数控机床的伺服驱动系统设计

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第一章 绪论

1-1选题背景与意义

数控技术也叫计算机数控技术（CNC，Compute Numerical Control），目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。

数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高低关系到国家战略地位和体现国家综合国力的水平，数控技术的广泛应用给传统的制造业的生产方式，产品结构带来了深刻的变化。也给传统的机械，机电专业的人才带来新的机遇和挑战。我国经济全面与国际接轨，并逐步成为全球制造中心，我国企业广泛应用现代化数控技术参与国际竞争。数控技术是制造实现自动化，集成化的基础，是提高产品质量，提高劳动生产率不可少的物资手段。

数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。

在数控机床中，伺服系统是数控机床里的一个非常重的部分，对于它的控制的好坏一定程度上反应一个机床的控制柔性的程度。步进电机驱动系统控制数控车床进给运动，为车床主轴提供驱动功率以及所需的切削力。目前在数控车床开环系统中，进给驱动常使用伺服步进电机，由于直流伺服电动机存在着一些的固有的缺点（比如，有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格较贵。 ），使其应用环境受到限制。交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量比直流电动机小，使得动态响应好。另外在同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高10％～70％；其容量也可以比直流电动机造得大，达到更高的电压和转速。因此，交流伺服系统得到了迅速发展，已经形成潮流。从20世纪80年代后期开始，大量使用交流伺服系统，目前，已基本取代了直流电动机，直流电动机已逐渐被淘汰，在数控机床的主轴驱动中，均采用笼型异步电动机。为了获得良好的主轴特性，主轴驱动系统中采用矢量变频控制的交流主轴电动机，矢量控制分无速度传感器和有速度传感器两种方式，后者具有更高的速度控制精度，在数控车床中无速度传感器的矢量变频器已符合控制要求，而在进给驱动系统中一般都采用永磁同步电机，1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的调制技术应用

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于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。

[1]

1-2 数控机床对伺服系统的要求

伺服系统是数控机床中及其重要的一部分，伺服系统的性能直接影响到机床的加工精度，面对国内外伺服系统的发展趋势对伺服驱动系统有下几点基本要求。

1）精度高。 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。

为了保证数控机床的加工精度，除了要求数控系统精度和机床机械精度有足够高以外，还要求具有足够高的伺服系统定位精度和进给跟踪精度，并且还起着主要作用。一般要求定位精度为0.01-0.001m；而高档设备的定位精度还应在0-1μm以内。

2）稳定性好。 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。

要求伺服系统有较高的可靠性、稳定性，并且受电源、环境、负载等的影响要小。还要具有足够的传动刚性和速度稳定性。也就是说伺服系统在负载或切削条件发生变化时，应使进给速度保持恒定。刚性良好的系统，负载力矩的变化对进给速度的影响很小。

3）快速响应。 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，要求伺服系统除了要有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，也就是要求伺服电动机起、停的升降速过程要短，要有较高的加速度。电动机转速从0升至1500r/min的时间控制在0-2s以内。

4）调速范围宽。 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之

比。0～24m / min[2]。

为适应不同的加工条件，例如加工零件的材料、尺寸、部位以及刀具的种类和冷却方式等不同，数控机床的进给速度需要在很宽的范围内无级变化。这就要求伺服电机要有很宽的调速范围和优异的调速特性。一般数控机床进给伺服系统的调速范围都在0～30m/min，高的可达240 m/min。

5）低速大转矩。 由于机床在低速切削时，切深和进给都比较大，也就是说吃刀抗

力较大，这就要求主轴电动机输出的转矩也应该较大。现代数控机床的伺服电动机通常都是与丝杠直接相连，中间没有减速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的转矩。

进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴

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坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。

除上面的一般要求之外，还具有下面的控制功能：

1)准停控制 为了自动换刀，要求主轴能进行高精度的准确位置停止。 2)角度分析控制 分度有两种：一是固定的等分角位置控制。二是连续的任意角度控制。（作特殊加工时，主轴坐标有了进给坐标的功能，称为“C”轴控制。） 为了满足对伺服系统的要求，对伺服系统的执行元件——伺服电机也相应提出高精度、快反映、宽调速和大转矩的要求，一般具备小惯量大转矩的具体特征 。最低进给速度到最高进给速度范围都能稳定运行平滑过度。进给电机应具有大的较长时间的过载能力，一般能过载4-5倍左右，持续时间达10分钟以上，转动惯量要小，满足快速响应的要求，一般进给伺服电机做成细长，高档进给具备400rad/s2以上的加速度，保证电机在0.2s以内从静止起动到1500rad/min。电机应能承受频繁的起动制动和反转，20次/min以上。

1-3 数控机床伺服驱动系统设计的总体方案

数控机床（CNC machinery）集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品, 具有模块化特点。因此数控机床在控制设计上具有很大的灵活与实际应用性。本文设计的根据现代化发展的趋势，通过各类伺服驱动系统的介绍，进而用步进电机的伺服驱动系统与交流伺服驱动系统进行多反面比较，无论从起结构方式，应用范围，得出交流伺服驱动系统的优越性，进而对交流伺服系统的典型系统（永磁同步伺服系统）进行基于DSP的永磁同步伺服系统设计。

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第二章 伺服驱动系统的基本组成和工作原理

2-1伺服驱动系统的基本结构

伺服系统是数控机床的重要组成部分。伺服系统位于数控机床数控系统与机床主体之间，伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节。数控装置发出的控制信息，通过伺服驱动系统转换成坐标轴的运动，完成程序所规定的操作。伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统或伺服单元。伺服系统的主要功能就是从数控系统接收微小的电控信号（5V左右，mA级），放大成强电的驱动信号（几十、上百伏、安培级），用以驱动伺服系统的执行元件——伺服电动机，将电控信号的变化，转换成电动机输出轴的角位移或角速度的变化，从而带动机床主体部件（如工作台、主轴或刀具进给等）运动，实现对机床主体运动的速度控制和位置控制,达到加工出工件的外形和尺寸的最终目标。其

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基本组成如图2-1所示。

图2-1伺服系统的基本组成

2-2 数控机床的伺服系统的组成

数控机床伺服驱动系统由驱动信号控制转换电路，电子电力驱动放大模块，速度调节单元，电流调节单元，检测装置。

一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。速度控制单元：用来控制电机转速，是速度控制系统的核心。速度检测装置：测速发电机、脉冲编码器等。速度环控制在进给驱动装置内完成，位置环由数控装置来完成。特点：外部看：以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。从内部的

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实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移的。 2-3数控伺服系统的分类

数控机床伺服系统种类繁多，按照不同参照可分如下几类 1）按控制原理和有无位置反馈装置分：开环和闭环伺服系统； 2）按用途和功能分：进给驱动和主轴驱动系统；

3）按驱动执行元件的动作原理分：电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。 开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。

这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床，如图2-2所示。

图 2-2 开环伺服系统

半闭环数控系统。半闭环数控系统的位置采样点如图2-3所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。

由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。

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半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到

了广泛应用。

图2-3 半闭环伺服系统

全闭环数控系统。全闭环数控系统的位置采样点如图2-4的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。

从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。

该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等[4]。

图 2-4 全闭环伺服系

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第三章 伺服驱动系统方案的选择

伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用的驱动元件—伺服电机：

1）直流伺服电机（调速性能良好） 2）交流伺服电机（主要使用的电机） 3）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）

