相位差，常用的方法有：1）利用三相電源的相電壓和線電壓構(gòu)成90度的移相2）利用三相電源的任意線電壓3）采用移相網(wǎng)絡4）在激磁相中串聯(lián)電容器2.5.5交流伺服電機的特征：優(yōu)點：因為沒有電刷的損耗，因此不需要保養(yǎng)。沒有電刷磨損粉末，因此可以在清潔的環(huán)境下使用。使用高性能的永磁磁極可以達到高效率/高功率。因為使用逆變器進行交流驅(qū)動，所以低振動/低噪音。反饋的旋轉(zhuǎn)精度及定位性能等基本性能很高。電機線圈因為是無心的，所以沒有齒槽轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩波動也很小。缺點：需要根據(jù)負荷進行伺服調(diào)整。電機及伺服放大器的價格很高。因為需要位置感應機構(gòu)，所以超小型電機很難制作。交流伺服電機工作原理圖2.5.6交流電機的特點：起動轉(zhuǎn)矩大由于轉(zhuǎn)子電阻大，其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖所示與普通異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性曲線2相比，有岷縣的區(qū)別。它可使臨界轉(zhuǎn)差率So》1這樣不僅使轉(zhuǎn)矩特性（機械特性）更接近于線性，而且具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。因此，當定子一有控制電壓，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動，即具有起動快、靈敏度高的特點。圖伺服電動機的轉(zhuǎn)矩特性運行范圍較寬如圖3-3所示，較差率S在0到1的范圍內(nèi)伺服電動機都能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象正常運轉(zhuǎn)的伺服電動機，只要失去控制電壓，電機立即停止運轉(zhuǎn)。當伺服電動機失去控制電壓后，它處于單相運行狀態(tài)，由于轉(zhuǎn)子電阻大，定子中兩個相反方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子作用所產(chǎn)生的兩個轉(zhuǎn)矩特性（T1－S1、T2－S2曲線）以及合成轉(zhuǎn)矩特性（T－S曲線）如圖3-4所示，與普通的單相異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性（圖中T′－S曲線）不同。這時的合成轉(zhuǎn)矩T是制動轉(zhuǎn)矩，從而使電動機迅速停止運轉(zhuǎn)。圖3.4伺服電動機單相運行時的轉(zhuǎn)矩特性下圖3.5是伺服電動機單相運行時的機械特性曲線。負載一定時，控制電壓Uc愈高，轉(zhuǎn)速也愈高，在控制電壓一定時，負載增加，轉(zhuǎn)速下降。圖3.5伺服電動機的機械特性2.5.7交流伺服電動機有以下三種運行控制方式：

（1）幅值控制控制電壓與勵磁電壓的保持相位差90°，只改變控制電壓幅值，這種控制方法稱為幅值控制。當勵磁電壓為額定電壓，控制電壓為零時，伺服電機轉(zhuǎn)速為零，電機不轉(zhuǎn)；當勵磁電壓為額定電壓，控制電壓也為額定電壓時，伺服電機轉(zhuǎn)速最大，轉(zhuǎn)矩也最大；當勵磁電壓為額定電壓時，控制電壓在額定電壓與零電壓之間變化時，伺服電機的轉(zhuǎn)速在最高轉(zhuǎn)速至零轉(zhuǎn)速間變化。（2）相位控制控制電壓與勵磁電壓的大小，保持額定值不變，改變控制電壓的相位。通過改變控制電壓和勵磁電壓相位差，實現(xiàn)對伺服電機的控制。（3）幅值—相位控制同時改變控制電壓幅值及控制電壓和勵磁電壓的相位差來控制伺服電機的轉(zhuǎn)速。交流伺服電動機轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)向隨控制電壓相位的反相而改變。幅相控制時伺服電機的控制接線圖幅相控制的機械特性和調(diào)節(jié)特性不如幅值控制和相位控制，但由于其電路簡單，不需要移相器，因此在實際應用中用得較多。

