机械电子工程硕士论文-基于PMAC的伺服电机同步检测控制系统.pdf

大连交通大学 硕士学位论文 基于pmac的伺服电机同步检测控制系统 姓名：代明匣 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：费继友 20091219 摘要 摘要 论文主要研究了一种基于开放式多轴运动控制卡p m a c 的伺服电机同步检测控制 系统，用于检测控制轨道式数控切割机轨道两侧电机的同步运行情况。通过对p m a c 运动控制卡的结构及功能分析研究，提出了基于工控机和运动控制卡相结合的开放式控 制系统，以华锐小蜜蜂数控切割机为实验平台，上位机采用研华工控机，下位机核心为 p m a c 运动控制卡，实现双处理器运行，驱动系统采用松下交流伺服电机及其配套的驱 动器。 该系统主要包括硬件和软件两部分。硬件主要分为上位机、下位机和伺服驱动部分， 论文主要工作为对p m a c 运动控制卡的接口设置和跳线设置以及与工控机和伺服驱动 系统的连接，使其达到要求。软件实现实时控制和系统管理，主要是完成各部分之间的 通信功能、系统的初始化、资源分配和程序调用等。 理论上通过m a t l a b s i m u l i n k 软件对系统的伺服驱动部分建立数学模型，采用智 能专家p i d 控制算法对其进行仿真，由仿真结果可知，系统在墨= o 5 5 ，k ，= 1 8 ， k d = 0 0 4 情况下0 0 5 s 达到了控制要求。实验上用小蜜蜂数控切割机完成了两台伺服交 流电机的同步检测与控制实验，得到了两台伺服电机同步运行的误差，结果表明基于 p m a c 的伺服电机同步控制系统相对偏差绝对平均值为2 9 1 9 ，达到了气割数控系统 的工艺精度要求。基于p m a c 运动控制卡的伺服电机同检测控制系统开发周期短，易 于实际操作，提高了轨道式数控切割机的加工精度，为其它数控设备提供了可行的技术 参考。 关键字：p m a c 运动控制卡；同步检测；数控切割；m a t l a b s i m u l i n k 大连交通大学下学硕十学位论文 a b s t r a c t t h ep a p e rm a i n l yr e s e a r c h e ds c r v o m o t o rs y n c h r o n o u sd e t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h eo p e nm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o lc a r dp m a c ，w h i c hw a su s e df o rd e t e c t i o na n d c o n t r o ls y n c h r o n o u sm o t o ro p e r a t i o no fr a i lt r a c k so nb o t hs i d e so fc n cc u t t i n gm a c h i n e t h r o u g ha n a l y z i n ga n ds t u d y i n gt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fp 眦m o t i o n c o n t r o lc a r d ，t h e o p e nc o n t r o ls y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a lc o m p u t e ra n dm o t i o nc o n t r o lc a r dw a sp r o p o s e d ， w h i c hu s e dh u a r u ih o n e yb e ec n cc u t t i n gm a c h i n ea st h et e s tp l a t f o r m ，a d v a n t e c hi p c m a c h i n ea sh o s tc o m p u t e r , t h ep m a cm o t i o nc o n t r o lc a r da st h ec o r eo fl o w e rc o m p u t e r , w h i c ha c h i e v e dd u a l p r o c e s s o ro p e r a t i o n ，p a n a s o n i ca cs c r v om o t o ra n dm a t c h i n gd r i v ea s d r i v es y s t e m t h es y s t e mm a i n l yi n c l u d e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ec o u l db ed i v i d e di n t o h o s tc o m p u t e r , l o w e rc o m p u t e ra n ds e r v o - d r i v e n ，t h em a i nw o r ko ft h ep a p e rw a ss e t t i n gt h e p m a