4）直线电机（高速、高精度）

电机控制系统按照驱动电机的类型主要分为直流传动系统和交流传动系统以及步进电机伺服驱动系统。在70年代直流伺服电机己经实用化了，在各类机电一体化产品中，大量使用着各种结构的直流伺服电动机。传统直流电动机采用的是机械式换向且存在电刷，使其在应用过程中面临着以下一些难以克服的缺点: 1）维护工作量大、维护成本高；

2) 使用寿命短、可靠性低；

3) 结构复杂、体积大、转动惯量大、响应速度慢；

4) 易对其它设备产生干扰、现场环境适应能力差；

从而极大地限制了其在高精度、高性能要求的伺服驱动场合的应用。而交流传动系统的执行机构一般采用感应电机和同步电机。感应电动机，特别是鼠笼型异步电动机一直是传统驱动系统的执行元件，其结构简单、价格便宜、效率较高，但存在着散热和参数容易波动等问题。感应式异步伺服电动机制造容易、价格低，不需要特殊维护。但控制上采用矢量变换控制，因而系统比较复杂。转子电阻随温度变化而影响磁场定向的准确性。同时，低速运行时发热比较严重，而低速运行又往往是机床进给机构经常所处的运行状态。 这种类型的交流伺服系统容易进行弱磁控制， 实现高速运行，这是一个显著的特点。在交流伺服系统的发展初期，感应式异步电动机交流伺服系统曾一度得到发展和应用，但由于存在上述一些问题，这种系统在机床的进给机构驱动中并未得到普遍的应用。 与感应电机相比，由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转矩电流比高、转动惯量低、易于散热及维护保养等优点特别是随着永磁材料价格的下降、

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材料磁性能的提高，以及新型永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中以永磁同步电机作为执行机构是越来越多，其应用领域逐步推广，尤其在航空、航大、数控机床、加工中心、机器人等场合已获得广泛的应用。而步进电机的伺服系统随着新材料、新技术的发展及电子技术和计算机的应用, 步进电动机及驱动器的研制和发展进入了新阶段。步进电机除了结构简单、使用维护方便、工作可靠, 在精度高等特点。还有下列优点:步距值不受各种干扰因素的影响。转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率。转子运动的总位移量则取决于总的脉冲信号数。 误差不积累。步进电动机每走一步所转过的角度与理论步距值之间总有一定的误差, 走任意步数以后, 也总有一定的误差。但每转一圈的累积误差为零, 所以步距的误差不积累。控制性能好。起动、转向及其他任何运行方式的改变, 都在少数脉冲内完成。在一定的频率范围内运行时, 任何运行方式都不会丢一步的。 由于步进电动机有上述特点和优点而广泛应用在机械、治金、电力、纺织、电信、电子、仪表、化工、轻工、办公自动化设备、医疗、印刷以及航空航天、船舶、兵器、核工业等国防工业等领域。

综上所述，步进电机的伺服驱动系统和交流伺服驱动系统都在各个领域有着很强大的占有空间，面对市场的需求以及伺服系统的发展，步进电机和交流伺服电机有着个字的特点，但哪种伺服系统能够更优越的应用在数控机床中。下面通过两种驱动系统的比较来进行伺服驱动系统的选择。

3-1步进电机工作原理

步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械角位移的电磁机械装置。由于所用的电源是脉冲电源，所以又称为脉冲马达。步进电机用于与控制脉冲组成的开环系统中。

步进电机是一种特殊的电动机，一般电动机通电后连续旋转，但步进电动机却是跟随输入脉冲按节拍一步一步地转动。

步进电动机的转动，是由电动机绕组的脉冲电流控制的，也就是说由指令脉冲决定的。

指令脉冲数决定它的转动步数，即角位移的大小，对步进电动机施加一个电脉冲信号时，步进电动机就旋转一个固定的角度，称为一步，每一步所转过的角度称为步距角；指令脉冲频率决定它的转动速度。只要改变指令脉冲频率，就可以使步进电动机的旋转

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速度在很宽的范围内连续调节。改变绕组的通电顺序，就可以改变它的旋转方向。在无脉冲输入时，在绕组电源激励下，气隙磁场能使转子保持原有位置而处于定位状态。

目前，我国使用的步进电机多为反应式步进电机。通常步进电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

反应式步进电机在定子的每个磁极上面向转子的部分，均匀分布着 5个小

齿，齿槽等宽，齿间夹角为9度。 转子上没有绕组，只有均匀分布的40个齿，其大小和间距与定子上的完全相同，并与之相差1/3齿距。如图3-1所示。

步进电机的工作原理实际上是电磁

铁的作用原理。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进

驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。现以三相反应式步进电动机图示3-2为例说明。

当A相通电时，电动机铁芯AA方向产一磁通，在磁拉力作用下，转子1、3齿与A相磁极对齐。2、4两齿与B、C两磁极相对错开30°。

当B相通电时，电动机铁芯BB方向产生磁通，在磁拉力作用下，转子沿逆时针方向旋转30°，转子2、4齿与B相磁极对齐1、3两齿与A、C两磁极相对错开30°。

当C相通电时，电动机铁芯CC方向产生磁通，在磁拉力作用下，转子没逆时针方

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向旋转，转子1、3齿与C相磁极对齐。2、4两齿与A、B两磁极相对错开30°。

电示意图

图3-2 步进电机的通

若按A-B-C-A通电相序连续通电，则步进电机就连续地沿逆时针方向旋转，每换接一次通电相序，步进电机沿逆时针方向转过30°，即步距角为30°。反之则为顺时针方向旋转。

若通电脉冲的次序为A、 B、 C、A?，则不难推出，转子将以顺时针方向一步步地旋转。这样，用不同的脉冲通入次序方式就可以实观对步进电动机的控制。

脉冲的数量控制电机的转角；脉冲的频率控制机的转速；脉冲的通入次序控制电机的方向。定子绕组每改变一次通电方式，称为一拍。上述的通电方式称为三相单三拍。所谓“单”是指每次只有一相绕组通电；所谓“三拍”是指经过三次切换控制绕组的通电状态为一个循环。若通电脉冲次序为AB、BC、CA、AB?，每次两相同时通电，此为三相双三拍，若按A、AB、B、BC、C、AB?此方式为三相六拍。

步进电机的主要特性。步进机通过一个电脉冲转子转过的角度,称为步距角，符号

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α，步进电机输出的角位移量α与输入的指令脉冲数Ｋ成正比，在时间上与输入的脉冲同步；而步进电机的转速ｎ与指令脉冲频率ｆ成正比。

在步进电机负载能力允许的情况下，这种线性关系不会因为负载的变化等因素而变化，所以可以在较宽的范围内，通过对指令脉冲频率和数量的控制，实现对机床运动速度和位置的控制。步进电机的步距角是反映步进电机定子绕组的通电状态每改变一次，转子转过的角度。它取决于电机结构和控制方式。步距角α可由下式计算：

a=360°ZN式中：Z是转子的齿数；N一个周期的运行拍数。若步进电动机通电的脉冲频率为f，则步进电动机的转速ns公式为：

ns?60f10 ?r/min?ZN

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式中：Z是转子的齿数；N一个周期的运行拍数。

步进电动机具有自身的特点，归纳起来有： 1）可以用数字信号直接进行开环控制，整个系统造价低； 2）位移与输入脉冲信号树相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求高精度时组成闭环控制系统；3）无刷，电动机本体部件少，可靠性高；4）易于起动，停止，正反转及变转；5）停止时，可以通电自锁；6）速度可在相当宽的范围内平滑调节，同时用一台控制器控制几步电动机，可使它们完全同步运行；7）步进电动机带惯性负载能力差；8）由于存在失步和低频共振，因此步进电动机的加减方法根据利应用状态的不同而复杂化。