第三章伺服系統(tǒng)3.1簡介：伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），其結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。3.2主要作用：1、以小功率指令信號去控制大功率負載；2、在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現(xiàn)遠距同步傳動；3、使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。3.3主要結(jié)構(gòu)：伺服系統(tǒng)主要由三部分組成：控制器，功率驅(qū)動裝置，反饋裝置和電動機。控制器按照數(shù)控系統(tǒng)的給定值和通過反饋裝置檢測的實際運行值的差，調(diào)節(jié)控制量；功率驅(qū)動裝置作為系統(tǒng)的主回路，一方面按控制量的大小將電網(wǎng)中的電能作用到電動機之上，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩的大小，另一方面按電動機的要求把恒壓恒頻的電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)換為電動機所需的交流電或直流電；電動機則按供電大小拖動機械運轉(zhuǎn)。3.4伺服系統(tǒng)性能的基本要求：精度高。伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度。穩(wěn)定性好。穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾的作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)?？焖夙憫ｍ憫俣葧r伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。調(diào)速范圍快。調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機械要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。低速大轉(zhuǎn)矩。在伺服控制系統(tǒng)中，通常要求在低速時為恒轉(zhuǎn)矩控制，電機能夠提供較大的輸出轉(zhuǎn)矩；在高速時為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。能夠頻繁地起動、制動以及反轉(zhuǎn)切換。3.5伺服系統(tǒng)的種類：伺服系統(tǒng)按照伺服驅(qū)動機的不同可分為電氣式、液壓式和氣動式三種。按照功能的不同可分為計量伺服和功率伺服系統(tǒng)，模擬伺服和功率伺服系統(tǒng)，位置伺服、速度伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)電氣信號可分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)兩大類。交流伺服系統(tǒng)又有感應電機伺服系統(tǒng)和永磁同步電機伺服系統(tǒng)兩種。從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點來看，有單回伺服系統(tǒng)、多回伺服系統(tǒng)和開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)。3.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展：伺服系統(tǒng)的發(fā)展與伺服電動機的發(fā)展緊密地聯(lián)系在一起。伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程，電氣伺服系統(tǒng)的發(fā)展則與伺服電機的不同發(fā)展具有緊密的聯(lián)系，伺服電機至今有50多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了三個階段。第一個階段（在上世紀60年代以前），伺服驅(qū)動是以步進電機驅(qū)動的液壓伺服馬達，或者以功率步進電機直接驅(qū)動為特征，伺服系統(tǒng)的位置控制多為開環(huán)控制。這一階段是液壓伺服系統(tǒng)的全盛時期。液壓伺服系統(tǒng)能夠傳遞巨大的轉(zhuǎn)矩，控制簡單，可靠性高，在整個速度范圍內(nèi)保持恒定的轉(zhuǎn)矩輸出，主要應用在重型設備和一些關鍵場合。但它也存在一些缺點，例如發(fā)熱大，效率低。易污染環(huán)境、不易維修等。第二個階段（20世紀60~70年代）60～70年代是直流伺服電動機誕生和全盛發(fā)展的時代，直流伺服系統(tǒng)在工業(yè)及相關領域獲得了廣泛的應用，伺服系統(tǒng)的位置控制也由開環(huán)控制發(fā)展成為閉環(huán)控制。