cm o t i o nc o n t r o lc a r di n t e r f a c ea n di u m p e r t h ec o n n e c t i o no fi n d u s t r i a lc o m p u t e ra n d s e r v od r i v es y s t e m t om e e tt h er e q u i r e m e n t s t h es o f t w a r ef o rr e a l - t i m ec o n t r o la n ds y s t e m m a n a g e m e n t ，m a i n l ya c h i e v e dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ev a r i o u sp a r t s ，t h es y s t e m i n i t i a l i z a t i o n ，r e s o u r c ea l l o c a t i o na n dp r o c e d u r ec a l l s ，e t c i nt h e o r ym a t h e m a t i c a lm o d e lo fs e r v od r i v ep a r tw a sb u i l tb ym a t l a b s i m u l i n k s o f t w a r e ，w h i c hw a ss i m u l a t e db yi n t e l l i g e n te x p e r tp l dc o n t r o la l g o r i t h m ，t h r o u g ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h es y s t e mm e tr e q u i r e m e n ta f t e r0 0 5 su n d e rt h ec o n d i t i o n ：k p = 0 5 5 ， 巧= 1 8 ，k d = 0 0 4 n eh o n e y b e ec n c c u t t i n gm a c h i n ew a su s e dt oc o m p l e t es y n c h r o n o u s d e t e c t i o na n dc o n t r o lf o rt w os e r v om o t o r s ，f r o mw h i c ht h es y n c h r o n o u so p e r a t i o ne r r o rw a s o b t a i n e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h es e l - v om o t o rs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hw a s b a s e do nt h ep m a cc o n t r o l l e r , r e a c h e dt h er e q u i r e m e n t so ft e c h n o l o g ya n dp r e c i s i o no fg a s c u t t i n gn cs y s t e m ，o fw h i c ht h er e l a t i o nd e v i a t i o na b s o l u t ea v e r a g ew a s2 9 1 9 n e d e v e l o p m e n tc y c l eo fs e r v om o t o rs y n c h r o n o u sd e t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do na p m a cc o n t r o l l e rw a ss h o r t ，w h i c hw a se a s yt op r a c t i c ea n di m p r o v e dm a c h i n i n ga c c u r a c yo f t h eo r b i t a lc n c c u t t i n gm a c h i n e ，a sw e l la sp r o v i d i n ga f e a s i b l et e c h n i c a lr e f e r e n c ef o ro t h e r n u m e r i c a lc o n t r o ld e v i c e s k e y w o r d s ：p m a cm o t i o nc o n t r o lc a r d ：s y n c h r o n o u sd e t e c t i o n ；c n cc u t t i n g ； m 渔t l a b s i m u l i n k 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名： 式唧菊盈 日期：c i 年f b 月。