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3-2 步进电动机驱动控制器的构成

1．工作台位移量的控制

进给脉冲数N→定子绕组通电状态变化次数N→步进电机转子的转角→工作台位移量L。

2．工作台进给速度的控制

进给脉冲的频率f→定子绕组通电状态的变化频率f→步进电机转子的转速→工作台进给速度v。

3．工作台运动方向的控制

步进电机定子绕组的通电顺序→步进电机正转或反转→工作台的进给方向步进电机的驱动控制线路。

伺服驱动系统对驱动电源的基本要求：驱动电源的相数、通电方式和电压、电流都满足步进电动机的需要；要满足步进电动机的起动频率和运行频率的要求；能最大限度地抑制步进电动机的振荡；工作可靠，抗干扰能力强；成本低、效率高、安装和维护方便。其驱动控制如图3-3所示。

电机驱动控制方框图

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图3-3 步进

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CNC装置发出脉冲指令，经过脉冲电路至加减脉冲分配电路，再到环形分配器，经功率放大器驱动伺服电机运转。

脉冲混合电路的作用。无论是来自于数控系统的插补信号，还是各种类型的误差补偿信号，手动进给信号、手动回原点信号，它的目的无非是使工作台做正向进给运动或者是负向进给运动，通过混合脉冲电路可以将上述各类型号混合为使工作台正向进给的“正向进给”信号或者是使工作台做负向运动的“负向进给”信号。

加减脉冲分配电路。当数控机床正在沿着正向进给的脉冲信号做正向进给运动时，由于各种补偿信号的存在，可能会出现极个别的负向脉冲信号，同样，当数控机床正在沿着负向向进给的脉冲信号做负向向进给运动时，由于各种补偿信号的存在，可能会出现极个别的正向脉冲信号。在实际的机床进给控制中，这些与某个进给方向相反的个别脉冲的出现，意味着步进电机正在沿着一个方向旋转时，在反向的方向旋转极个别几个步距角。根据步进电机的工作原理，要做到这一点（即电机正在沿着某个方向旋转时，在向相反的方向旋转极个别步距角），必须首先是步进电机从该旋转方向静止下来，然后才能向相反的方向旋转，待旋转极个别几个步距角后，再恢复至原来的方向继续旋转进给。这从机械加工工艺方面来看是不允许的，即使允许，控制线路也相当复杂。一般采用的方法是，通过加减脉冲分配电路从该进给方向的进给脉冲指令抵消相同数量的相反方向补充脉冲。

加减速电路也称自动升降速电路。根据步进电机加减速特性，进入步进电机定子绕组的电平信号的频率变化要平滑。而且应有一定的时间常数。但由加减脉冲分配电路来的进给脉冲频率的变化是有跃变的。

为了保证步进电机能够正常、可靠地工作，上述跃变频率必须首先进行缓冲，使之变成符合进电机加减速特性的脉冲频率，然后再送入步进电机的定子绕组。加减速电路就是为此而设置的。经过该电路后，输出脉冲的个数与输入的进给脉冲的个数相等，以保证电机不会丢步。

环形分配器。作用：把来自于加减速电路的一系列进给脉冲指令，转换成控制步进电机定子绕组通,断电的电平信号，电平信号状态的改变此术及顺序与进给脉冲的个数及方向对应，环形分配器可以由硬件逻辑线路构成，也可以用软件来实现。

功率放大器。从环形分配器来的进给控制信号的电流只有几毫安，而步进电机的定子绕组需要几安倍电流。因此，需要对从环形分配器来的信号进行功率放大，已提供幅

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值足够，前后沿较好的励磁电流。

3-3 环形分配器

步进电机的转动是靠不停地改变各相绕组的通电顺序实现的，若想让某相绕组通电，就要给某相绕组提供一组序列脉冲，因此步进电机有几相，就要为其提供几个脉冲序列。步进电机需要的脉冲序列来自插补器，但对于某个单轴坐标，插补器只能按照一定线型，提供一个单序列脉冲。因此，在插补器到步进电机之间必须有个能将插补器的单序列脉冲转换为步进电机需要的多序列脉冲的装置，这就是环行分配器。环形分配器的功能是把来自CNC的脉冲信号按一定的规律分配给各相功率放大器，来驱动相应的励磁绕组，进而实现步进电动机按规定的方式进行工作。硬件环形分配驱动与数控装置的连接硬件环型分配器可由D触发器或JK触发器构成，亦可用专用集成芯片或通用可编程逻辑器件。硬件环行分配器的基本构成是触发器。因为步进电机有几相就需要几个序列脉冲，所以步进电机有几相，就要设置几个触发器。每个触发器发出的脉冲就是一个序列脉冲，用来控制步进电机某相定子绕组的通、断电。触发器工作的同步信号就是来自插补器的某个坐标轴的位移驱动信号Δx或Δy。

CH250是国产三相反应式步进电机环形分配器专用集成电路芯片，通过控制端的不同接法可组成三相双三拍和三相六拍的工作方式。图3-4（a）为CH250引脚图。 图3-4（b）为三相六拍接线图。其工作状态表如表3-1。

（a） （b） 图 3-4 CH250管脚图及三相六拍接线图

J3r、J3L两端子是三相双三拍的控制端，J6r、J6L是三相六拍的控制端三相双三拍

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工作时， 若J3r＝“1”， 而J3L＝“0”， 则电机正转； 若J＝“0”， J3L＝“1”， 则电机反转； 三相六拍供电时， 若J6r＝“1”， J6L＝“0”， 则电机正转； 若J6r＝“0”， J6L＝“1”，电机反转。R*是双三拍的复位端，R是六拍的复位端，使用时，首先将其对应复位端接入高电平，使其进入工作状态，然后换接到工作位置。CL端是时钟脉冲输入端，EN是时钟脉冲允许端，用以控制时钟脉冲的允许与否。当脉冲CP由CL端 输入，只有EN端为高电平时，时钟脉冲的上升沿才起作用。CH250也允许以EN端作脉冲CP的输入端，此时，只有CL为低电平时，时钟脉冲的下降才起作用。A、B、C 为环形分配器的三个输出端，经过脉冲放大器（功率放大器）后分别接到步进电动机的三相线上。CH250环形脉冲分配器的功能关系如表3-1所列。

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表3-1 CH250工作状态表

R 0 R* CL ↑ ↑ ↑ ↑ 0 0 0 0 ↓ × 0 1 EN 1 1 1 1 ↓ ↓ ↓ ↓ 1 0 J3r 1 0 0 0 1 0 0 0 J3L 0 1 0 0 0 1 0 0 J6r 0 0 1 0 0 0 1 0 J6L 0 功能 双三拍 正转 反转 六拍（1~2相） 正转 反转 双三拍 正转 反转 六拍（1~2相） 正转 反转 不变 0 0 0 1 0 0 0 1 × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × ↑ × × × 1 0