在數(shù)控機床應用領域，永磁式直流電動機占據(jù)統(tǒng)治地位，其控制電路簡單，無勵磁損耗，低速性能好。但是直流伺服電機存在機械結(jié)構(gòu)復雜、維護工作大等缺點,在運行過程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機械設備的精度，難以應用到高速及大容量的場合，換向器稱成為直流伺服系統(tǒng)驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。由于人們通過材料和工藝的改進來盡量提高直流伺服生命力，因此直流伺服電機仍將在相當長的時間內(nèi)得到應用，只是市場份額預計會持續(xù)下降。第三發(fā)展階段（20世紀80年代至今）這一階段是以機電一體化時代作為背景的。由于伺服電機結(jié)構(gòu)以及永磁材料、半導體功率器件技術(shù)、控制技術(shù)的突破性進展，出現(xiàn)了無刷直流伺服電機（方波驅(qū)動）、交流伺服電機（正弦波驅(qū)動）、適量控制的感應電機和開關磁阻電機等新型電機。尤其是80年代以來，矢量技術(shù)的不斷成熟，極大地推動了交流伺服技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能可以與直流伺服系統(tǒng)媲美。伺服系統(tǒng)控制器的實現(xiàn)方式在數(shù)字控制中也在又硬件方式向著軟件方式發(fā)展；在軟件方式中也是從伺服系統(tǒng)的外環(huán)向內(nèi)環(huán)、進而向接近電動機環(huán)路的更深層發(fā)展。交流伺服電機克服了直流伺服電機存在的電刷、轉(zhuǎn)向器等機械部件所帶來的各種缺點，過載能力強和轉(zhuǎn)動慣量低體現(xiàn)出了交流伺服系統(tǒng)的有優(yōu)越性。交流伺服系統(tǒng)采用以微處理器為基礎的系統(tǒng)級芯片和智能化功率器件，很好的克服了伺服系統(tǒng)中模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素，提高了系統(tǒng)的魯棒性和容錯性，成功實現(xiàn)了高精度伺服控制。特別是控制理論的新發(fā)展及智能控制理論的先進控制策略和基于傳統(tǒng)控制理論的傳統(tǒng)控制策略完美結(jié)合，為交流伺服系統(tǒng)的實習應用奠定了堅實的基礎。

第四章運動控制卡4.1簡介：運動控制卡是一種基于PC機及工業(yè)PC機、用于各種運動控制場合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制單元。運動控制卡是基于PC總線，利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)?？删幊唐骷崿F(xiàn)多個伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進/伺服電機運動控制卡，包括脈沖輸出、脈沖計數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機器準確的位置，糾正傳動過程中產(chǎn)生的誤差。數(shù)字輸入/輸出點可用于限位、原點開關等。庫函數(shù)包括S型、T型加速，直線插補和圓弧插補，多軸聯(lián)動函數(shù)等。產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)自動化控制領域中需要精確定位、定長的位置控制系統(tǒng)和基于PC的NC控制系統(tǒng)。具體就是將實現(xiàn)運動控制的底層軟件和硬件集成在一起，使其具有伺服電機控制所需的各種速度、位置控制功能,這些功能能通過計算機方便地調(diào)用。運動控制卡不僅要發(fā)送脈沖給電機驅(qū)動器，同時接受伺服電機編碼器反饋的脈沖數(shù)，還接受光柵尺反饋信號，進而控制伺服電機的轉(zhuǎn)速。伺服驅(qū)動器既要與運動控制卡有數(shù)據(jù)線連接，其本身還要連接插座電源?，F(xiàn)國內(nèi)外運動控制卡公司有美國的GALIL、PMAC，英國的翠歐，臺灣的臺達、凌華、研華，大陸的研控、雷賽、固高、樂創(chuàng)、眾為興等。4.2運動控制卡的出現(xiàn)主要是因為：（1）為了滿足新型數(shù)控系統(tǒng)的標準化、柔性、開放性等要求；（2）在各種工業(yè)設備（如包裝機械、印刷機械等）、國防裝備（如跟蹤定位系統(tǒng)等）、智能醫(yī)療裝置等設備的自動化控制系統(tǒng)研制和改造中，急需一個運動控制模塊的硬件平臺；（3）PC機在各種工業(yè)現(xiàn)場的廣泛應用，也促使配備相應的控制卡以充分發(fā)揮PC機的強大功能。