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1、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
2、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
3、。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；接口设计目 录摘 要1前言31数控车床系统原理结构框图41.1 数控系统各个组成部分的功能41.2 数控系统各个组成部分的接口特性51.3数控系统电
4、气原理图62.计算机控制电路的设计62.1伺服驱动器的电路分析62.1.1光电耦合电路62.1.2光电耦合电路的工作原理72.1.3伺服驱动器的接线端72.2位置指令输出信号的控制电路的设计82.2.1位置指令输出信号控制机的接线端82.2.1差分驱动器82.3计算机与伺服驱动器的连接92.3.1计算机与伺服驱动器的连接方法93.控制信号及反馈信号的分析93.1计算机数控装置控制信号的输出及反馈信号的输入93.2伺服驱动器的控制信号103.3光电编码器角位移信号11结 论13参 考 文 献14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（
5、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
6、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
7、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
8、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10kHz30MHz 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
9、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
10、”，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
11、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
12、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15K。 （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
13、求：DC15V24V， 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
14、、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