0 1 × × A=1、B=1、C=0 A=1、B=0、C=0 3-4 步进电机伺服系统的功率驱动

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功率放大器又叫功率驱动器，由于脉冲分配器输出端A、B、C的输出电流很小，如CH250脉冲分配器的输出电流大约为200-400μA，而步进电动机的驱动电流较大，如75BF001型步进电动机每相静态电流为3A，为了满足驱动要求，脉冲分配器输出的脉冲需经脉冲放大器（即功率放大器）后才能驱动步进电机，功率放大电路对步进电机的性能影响很大，驱动电路的核心问题是如何提高步进电机的快速性和稳定性。在实际的控制过程当中，环形分配器的输出信号很小，而步进电动机的绕组电流又很大。

所以需要进行功率放大。过去采用单电压驱动电路，后来采用高低压驱动电路，现在则比较多的采用了恒流斩波、调频调压和细分驱动电路等形式的驱动电路。

步进电机驱动方案的比较。 1）单电压功率放大电路

图 3-5 单电压功率放大电路

图3-5为单电压功率放大器，图中A、B、C分别为步进电机的 ，每项3一组放大器驱动。放大器输入端与环形分配器相连，在没有信号输入时，3D4K和3DD15功率放大器均截止，绕组无电流通过，当A相通电时，步进电机转动一步。当脉冲3加到A，B、C三个输入端时，三组放大器分别驱动不同绕组，使电机运转。电路中与绕组并联的二极管VD分别起续流作用，即下功放管截止时，使储存在绕组中的能量通过二极管行程续流回路泄放，从而保护功放管。其特点：电路结构简单，但串联R2消耗能量降低放大功率；电感较大使电路对脉冲反应较慢,输出波形差。主要用于转速要求不高的小型步进电机控制。

2) 高低电压功率放大电路

这种驱动电路供给步进电动机绕组的电压有两种：一种是低电压U2，一般为12V

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或24V；另一种是高电压U1，电压为80V以上。如图3-6（a）。在相序输入信号时，VT1、VT2、VT4同时导通，在VT2从截止到饱和期间，其集成电极电流，也就是脉冲变压TI的一次电流急剧增加，在变压器二次侧感生成一个电压，使VT3导通，80V的高压经高压管VT3加到绕组W上，使电流迅速上升，当VT2进入稳定状态后，T1一次侧电流暂时恒定，无磁通量变化时，二次侧感电压为零，VT3截止。这时，12V低电压经VD1加到电动机绕组W上并维持绕组中的电流。其特点：仅在脉冲开始时接通高压电源，其余时间仅接通低压电源供电。具有功效高、电流上升率高、高速运转性能好，但波形陡有时存在过冲现象，谐波丰富，在低速运转时易产生振动。

图3-15（b）为采用单稳触发器组成的高低压控制电路原理。当输入端为低电平时。低压部分的VMOS管VF2栅极为低电平，VF2截止。同时单稳态电路VF1不触发，Q端6脚输出高电平，开关管VT1饱和导通，高压管VF2栅极为低电平，VF1截止，绕组无电流。当输入端输入脉冲，VF2的栅极为高电平，则低压管VF2导通。同时脉冲的上升沿使4528单稳态电路触发，Q端6脚输出低电平，这时开关管VT1截止，高压管VF1导通。

（a） （b）

图 3-6 高低压功率放大电路

3）斩波驱动电路

由于双电压驱动电路存在着电流在高低压连接处出现谷点，造成高频输出转矩在谷点下降。斩波恒流放大电路是利用斩波方法使电流恒定在额定值附近，其电路原理图和电流波形图如图2.6所示。环形分配器输出的脉冲作为输入信号，若脉冲为正，则

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VT1和VT2导通，电压U1加在电机绕组上使电流增加，当电流增大至额定电流以上时，采样电阻上的电压增高，使控制门输出反响信号，让VT1截止，绕组上的电流由U2提供，电流逐渐降低，取样电阻上的电压降低，反馈回的信号使控制门输出信号再一次反向，信号经放大后促使VT1再次导通，如此循环往复，便在绕组上产生如图3-7所示波形，电流在额定电流值上下波动，呈锯齿形，近似恒流所以叫做恒流斩波驱动电路。为了使励磁绕组中的电流维持在额定值附近，提高步进电动机的转矩和效率，所以采用斩波驱动电路。

这种电路结构复杂，但它使步进电动机的运行矩频特性、启动矩频特性和惯频特性都有明显的提高，使绕组中的脉冲电流边沿陡，快速响应好，且无外接电阻，所以功耗下降很多，提高了效率，还保证了在很大的频率范围内，步进电机都能输出恒定的转矩。所以斩波恒流放大电路广泛应用在要求较高的控制系统中

图3-7 斩波驱动电路

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4)调频调压驱动电路

调频调压驱动电路如图3-8所示，它可分为三部分：开关调压、调频调压控制和功率放大，电压一般与频率呈线性关系，在理想条件下，保持步进电动机的力矩不变，电源电压将随着工作频率的升高而升高，随着工作频率的下降而下降。

调频调压驱动能够减小低频振动，低速时绕组电流上升的前沿应较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲。而在高速时电流则应有较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，这样才能提高步进电机的负载能力。这就要求驱动电源对绕组提供的电压与电动机运行频率建立直接联系，即低频时用较低的电压供电，高频使用较高的电压供电，调频调压驱动方式可以较好地满足这一要求。 5）步进电机的细分驱动技术

采用细分驱动电路的目的：整步运转或半步运转基础上，不改变步进电机结构，提高步进电机的运转、控制精度 。

细分驱动电路的基本工作原理 ：对每一控制脉冲，细分使其电流逐步增加达到脉冲的最大电流，又逐步减少达到脉冲的最小电流，从而可实现高精度运转、控制、分辨，以及提高步进精度。

把额定电流分成n个极分别进行通电，转子就会以n个通电极别所决定的步数来完成原有一个步距角所转过的角度，使原来的每个脉冲走过一个步距角，变成了每个脉冲走1/n个步距角，即把原来一个步距角细分成n份，从而提高了步进电机的精度。三相步进电动机线性细分后，原来一相的一个大脉冲由现在的n个阶梯脉冲替。 通过细分驱动可得到更小的脉冲当量，因而提高了定位精度。基本上消除了步进电机的低速振动问题，使步进电机低速运转平稳，没有噪声。图3-9为多路功率开关细分电路工作原理：由基极开关电压U1～U5控制多路功率开关管VTd1 ～ VTd5的通断，从而控制功放管VT的导通电流大小，即步进电机线圈绕组电流的大小，实现对步进电机步进量的细分。特点：功率开关管工作在开关状态，功耗很低，

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但器件多、体积大。

3-5 步进电机驱动方案的选择

通过上述介绍的几种驱动方式相比斩波恒流驱动具有高频响应性能好输出转矩均匀无共振现象等优点从而成为当今步进电机驱动的主要方式。步进电机的使用性能和它的驱动电源有着密切的关系步进电机的恒流斩波驱动技术从一定程度上解决了步进电机运行中的一些问题如电源效率低、电流波形差等。斩波恒流驱动电路对步进电动机的控制在成本、电路结构、实用场所等方面综合条件尤为优秀。

图3-10为步进电机的驱动控制图，它由两部分组成第一部分是斩波恒流驱动电路原理图，第二部分则是集成触发器型环形分配器的电路原理图。

图 3-10 斩波恒流驱动电

当输入为脉冲为高电平时，信号分为两路，第一路经过非门U7，输出低电平，光电开关正向导通，开始工作，触发电压使IGBT管Q2导通，另一路信号到与门U8同比较器输出信号相与，输出高电平，经非门U2取反，输出低电平，光电开关U4导通，触发电压使IGBT管Q1导通，电机绕组上的电流逐渐增大，当电流增大到额定电流以上时，采样电阻R7上的电压增大，反馈电压增大，比较器输出低电平，经非门输出高电平，光电开关U4停止工作，IGBTQ1截止，电机绕组由12V电源提供电流，电流逐渐减小，当电流小于额定值时，采样电阻反馈回的电压减小，与非门输