運動控制卡通常采用專業(yè)運動控制芯片或高速DSP作為運動控制核心，大多用于控制步進電機或伺服電機。一般地，運動控制卡與PC機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)：PC機負責人機交互界面的管理和控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作（例如鍵盤和鼠標的管理、系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、運動軌跡規(guī)劃、控制指令的發(fā)送、外部信號的監(jiān)控等等）；控制卡完成運動控制的所有細節(jié)（包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等）。運動控制卡都配有開放的函數(shù)庫供用戶在DOS或Windows系統(tǒng)平臺下自行開發(fā)、構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。因而這種結(jié)構(gòu)開放的運動控制卡能夠廣泛地應用于制造業(yè)中設備自動化的各個領域。4.3基于PC平臺的運動控制技術(shù)的應用優(yōu)點：1.友好界面PC平臺控制系統(tǒng)受到機器操作員的普遍歡迎。與單片機和PLC方案的界面相比，PC機（顯示器、鍵盤、鼠標、通訊端口、硬盤、軟驅(qū)等）具有無可比擬的輸入輸出能力。2.強大功能由于PC機的強大功能以及控制卡的先進技術(shù)，基于PC機的運動控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單片機系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)所無法應付的無數(shù)高級功能。3.開發(fā)便利用戶可使用VB、VC、C++、Buider等高級編程語言，快速開發(fā)人機界面、調(diào)用成熟可靠的運動函數(shù)，在幾天或幾周時間內(nèi)完成強大控制軟件的開發(fā)。修改和添加功能十分便利，而且開發(fā)好的軟件極易移植到類似的機器中。4.成本優(yōu)勢由于PC機成本持續(xù)下跌且雷賽控制卡具有很高的性價比，使得由此構(gòu)成的基于PC機和雷賽控制卡的控制系統(tǒng)在大多數(shù)運動控制場合中具有良好的綜合成本優(yōu)勢。4.4應用：運動控制卡因其性價比好、功能強大、開發(fā)便利等優(yōu)勢已經(jīng)廣泛運用切割機、點膠機、激光打標機電路板鉆/銑機、超聲波焊機、絲印機、AOI檢測機、飛針測試機、激光焊接機、雕刻機、噴繪機、快速成型機等測量與自動化設備領域。4.5雷賽運動控制卡系列--DMC1000：4.5.1簡介：DMC1000系列是一款價格低廉、編程簡易、功能豐富的PCI總線4軸運動控制卡，可控制1-4軸步進和伺服電機。每軸具有最高400KHZ脈沖頻率、S曲線減振功能、運動中實時變速等功能。位置指令可用單路脈沖(脈沖+方向)或雙路脈沖(CW脈沖+CCW脈沖)方式輸出，可以是差分式或單端式，適合于控制各種接品的步進和伺服裝置或其組合。另外本卡自帶有28位通用I/O口，擴大了產(chǎn)品的應用范圍。對外接口上采用68芯高密度屏蔽電纜線，提高了信號連接的方便、緊湊和可靠性。4.5.2特性：(1)1-4軸步進/伺服電機控制(2)32位PCI總線，即插即用(3)每軸最大輸出脈沖頻率400KHZ(4)圓弧和直線插補(5)S形速度曲線可減少振動(6)可編程中斷源(7)多軸同時啟停(8)運動中可實時變速(9)原點、正負限位、正負減速接口(10)28位通用I/O口(16入12出)(11)高集成度，高可靠性(12)全部I/O光隔離，耐2500VDMS電壓(13)可選擇梯形或S形速度曲線(14)支持手輪和JOG操作(15)DM13000DLL運動函數(shù)庫適用Windows95/98/NT/2000/XP等操作系統(tǒng)(16)支持VB/VC/C++Builder等開發(fā)工具編程4.5.3硬件規(guī)格:控制軸數(shù)：1-4軸最大脈沖輸出頻率：400KHZ梯形或S曲線速度驅(qū)動方式位置脈沖設置范圍：0-16,777,215個脈沖(24位)斜波下降設置范圍：0-65,535(16位)加減速設置范圍：2-1023(10位)脈沖速率設置：0-400KPPS工作溫度：0°C—50°C貯存