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出低电平，光电开关U4工作，IGBT管Q1接着工作，绕组电流又逐渐增大。当输入端的脉冲信号为低电平时，两只IGBT管都不导通。电压比较器TLC372是单通道的比较器，该电路克服了上一个电路在非0V恒定电压不能比较正弦波的情况。电路图中使用三个电压比较器，用于控制其中一个IGBT的通断，TCL372能够满足驱动要求。

图使用三个与非门，用于对所给信号相与取反，实现对IGBT的导通关断的控制。光电开关的限流电阻选为330Ω，因光电二极管的电流为10mA左右，压降为2V左右，电源电压在5V时限流电阻R=（5V-2V）/0.01=300Ω，选用330Ω的电阻满足要求。二极管D3起续流保护作用，IN5401最大能够承受的正向电压为100V，电流3A，能够满足设计要求，所串电阻可以使电流下降更快，让绕组后沿波形变陡，阻值越大，耗能越快，选用1K的电阻满足设计要求，采样电阻R7一般很小，为0.2Ω左右。目前IGBT的通断驱动功率小，开关速度快，通态压降低，是一种高电压和大电流的开关器件，本设计中因电压较低，选用IRG4BC10U的管子，它能承受的4A电流和10KV电压，导通压降2.5V左右，能够在保证开关频率的同时简化电路。具体元器件如表3-2所示.

表3-2 电路中的元器件

元器件名 环形分配器 与门 非门 光电开关 型号 数量 参数 可分配双三拍，三相六拍 有0出0，全1出1 取反 上拉电阻330欧姆，电压5V CH250 74LS68 NOT OPTOCOUPLER-NPN 1 3 6 6 功率三极管 二极管 电压比较器 IRG4BC10U DIODE、1N5401 TLC327 3 6 3 承载电流4A、电压10KV，压降2V 正向压降100V，导通电流3A，压降2V 比较电压为0.7V 20

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3-6 交流伺服系统

1）交流伺服电机概述。

1800年伏特发明电池，是电气出现的开端，电动机的诞生和发展在这之后可以分成四个阶段：

从1820年一直到整个19世纪末叶，发现了电磁现象以及相关的各种法则，诞生了交流电机的原型，并确立了电机的工业运用。

从20世纪开始一直到1970年代，是电动机的成长和成熟期，有刷直流电机、感应电动机、同步电动机和步进电动机等各种电机相继诞生，半导体驱动技术和电子控制概念引入，带来变频驱动的实用化。

从1970年代到20世纪末期，计算技术的飞跃发展为发展高性能驱动带来了机会，随着设计、评价、测量、控制、功率半导体、轴承、磁性材料、绝缘材料、制造加工技术的不断进步，电动机本体经历了轻量化、小型化、高效化、高力矩输出、低噪音振动、高可靠、低成本等一系列变革，相应的驱动和控制装置也更加智能化和程序化。

进入21世纪，在以多媒体和互联网为特征的信息时代，电动机和驱动装置继续发挥支撑作用，向节约资源、环境友好、高效节能运行的方向发展。在20世纪60年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在70年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在90年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。进入21世纪，交流伺服系统越来越成熟，市场呈现快速多元化发展，国内外众多品牌进入市场竞争。目前交流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术之一。

在交流伺服系统中，电动机的类型有永磁同步交流伺服电机（PMSM）和感应异步交流伺服电机（IM），其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能、可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广、动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。随着电子电力等各项技术的发展，特别是现代控制理论的发展，

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在矢量控制算法方面的突破，原来一直困扰着交流电动机的问题得以解决，交流伺服发展地越来越快。交流伺服系统除了具有稳定性好、快速性好、精度高的特点外，与直流伺服电机系统相比有一系列优点:交流电机不存在换向器圆周调速限制， 也不存在电枢元件中电抗电势数值限制，其转速限制可以设计得比相同功率的直流电机高；调速范围宽，目前大多数的交流伺服电机的变速比可以达到 1:5000，高性能的伺服电机的变速比已达 1:10000 以上。在数控机床上应用的交流电机一般都为三相交流伺服电机。交流伺服电机依据电机运行原理不同，可分为永磁同步式、永磁直流无刷式、感应式、磁阻同步式交流伺服电机。永磁式同步电机的优点是结构简单、运行可靠、效率高；缺点是体积大、启动特性欠佳。但采用高剩磁感应、高矫顽力的稀土类磁铁材料后，电机在外形尺寸、质量及转子惯量方面都比直流电机大幅减小。所以，在机床进给驱动系统采用永磁式同步电机，主轴驱动系统可采用异步交流伺服电机 2）永磁式三相交流同步电机伺服系统。

永磁式同步型交流伺服电动机的工作原理。交流伺服电动机的转子是一个具有两个极的永磁体(也可以是多极的)。如图3-11所示按照电动机学原理，当电动机的定子三相绕组接通三相交流电源时，就会产生旋转磁场(Ns，Ss)以同步转速ns逆时针方向旋转。根据两异性磁极相吸的原理，定子磁极Ns(或Ss)紧紧吸住转子，以同步转速ns在空间旋转，即转子和定子磁场同步旋转。当转子加上负载转矩后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个θ夹角。转子的负载转矩增大时，定子磁极轴线与转子磁极轴线间的夹角θ增大；当负载转矩减小时θ角减小。但只要负载不超过一定的限度，转子就始终跟着定子旋转磁场同步转动，此时转子的转速只决定于电源频率和电动机的极对数，而与负载大小无关。当负载转矩超过一定的限度，电动机就会“丢步”，即不再按同步转速运行直至停转。这个最大限度的转矩称为最大同步转矩，因此，使用永磁式同步电动机时，负载转矩不能大于最大同步转矩。

2)交流电动机调速原理

图 3-11 永磁式伺服电机工作原理

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【9】

。

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由电动机学基本原理可知，交流电动机的同步转n0为： 式中 f1——定子供电

n0?60f1p频率，单位Hz，P——电动机定子绕组磁极对

数；从公式可以看出：平滑改变定子供电电压频率f1而使转速平滑变化，这就是变频调速方法。这是交流电动机的一种理想调速方法。电动机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。目前，数控机床主要采用变频调速等先进交流调速技术。

变频调速的主要环节是为电机提供频率可变电源的变频器。变频器可分为交—交变颐和交-直-交变频两种。交-交变频，利用可控硅整流器直接将工频交流电变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲。这个脉动交流电的基波就是所

需的变频电

压。但这种方法所得到的交流电中波动比较大，而且最大频率即为变额器输入的工频电压频率。在交—直变额，它先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基被频率就是所需的变频电压。这种调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性好。数控机床上常采用交—直—交变频调速。在交—直—交变频中，根据中间直流电压是否可调，可分为中间直流电压可调PWM逆变器和中间直流电压固定的PWM逆变器；中间直流电路上的储能元件是大电容还是大电感，可分为电压型逆变器和电流型逆变器。在此以交—直—交型电压变频器为例说明变频工作原理

[10]

。

正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器的组成如图3-12所示 ；

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图 3-12 正弦脉宽变频器主电路图组成

二极管整流器，用于交-直变换；脉宽调制逆变器，用于直-交变换、同时完成调频和调压任务。续流二极管D1~D6，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路，逆变管T1~ T6组成逆变桥，A、B、C为逆变桥的输出端。电容用于滤平全波整流后的电压波纹；并在负载变化时，使直流电压保持平稳。交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是逆变器，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连续可调、以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。

变频器的基本概念。1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。为了使变压变频器输出交流电压的波形近似为正弦波，使电动机的输出转矩平稳，从而获得优秀的工作性能，现代通用变压变频器中的逆变器都是由全控型电力电子开关器件构成，采用脉宽调制控制的，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才采用晶闸管变频器。还有空间电压矢量PWM、最优PWM、预测PWM、随机PWM、规则采样数字化PWM等等。SPWM交–直–交变压变频器的原理框图如图4-2所示。整流器固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器结构将交流变为直流，电压幅值不变。为逆变器的供电。 逆变器由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控制极（大功率

[11]

晶体管GTR为基极 ）输入由基准正弦波（由速度指令转化过来的）和三角波叠加出来的SPWM调制波（等幅、不等宽的矩形脉冲波） ，使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等宽的矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。逆变器的功率开关器件还可采用：可关断晶闸管GTO、功率场效应晶体管MOSFET、绝缘门极晶体管IGBT等。

3）正弦脉宽调制原理（以单相为例）

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正弦脉宽调制 （SPWM）波形：与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波，等效原理：把正弦半波分成 n 等分，每一区间的面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。则矩形脉冲所组成的波形就与正弦波等效。正弦的正负半周均如此处理。在正弦脉宽调制方法中，利用正弦波作调制波受它调制的信号称为载波常用等腰三角波作载波。采用模拟电路产生SPWM方法，就是用一个正弦波发生器产生可以调频调幅的正弦波信号(调制波)，用三角波发生器生成幅值恒定的三角波信号(载波)，将它们在电压比较器中进行比较，输出SPWM调制电压脉冲，图3-13所示是调制SPWM脉冲的原理图。具体来分析：三角波电压和正弦波电压分别接在电压比较器的“-”、“+’’输入端。当“u△﹤usin时，电压比较器输出高电平；反之则输出低电平。SPWM脉冲宽度由三角波和正弦波交点之间的距离决定，两者的交点随正弦波电压的大小而改变。因此，在电压比较器输出端就输出幅值相等而脉冲宽度不等的SPWM电压信号。图3-14所示是SPWM调制波示意图 。

[12]

图 3-13 方波产生原理图

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图3-14 正弦波—三角波调制

其SPWMF发生器具体电路如图3-15所示。

图 3-15 SPWM发生器电路图

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4） 交流伺服电机的驱动控制

电路原理及输出线电压的波形如图3-16所示。图中GRT为六只大功率晶体管，当然，也可以采用其它的功率器件。大功率晶体管各有一个与之反并联的续流二极管。来自控制电路的SPWM波形作为大功率晶体管基极控制电压，加在各功率管的基极上。在电路图中，按相序要求和频率要求协调控制的三路正弦波信号，与等腰三角波发生器来的载波信号一同送入电压比较器，产生三路SPWM波形，经反相电路后，可得到六路SPWM信号，加在Vl～V6六只功率晶体管的基极，作为驱动控制信号。当逆变器工作于双极性工作方式时， 改变调制波的频率、幅值，就可改变最终输出 ： 只要正弦控制波的最大值低于三角波的幅值，比较器的输出U0就为等幅不等宽的SPWM脉宽调制波。三相SPWM调制时，三角波共用，每相都有一个输入正弦信号和SPWM调制器其输出调制波分别为UA、UB、UC。输入三相正弦信号相位相差120°，其幅值和频率是可调的。从而可改变输出的等效正弦波，以达到控制的目的。 SPWM调制波经功率放大才能驱动电机。在双极性SPWM变频器功率放大主回路中，左侧的桥式整流器将工频交流电变成直流恒值电压，给图中右侧逆变器供电。等效正弦脉宽调制波UA、UB、UC送入GRT的基极，则逆变器输出脉宽按正弦规律变化的等效矩形电压波，经过滤波变成正弦交流电用来驱动交流伺服电机。

图 3-16 永磁同步型伺服电机控制框图

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图中，CONV为整流器；SM为同步电机；P.B.U为再生电力吸收图；INV为变换器；iu、iv、iw为相电流；GRT为晶体三极管。REF为速度基难；CC为电流控制放大器；RD为速度变化器；PWM为脉宽调制器；SC为速度控制放大器；IFG为电流函数发生器[14]。

3-7 伺服驱动系统选定

步进电机和交流伺服电机性能比较。步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 1）控制精度不同

两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、 1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。

交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。 2）低频特性不同

步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。

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交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。 3）矩频特性不同

步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 4）过载能力不同

步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 5）运行性能不同

步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。

[14]

6）速度响应性能不同

步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。

综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑。

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第四章 伺服驱动系统的设计

随着永磁同步电动机控制技术日趋完善，以往同步电动机的概念和应用范围已被现今的永磁同步电动机大大扩展。可以说，永磁同步电动机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生的性能，永磁同步伺服系统成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，其特点是高位置活到各种高精尖的科技领域作为主要的驱动电机出现，这种趋势会愈加清晰。因其卓越分辨率，高定位精度，宽调速范围，低速稳定运行，无爬行现象，力矩波动小，响应速度快，峰值转矩高，过载能力强，能承受频繁起停、制动和正反转，电机无电刷，可靠性高，可工作于恶劣的环境。

永磁同步电动机交流伺服系统由于其控制简单、性能好，在高性能的交流伺服系 统领域占据了很重要的地位。本文在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上，基于DSP控制的永磁交流伺服系统，采用电压空间矢量控制方法，实现了基于转子磁场定向矢量控制的PMSM 交流伺服驱动系统的全数字化设计。

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4-1 DSP简介

DSP有两种解释：其一是Digital Signal Processing的缩写，即数字信号处理；其二是Digital Signal Processor，即数字信号处理器的意思。前者数字信号处理是利用计算机或专用处理设备以数字的形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。后者数字信号处理器是用来完成数字信号处理要求的具有特殊结构的一种微处理器。

DSP的基本模型如图4-1 所示。它以众多的学科为理论基础，所涉及范围及其广泛。例如，在数学领域、微积分、概率统计、随即过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具；同时与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等学科也密切相关。近年来的一些新兴学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都是与数字信号处理密不可分的。数字信号处理可以说许多经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为一门新兴学科的理论基础。

图 4-1 DSP的基本模型

DSP器件就是为了满足数字信号处理而制造的一类专用微处理器，一般具有以下几个特点：在单指令周期类完成乘加运算。高速的运算能力。一般采用哈佛结构和流水线技术。芯片具有满足数字信号算法特殊要求的功能，如为了支持Viterbi蝶形算法而设计的比特反转寻址。数据交换能力高。支持并行处理指令等。数字信号处理是围绕着数字信

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号处理的理论，实现和应用而发展起来的；数字信号处理的理论又是在数字信号处理技术实践的基础上不断发展和完善的。数字信号处理器件是数字信号处理技术的具体实现载体。现在

随着理论和实践的进一步发展，数字信号处理技术已被广泛的应用到信息处理、通讯、多媒体、图象处理、声音处理、综合网络、控制、消费类电子、医疗设备、测试仪器等众多领域。