溫度：-20°C—-80°C濕度：5-85%，非結(jié)露4.5.4電源功能：插槽電源(輸入)：±5VDC±5%，最大900MA外部電源(輸入)：±12-24VDC±5%，最大500MA圖4-1DMC1000硬件結(jié)構(gòu)尺寸示意圖圖4-2DMC1000工作原理圖4.5.5應用范圍:高速高精度X-Y-Z平臺控制PC平臺加工中心精密旋轉(zhuǎn)控制包裝設備具有4軸的機械控制半導體加工和測試設備其它步進/伺服電機控制應用圖4-3DMC1000運動控制卡系統(tǒng)框圖4.5.6電機控制指標:控制軸數(shù)：4軸，最多可支持12塊控制卡同時工作（注：由于軟硬件區(qū)別，DMC1000和DMC1000B兩種卡不能同時在同一系統(tǒng)中使用）；控制模式：位置控制、速度控制2種模式；脈沖輸出模式：單脈沖（脈沖+方向）或雙脈沖（CW+CCW）；最大脈沖輸出頻率：DMC1000B：1.2MHz，DMC1000：400KHz，可梯形速度曲線或S形速度曲線控制；位置脈沖設置范圍：0～16,777,215個脈沖(24位)；4.5.7信號控制指標:通用I/O信號接口：DMC1000B：59路，DMC1000：28路。通用輸入信號接口：DMC1000B32路，其中16路光電隔離；DMC1000：16路，全部光電隔離；通用輸出信號接口：DMC1000B：27路，其中12路光電隔離；DMC1000：12路，全部光電隔離；專用IO信號接口：20路，包括正負限位信號±EL、原點信號ORG以及正負減速信號±SD，全部光電隔離；通用數(shù)字輸出口最大驅(qū)動電流：45mA，最大承受電壓：35VDC；光電隔離耐壓：2500VRMS；4.5.8通用指標：工作溫度：0℃～50℃；工作濕度：5～85%，非結(jié)露；貯存溫度：-20℃～80℃；電源：內(nèi)部芯片電源(由PCI總線提供)：+5VDC±5%，最大900mA；外部接口電源(需用戶提供)：+24VDC±5%，最大500mA；DMC1000∕DMC1000B運動控制卡硬件方面提供了多種運動控制功能，同時提供了4軸的脈沖和方向控制信號、機械位置控制信號、以及同時啟停信號和通用輸入輸出信號接口?？刂瓶娫垂┙o:DMC1000∕DMC1000B運動控制卡內(nèi)部IC電源由PC機的PCI總線提供（+5VDC），外部接口需用戶提供+24VDC電源。接線示意圖圖4-4外部接口接線示意圖4.5.9脈沖和方向控制：DMC1000∕DMC1000B運動控制卡可以輸出兩類脈沖信號：一種為脈沖+方向形式（單脈沖）；一種為正脈沖+負脈沖（雙脈沖）形式單脈沖模式輸出信號如圖圖4-5單脈沖模式雙脈沖模式輸出信號如圖圖4-6雙脈沖模式4.5.10控制模式:雷賽（Leadtech）DMC1000∕DMC1000B運動控制卡為用戶提供了豐富的運動控制功能，其中包括：位置控制、梯形或S型速度控制、軟件直線插補運動控制等功能。(1)位置控制最基本的位置控制是指從當前位置運動到另一個位置，一般稱為點位運動或定長運動。設置加∕減速度以及起始速度和最大速度等參數(shù)后執(zhí)行位移控制指令，上位機將要執(zhí)行的指令脈沖數(shù)寫入DMC1000∕DMC1000B運動控制卡，DMC1000∕DMC1000B卡即按設定的速度輸出脈沖，當輸出脈沖數(shù)等于指令脈沖數(shù)時，DMC1000∕DMC1000B卡將停止輸出脈沖。位移與時間的關系如圖4-7所示：圖4-7位移-時間曲線(2)速度控制速度控制是指電機從起始速度開始運行，加速至指定速度連續(xù)運動。只有當接收到停止命令或外部停止信號后，才減速直至停止（也可設為立即停止）。其速度與時間的關系如圖4-8所示。圖4-8速度控制曲線DMC1000∕DMC1000B運動控制卡為用戶提供了梯形、S型速度控制模式。A）梯形曲線速度控制梯形速度曲線控制指令是使DMC1000∕DMC1000B卡按梯形速度曲線輸出指令脈沖。即：電機從起始速度開始運動，加速至最大速度后保持速度不變，臨結(jié)束前減速至起始速度，并停止。梯形速度曲線如圖4-9所示。圖4-9梯形速度曲線及其加速度曲線B）S形曲線速度控制梯形速度曲線雖然實現(xiàn)起來簡單，但它的加速度有突變，速度曲線不平滑，因而運動中有沖擊現(xiàn)象，容易引起機器噪聲和傳動機構(gòu)的磨損。在梯形速度曲線上（參見圖4-9），運動的不平滑主要表現(xiàn)在四個瞬間的速度轉(zhuǎn)折及相對應的加速度突變，這四個瞬間分別是：起始時、升至最高速度時、從最高速度下降時和最后停止時。圖4-10S形速度曲線及其加速度曲線若將加速度改為線性變化，則速度曲線相應將變得光滑，如圖4-10所示。升速和減速階段均變得像S的形狀。