DSP主要应用在数字信号处理中，目的是为了能够满足实时信号处理的要求，

因此需要将数字信号处理中的常用运算执行的尽可能快，这就决定了DSP的特点和关键技术。适合数字信号处理的关键技术：DSP包含乘法器、累加器、特殊地址发生器、领开销循环等；提高处理速度的关键技术：流水线技术、并行处理技术、超常指令（VLIW）、超标量技术、DMA等。从广义上讲，DSP、微处理器和微控制器（单片机）等都属于处理器，可以说DSP是一种CPU。DSP和一般的CPU又不同，最大的区别在于：CPU是冯.诺伊曼结构的；DSP是数据和地址空间分开的哈佛结构。

世界上第一个单片DSP芯片应当是1978年AMI公司发布的S2811，1979年美国Intel公司发布的商用可编程器件2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须有的单周期乘法器。1980 年，日本 NEC 公司推出的μPD7720是第一个具有乘法器的商用DSP 芯片。

在这之后，最成功的DSP 芯片当数美国德州仪器公司（Texas Instruments，简称TI）的一系列产品。TI 公司在1982年成功推出其第一代DSP 芯片 TMS32010及其系列产品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020、TMS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片

TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代 DSP 芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改进型TMS320C2XX，集多片DSP芯

片于一体的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度最快的第六代DSP芯片

TMS320C62X/C67X等。TI将常用的DSP芯片归纳为三大系列，即：TMS320C2000

系列（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5X/C54X）、

TMS320C6000系列（TMS320C62X/C67X）。如今，TI公司的一系列DSP产品

已经成为当今世界上最有影响的DSP芯片。TI公司也成为世界上最大的DSP芯片供应商，其DSP市场份额占全世界份额近50％。目前，DSP处理器仍被TI、AGERE、

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ADI等公司占领，产品受外国大企业控制。国内发展DSP的厂商并不多，而主要的

应用是DVD与无线电话等产品，因此国内DSP的产值并不高。而在产品应用上，目前重要的DSP应用产品，如移动电话、调制解调器等个人计算机与通讯领域应用产品，都是采用国际大厂的DSP 解决方案。

4-2 永磁同步电机的数学模型和矢量控制

随着永磁材料性能的不断提高，永磁同步电机((PMSM)得到了广泛应用。作为能 量转换的装置，永磁同步电机有多种结构和分类，其中正弦波永磁同步电动机因其卓 越的性能已日渐成为电伺服系统执行电机的主流。本章首先简要叙述了永磁同步电机 的基本结构和主要分类，然后建立了在转子坐标系下的永磁同步电机的数学模型，为 对其进行转子磁场定向的矢量控制奠定了理论基础。为了使得永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，使其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布。定子电枢采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生的电磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的速度和位置。因此对三相永磁同步伺服电机的控制也和对三相异步电动机的控制相似，采用矢量控制。并且不要对转子进行绕组和坐标变换，从而使得三相永磁同步电机的矢量控制要比三相异步电机的控制要简单。

永磁同步电机的数学模型。本文采用的是正弦波供电永磁同步电机，转子上没有阻尼绕组。永磁同步电机的定子与普通电励磁同步电机的定子一样有A, B, C 三相对称绕组，转子上安装有永磁体，定子和转子通过气隙磁场存在电磁耦合关系。由于交流电机是一个多变量、非线性、强耦合系统，定转子电感系数随转子位置的变化而变化。电机的数学模型中含有时变参数，给分析和计算带来困难。为了简化永磁同步电机的数学模型，首先对电机做如下假设.

(1)忽略铁心饱和; (2)忽略电机绕组漏感; (3)转子上没有阻尼绕组; (4)永磁材料的电导率为零; (5)不计涡流和磁滞损耗;

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(6)定子相绕组的感应电动势波为正弦型的，定子绕组的电流在气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略磁场的高次谐波。

永磁同步电机的定子磁链是由定子三相绕组电流和转子永磁极产生，定子三相绕 组电流产生的磁链与转子位置角有关，转子永磁极产生的磁链也与转子位置有关，转子永磁极在每相绕组中产生反电势。永磁同步电动机是系统的控制对象 ，有必要对进行研究 。由于永磁同步电动具有正弦波反电势 ，是线性的，参数不随假设电动机温度变化，忽略磁滞和涡流损耗 那么dq坐标系下的永磁同步电动机数学模型为 ：

?d?Ldid??f ??Liqdd

(4-1) ud?Rsid?p?d???quq?Rsiq?p?q???d

Te?1.5np??diq??qid?

式中?d、?q分别为定子绕组电压的直、交轴分量 ； id、iq 分别为定子绕组电流 的直 、交轴分量 ；Ld.Lq分别为永磁同步电动机的直 、交轴电感 ；Rs为定子绕组电阻。?f 为转子上永磁体产生的磁场；??np?r；其中ω为转子电角速度， ωr 为机械角速度 ，np为极对数。

采用磁场定向的控制策略 ，即控制直轴电流id为零 ，则永磁同步电动机的电磁转矩可表示为：

Te?1.5np?fiq （4-2） 由式(4-2)可见 ，采用矢量控制策略实现了定子绕 组电流磁场分量和转矩分量的解耦 ，这样永磁同步 Te电动机的电磁转矩就正比于交轴电流iq。通过控制iq就可以控制Te，进而控制转速，从而得到了和它励直流有刷电动机相似的控制特性。

4-3 永磁同步电机的伺服系统设计

本系统采用TI公司的数字信号处理器TM320LF2407为核心进行设计。TMS320LF2407采用高性能静态CMOS技术，具有高达30MIPS的数据处理能力以

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及适合电机控制的外设资源，采用其全比较单元可生成6路PWM控制信号，10位A／D转换模块可以完成电流信号采样，CAP捕获单元、QEP正交编码单元以及SPI串行外设接口单元可实现对转速的实时计算和显示，高速的数据处理能力、完备的外设资源大大地简化了系统的硬件设计。图4-2为采用DSP实现的三相永磁同步电动us机矢量控制系统。在DSP中实现转速、电流全数字双闭环控制，完成电流采样、转iqrefnrefPark角及速度计算、PARK变换及逆变换、CLARKE变换和PWM控制信号的实时计算以SV3相PIPIUqUdUαUβ及参量显示等功能。永磁同步电动机的电磁转矩控制最终归结为对dq轴电流的控制，PI矢量控制的目的就是通过对dq轴电流的控制，快速准确地控制电磁转矩。控制直轴电流iq为零，通过调整直流量iq。来控制转矩，从而实现三相永磁同步电动机的控制idref=0逆变换PWM逆变器iα参数解耦，实现三相永磁同步电动机转矩的近似线性化控制。交轴电流的给定iprefParkClark为速度控制器的输出，控制交轴电流iq。就可以控制电动机的输出转矩。系统的速度id逆变换iβ变换ibiqia环和电流环采用PI控制算法，同时为了提高直流电压利用率，改善电机的运行特性，将电流控制器的输出作为SVPWM模块的输人，结合由光电编码器得到的电机旋转nf电角度并经过扇区判断及占空比的实时计算得到6路PWM控制信号，经功率放大后θ驱动IGBT。电机绕组电流采用磁平衡式电流霍尔传感器进行采样，经过CLARKE变换、PARK变换得到直交轴电流id和iq，从而形成电流闭环控制。电动机的转子转角位置由光电编码器获得，将转角进行微分可以得到转子转速，从而形成速度闭环控制。

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pmsm速度、位置检测

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图 4-2 永磁伺服系统矢量控制系统结构图

4-4 永磁交流伺服系统硬件电路

交流伺服系统由交流伺服电动机和伺服控制驱动器两部分组成，控制器的性能直 接影响到伺服电机的运行状态，从而在很大程度上决定了整个控制系统的性能。传统 的模拟控制器虽然具有连续性好、响应速度快、成本低的优点，但也有着本身难以克 服的缺点，如系统调试困难、易受环境温度变化影响产生漂移，难以实现柔性化设计 思想，缺乏实现复杂计算的能力，无法实现现代控制理论指导下的控制算法。由于这 些原因，现代伺服控制器均采用了全数字化系统结构，伺服控制系统的主要控制理论 也采用了现代的矢量控制思想，它实现了电流矢量的幅值控制和相位控制。 系统总体硬件结构。系统的硬件总体上可以分为以下三个部分所示： 第一块电路板为功率电路板，包括 AC-DC 模块，主电路的过压欠压保护，软启动，IPM 模块以及驱动电路，辅助电源电路。

第二块电路板为控制电路板，包括DSP（TMS320F2812） ，CPLD（MAX7128AE） 芯片，DSP电源处理电路、扩展外部存储器 RAM、 电流采样、 编码器接口电路、 RS232通信、仿真及逻辑电平转换、过流保护、模拟信号输入、脉冲信号输入、多路开关量

输入输出接口等电路。这块电路板是整个伺服控制器的核心部分。

第三块电路板完成显示与控制输入功能，包括数码管显示电路以及键盘输入。其 主要功能是显示电机运行时刻的状态，部分故障原因以及完成各种控制信号的输入。 系统的总体结构如图4-3所示。本系统是一个速度和电流反馈的闭环系统。 DSP 控制器负责转换 A/D 转换、计算电机的转速和位置以及电流和速度的 PI 调节，最后运用矢量控制算法，得到电压空间矢量 PWM 的控制信号，再经过光耦隔离电路后，驱动IPM功率开关器件。DSP，CPLD 控制器负责整个系统的的保护和监控，一旦系统出现过压、过电流、欠电压等故障，DSP 将封锁 PWM 输出信号，以保护IPM模块。

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图 4-3 永磁同步电机伺服系统的硬件框图

TMS320F2812 是美国德克萨斯州仪器公司(TI)最新推出的基于代码兼容的TMS320C28×内核的新型高性能 32 位定点数字信号处理器， 它专门为数字控制设计，可实现高性能 DSP 与高精度模拟及闪存的完美结合。F2812 具有高集成度，从而提供了整套的片上系统,同时降低了板级空间及系统成本，实现了更简单、更高效和更经济的设计。功率板主要是负责接收控制板上 DSP 输出的六路 PWM 控制电压信号， 控制IPM给交流电机提供三相电压，激励三相交变电流，从而产生旋转磁场，驱动电机运转IPM 是把功率器件与起控制作用的逻辑电路、驱动电路保护电路和检测电路集成或组装在一起，主要完成驱动信号放大、功率放大、各种保护（包括过电流保护、短路保护、过热保护、欠压保护）等功能，在器件特性上具有 IGBT 的开关特性。本系统选用的 IPM 是三菱公司第三代智能功率模块 PM20CSJ060。 其额定参数为 600V、20A，适用的电机功率为 1.5KW,开关频率最高可达 20KHz13。

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4-5 永磁交流伺服系统的软件设计

在硬件系统已经确定的基础上，系统控制性能的优劣很大程度上就取决于软件，

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控制软件除了灵活性、可靠性和通用性之外，还要具有很好的实用性。因此控制软件的设计在满足实时性的前提下， 充分发挥灵活性， 使系统的控制质量得以提高。按转子磁链定向的 SVPWM 矢量控制系统的软件对实时性、 可靠性和通用性要求都很高，本章结合 TMS320F2812 软件编程的特点，设计整个系统的控制软件。

系统软件整体设计概述。 以 TMS320F2812 为核心组成的矢量控制系统的控制电路中，DSP 承担了系统绝大部分的计算和控制任务。充分利用了 DSP 丰富的软、硬件资源，并依据模块化的编程设计思想， 将系统软件分为两部分:主程序和中断服务程序， 其中中断程序包括定时器下溢中断 INT2 与捕获中断 INT3 以及功率驱动保护中断。 系统在每次复位后， 首先执行初始化程序， 实现对 DSP 内部各功能模块工作模式的设定和初始状态的检测。 完成上述工作后，将中断开启，系统执行主程序。同时，当中断条件满足时，执行相应的中断服务子程序。其中，电机的主要控制策略由定时中断服务子程序来执行。在三个中断子程序中， 外部保护中断子程序的优先级较高。 系统软件结构图如图 4-4 所示。本系统的控制软件设计方案：采用模块化程序设计，主要负责电流采样、位置检与速度计算、矢量变换、PWM 输出以及故障输出等。交流伺服系统控制属于快速性与要求很高的运动控制范围，系统受控状态量的变化是相当快的，这就要求系统的采样周期应该尽可能短，以便对被控状态量进行及时的控制，即交流伺服系统的控制具有很高的实时性要求。因此，在设计和编制系统软件时，要安排好各程序模块的结构和相互间的时序配合，以满足系统的实时性要求。下面主要对主程序设计。

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图 4-3 系统软件结构图

1.伺服系统的主程序设计.主程序主要是完成初始化之后，软件进入循环等待。初始化部分是对系统进行初始化并对控制对象的某些初始信息进行辨识的程序,是程序不可缺少的组成部分之一。只在程序启动时执行一次，它完成一些初始化工作，决定系统的运行模式。其主要工作是完成各种控制寄存器的初始化以及相关参数变量的初始值的设定，诸如对 DSP进行初始化，包括对时钟模块、看门狗模块、事件管理器模块、A/D 转换模块、I/O口的初始化，定时计数器的初始化以及中断初始化等；对变量进行定义和赋初值；转子初始定位等的初始化工作，其程序流程图如图 4-4 所示[14]。

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图 4-4 主程序流程图

2.系统的初始化.系统的初始化包括了DS P系统初始化及其内部各个功能模块的初始化， 功能模块则有E V和ADC。具体设置如下:

DSP系统初始化。DSP 系统的初始化是指 DSP 内核的基本系 统配置， 主要包括了两 个状态寄存器 (ST0&1)、 两个系统控制与状态寄存器(SCSR I &2 ) 、等待状态寄存器 (WSGR )及看门狗寄存器 (WDCR )的设置。具体设置如下 :

SYS_INIT: POINT_PGO

SETC INTM : 屏蔽中断 SPLK #oh， IMR : 不使能中断 SPLK #OFFh， IFR ： 清除全部中断标志

POINT_PGO

CLRC SXM ；清零符号扩展位 CLRC OVM ； 复位溢出模式位 CLRC CNF ；设置BO块指向数据存储段 SPM 0 ；设置乘积方式为0位移 POINT_B0

SPLK #00C0h，GPR0 ；设置1等待状态为I/O空间 OUT GPT0，WSGR POINT_PF1

SPLK #0085h，SCSR2 ；4倍频，ADC 使能， EV1 使能 SPLK #004Fh，SCSR2 ；不能使看门狗 KICK_DOG ； 看门狗清零 RET

事件管理器初始化。事件管理器的初始化包括其内部PWM 发生模块的初始化，针对六路的七段式PWM 波的输出。 PWM 软件模块的初始化设置包括有: 定时器

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