采用此種速度曲線，運動更平穩(wěn)，且有助于縮短加速過程、降低運動裝置的振動和噪聲，同時還可以延長機械傳動部分的壽命。圖4-11S形速度曲線(3)插補運動插補即根據(jù)給定的數(shù)學函數(shù)，在理想的軌跡式輪廓上的已知點之間，確定一些中間點的一種方法。插補方式有：直線插補、圓弧插補、拋物線插補、樣條線插補等。DMC1000∕DMC1000B卡具有軟件直線插補功能，可以選擇任意的二軸至四軸進行直線插補。4.5.11運動控制平臺位置傳感器及控制信號布局：雷賽（Leadtech）DMC1000∕DMC1000B運動控制卡每軸都配有2個限位信號、2個減速信號和1個原點信號輸入接口。每路信號都進行了光電隔離，以減少外界對控制卡內(nèi)部的干擾，保證運動控制的可靠性。圖4-12為一般運動平臺位置傳感器及控制信號的布置圖。圖4-12一般運動平臺位置傳感器及控制信號的布置圖

第五章伺服驅(qū)動系統(tǒng)圖5-1噴繪機原理框圖5.1熔斷器:熔斷器是根據(jù)電流超過規(guī)定值一定時間后，以其自身產(chǎn)生的熱量使熔體熔化，從而使電路斷開的原理制成的一種電流保護器。熔斷器作為短路和過流保護是應用最普遍的保護器件之一，廣泛應用于低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)及用電設備中。熔斷器是一種過電流保護電器。熔斷器主要由熔體和熔管兩個部分及外加填料等組成。使用時，將熔斷器串聯(lián)于被保護電路中，當被保護電路的電流超過規(guī)定值，并經(jīng)過一定時間后，由熔體自身產(chǎn)生的熱量熔斷熔體，使電路斷開，起到保護的作用。5.2編碼器：編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。前者成為碼盤，后者稱碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。5.2.1工作原理：由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦波信號組合成A、B、C、D,每個正弦波相差90度相位差（相對于一個周波為360度），將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號；另每轉(zhuǎn)輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。編碼器碼盤的材料有玻璃、金屬、塑料，玻璃碼盤是在玻璃上沉積很薄的刻線，其熱穩(wěn)定性好，精度高，金屬碼盤直接以通和不通刻線，不易碎，但由于金屬有一定的厚度，精度就有限制，其熱穩(wěn)定性就要比玻璃的差一個數(shù)量級，塑料碼盤是經(jīng)濟型的，其成本低，但精度、熱穩(wěn)定性、壽命均要差一些。分辨率—編碼器以每旋轉(zhuǎn)360度提供多少的通或暗刻線稱為分辨率，也稱解析分度、或直接稱多少線，一般在每轉(zhuǎn)分度5~10000線。5.2.2信號輸出：信號輸出有正弦波（電流或電壓），方波(TTL、HTL)，集電極開路(PNP、NPN)，推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動（對稱A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設備接口應與編碼器對應。信號連接—編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、PLC、計算機,PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關頻率有低有高。如單相聯(lián)接，用于單方向計數(shù)，單方向測速。A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測速。A、B、Z三相聯(lián)接，用于帶參考位修正的位置測量。A、A-,B、B-,Z、Z-連接，由于帶有對稱負信號的連接，電流對于電纜貢獻的電磁場為0,衰減最小，抗干擾最佳，可傳輸較遠的距離。對于TTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達150米。對于HTL的帶有對稱負信號輸出的編碼器，信號傳輸距離可達300米。5.3伺服驅(qū)動器：伺服驅(qū)動器又稱為“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用來控制伺服電機的一種控制器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，屬于伺服系統(tǒng)的一部分，主要應用于高精度的定位系統(tǒng)。一般是通過位置、速度和力矩三種方式對伺服馬達進行控制，實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位。5.3.1工作原理：采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心,可以實現(xiàn)比較復雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化。率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設計的驅(qū)動電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路,同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。驅(qū)動器是一個驅(qū)動放大元件，只是把上位機（如運動控制卡）發(fā)來的一些信號進行放大，以致使電機可以運轉(zhuǎn)起來5.3.2伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)：圖5-2伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)圖伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)主要包括控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)控制系統(tǒng)一般由DSP組成，利用它采集電流反饋值閉合電流環(huán)，采集編碼器信號算出速度閉合速度環(huán)，產(chǎn)生驅(qū)動驅(qū)動系統(tǒng)的6個開關管的Pwm開關信號。驅(qū)動系統(tǒng)主要由a.整流濾波電路，比如將220V交流弄成310V左右直流提供給IPMb.智能功率模塊（IPM）內(nèi)部是三相兩電平橋電路。每相的上下開關管中間接輸出U，V，W。通過6個開關管的開閉，控制UVW三相每個伺服瞬間，是與地連通還是與直流高電壓連通。c.電流采樣電路，可能是霍爾電流傳感器，電路的輸出將與控制系統(tǒng)的AD口相連。d.編碼器的驅(qū)動器的輸入信號是開關信號，來自操作板的、編碼器的。輸出信號是數(shù)字脈沖給電機的路，它的輸出與DSP的事件管理器相連。5.3.3伺服驅(qū)動器控制電路結(jié)構(gòu)：DSP是整個系統(tǒng)的核心，主要完成實時性要求較高的任務，如矢量控制、電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制以及PWM信號發(fā)生、各種故障保護處理等。MCU完成實時性要求比較低的管理任務，如參數(shù)設定、按鍵處理、狀態(tài)顯示、串行通訊等。FPGA實現(xiàn)DSP與MCU之間的數(shù)據(jù)交換、外部I/O信號處理、內(nèi)部I/O信號處理、位置脈沖指令處理、第二編碼器計數(shù)等。功率電路采用模塊式設計，三相全橋整流部分和交-直-交電壓源型逆變器通過公共直流母線連接。三相全橋整流部分由電源模塊來實現(xiàn)，為避免上電時出現(xiàn)過大的瞬時電流以及電機制動時產(chǎn)生很高的泵升電壓，設有軟啟動電路和能耗泄放電路。逆變器采用智能功率模塊來實現(xiàn)。5.3.4主回路接線：圖5-3主回路接線圖5.3.5伺服進給系統(tǒng)的要求：1、調(diào)速范圍寬2、定位精度高3、有足夠的傳動剛性和高的速度穩(wěn)定性4、快速響應，無超調(diào)為了保證生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快，因為數(shù)控系統(tǒng)在啟動、制動時，要求加、減加速度足夠大，縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。5、低速大轉(zhuǎn)矩，過載能力強一般來說，伺服驅(qū)動器具有數(shù)分鐘甚至半小時內(nèi)1.5倍以上的過載能力，在短時間內(nèi)可以過載4～6倍而不損壞。6、可靠性高要求數(shù)控機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應能力和很強的抗干擾的能力。對電機的要求1、從最低速到最高速電機都能平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。2、電機應具有大的較長時間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4～6倍而不損壞。3、為了滿足快速響應的要求，電機應有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。4、電機應能承受頻繁啟、制動和反轉(zhuǎn)。5.3.6伺服驅(qū)動器的作用：只根據(jù)電機的驅(qū)動電路，并不能決定直流電機和交流電機的位置。另外，雖然電機的機理上具備了速度控制性，但是因為負載和摩擦，旋轉(zhuǎn)速度會隨之變化。伺服控制器的作用是，即便在負載變動和摩擦變動的系統(tǒng)中，也能使電機運轉(zhuǎn)在目標位置或者目標旋轉(zhuǎn)速度上。5.3.7伺服驅(qū)動器控制方式：一般伺服都有三種控制方式：位置控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，速度控制方式。位置控制：位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應用于定位裝置。應用領域如數(shù)控機床、印刷機械等等。轉(zhuǎn)矩控制：轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小，具體表現(xiàn)為例如10V對應5Nm的話，當外部模擬量設定為5V時電機軸輸出為2.5Nm:如果電機軸負載低于2.5Nm時電機正轉(zhuǎn)，外部負載等于2.5Nm時電機不轉(zhuǎn)，大于2.5Nm時電機反轉(zhuǎn)（通常在有重力負載情況下產(chǎn)生）?？梢酝ㄟ^即時的改變模擬量的設定來改變設定的力矩大小，也可通過通訊方式改變對應的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。應用主要在對材質(zhì)的受力有嚴格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如饒線裝置或拉光纖設備，轉(zhuǎn)矩的設定要根據(jù)纏繞的半徑的變化隨時更改以確保材質(zhì)的受力不會隨著纏繞半徑的變化而改變。速度模式：通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。位置模式也支持直接負載外環(huán)檢測位置信號，此時的電機軸端的編碼器只檢測電機轉(zhuǎn)速，位置信號就由直接的最終負載端的檢測裝置來提供了，這樣的優(yōu)點在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加了整個系統(tǒng)的定位精度。三環(huán)控制：伺服一般為三個環(huán)控制，所謂三環(huán)就是3個閉環(huán)負反饋PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。最內(nèi)的PID環(huán)就是電流環(huán)，此環(huán)完全在伺服驅(qū)動器內(nèi)部進行，通過霍爾裝置檢測驅(qū)動器給電機的各相的輸出電流，負反饋給電流的設定進行PID調(diào)節(jié)，從而達到輸出電流盡量接近等于設定電流，電流環(huán)就是控制電機轉(zhuǎn)矩的，所以在轉(zhuǎn)矩模式下驅(qū)動器的運算最小，動態(tài)響應最快。第2環(huán)是速度環(huán)，通過檢測的電機編碼器的信號來進行負反饋PID調(diào)節(jié)，它的環(huán)內(nèi)PID輸出直接就是電流環(huán)的設定，所以速度環(huán)控制時就包含了速度環(huán)和電流環(huán)，換句話說任何模式都必須使用電流環(huán)，電流環(huán)是控制的根本，在速度和位置控制的同時系統(tǒng)實際也在進行電流（轉(zhuǎn)矩）的控制以達到對速度和位置的相應控制。第3環(huán)是位置環(huán)，它是最外環(huán)，可以在驅(qū)動器和電機編碼器間構(gòu)建也可以在外部控制器和電機編碼器或最終負載間構(gòu)建，要根據(jù)實際情況來定。由于位置控制環(huán)內(nèi)部輸出就是速度環(huán)的設定，位置控制模式下系統(tǒng)進行了所有3個環(huán)的運算，此時的系統(tǒng)運算量最大，動態(tài)響應速度也最慢。5.4元件選擇5.4.1運動控制卡運動控制卡通常是選用專業(yè)的運動操控芯片或高速DSP來滿意一系列運動操控需求的操控單元，其可通過PCI、PC104等總線接口安裝到PC和工業(yè)PC上，