b 日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太整塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：武碉俚 导师签名：雹豸宓一 嘲：缈_ | 销胡嗍：叩年7 堋n 日 学位论文作者毕业后去向：就亚 工作单位：l 幸j 萄盹。车摩幽捌道岩车萌陵羡i 王么司电话：l 弓- 7 哔。器6 j j 一乙 通讯地址：磊出南丰书司琶厂颧鸱弓弓 邮编：驴石多p 莎 电子信箱： 城7 i 芝辫i j 7 形刚 第一章绪论 1 1 数控系统概念及发展 第一章绪论 1 1 1 数控系统的概念 数控技术是采用数字化信息，按给定的工作程序、运动速度和轨迹，对被控对象进 行自动控制的一种技术，也就是利用数字控制技术实现的自动控制系统。它实现了高度 的机、电、光、气一体化，集机械制造、自动化控制技术、计算机、测量技术、现代控 制技术、微电子技术、信息处理技术为一体的综合技术，是现代制造系统，如集成制造、 柔性制造、智能制造、数字制造、网络制造的关键基础f 1 1 。 在现代制造系统中，数控技术是关键技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特 点，而现代机械制造系统中衡量自动化程度的两个主要因素是生产率和柔性，可见数控 技术在国民生产中尤其是机械制造业上起着不可代替的作用，很好实现了现代生产的自 动化和智能化。由于数控技术主要应用在国家基础性产业中，直接关系到国民基础设施 建设，从而影响到国家战略地位和国家综合国力，因此，发展数控技术，强化生产，实 现加工机床及生产过程数控化，不仅是使国家强大的必要要求，而且也是当今世界制造 业发展方向，谁掌握了关键的数控技术，谁就有先进的生产力，谁就有强大的后盾。综 合所述机械制造的竞争，其实质是数控的竞争1 2 l 。 1 1 2 数控技术的发展 1 9 4 6 年世界上第一台电子计算机在美国诞生。1 9 5 2 年，计算机技术应用到了机床 上，在麻省理工学院诞生了第一台试验性数控机床，它是一台采用脉冲乘法器原理的直 线插补三坐标连续控制数控铣床。从此，数控系统有了翻天覆地的变化，数控技术无论 在硬件或软件方面都有了很大提高，技术越来越熟练，到今天己经历了八个发展时代： 1 9 5 2 至1 9 7 0 年为数控( n c ) 阶段，这一阶段划分为三代，第一代电子管( 1 9 5 2 年) ， 试验样机采用电子管，继电器盒等基本的模拟电路构成；第二代晶体管( 1 9 5 9 年) ，晶体 管比电子管轻便小巧，体积大大减小，很容易应用在工业生产中；第三代小规模集成电 路( 1 9 6 5 年) ，小规模集成电路的出现更是促进了数控技术的发展，它的小体积，低功耗， 高可靠性使数控系统升级，功能实现了简单的模块化。这个阶段的数控系统的控制功能 还主要通过硬件来完成，虽然效率有了很大的提高，但她的控制功能还是很简单，灵活 性也较差，设计调试周期长，系统可靠性还是不太稳定，有待进一步的提高，因而限制 了数控技术进一步发展和应用。 自1 9 7 0 年起，集成电路技术提高，出现了大规模集成电路，之后半导体存储器及 微处理器等集成化产品也相继被开发出来，通用小型计算机出现并逐渐普及应用于数控 大连交通大学t 学硕十学位论文 技术，于是数控系统进入了计算机数控( c n c ) 阶段，其中一些功能由软件开始替代硬件 来完成，这就是第四代数控系统；1 9 7 4 年进入第五代数控，其核心控制系统采用了微处 理器芯片，此时的数控系统结构简单，体积小，成本低，加工速度快，可靠性高，便于 工业应用；2 0 世纪8 0 年代初期进入到第六代，数控系统在微处理器的基础上不断完善 控制功能，出现了很多新功能，有些功能更是实现了完全自动化，软件功能也得到了进 一步提高，结构不断优化，采用了柔性化和模块化的多机处理，数控加工出来的工业产 品也逐渐标准化。但是这时的数控系统体系结构还不够完备，控制软件的开发持久性不 是很好，在基础的软件上扩展新功能的性能差，对当时产品的批量生产数量和质量有一 定的限制。从8 0 年代以后，数控系统的数据处理采用了3 2 位处理器，提高了其数据处 理的速度和精度。c n c 系统的多微处理器结构提高系统的集成度，缩小体积，结构模 块化便于功能扩展和升级，满足各种类型数控机床的需要；伺服驱动装置向着交流和数 字化方向发展，取代了以往的直流驱动系统；强大的通信能力使得操作简单化，各部分 之间的只需要通过一个转接卡就能很好实现通信；智能化，先前繁琐的手工编程和调试 退出舞台，出现了自动编程和在线调试，工作效率大大提高，操作简单，精确率提高， 数控技术也步入了第七代。 9 0 年代开始，个人计算机( p c 机) 技术迅猛发展，随之发展的工业应用计算机， 更大地推动了数控技术的更新，数据处理能力升级到6 4 位，计算机技术的发展给数控 的核心控制部件功能的完善和可靠性提高带来了软件支持，第八代的数控技术的软件硬 件结构更加完备，功能多样化，完全自动化、智能化，扩展功能大大提高了企业的生产 效率，真正的初步实现了生产的高效率，高精度要求| 3 - 6 1 。 1 1 3 我国数控技术的发展现状 第八代数控技术之后，数控技术由先前追求的精度和速度要求逐步发展到对软件的 开发升级上来。以往的数控系统都是封闭式结构，很难满足外界同一时间的不同要求， 应用的局限性很大，尤其是当前的制造加工的多样化，专业化，智能化，一旦有新的需 求很难通过改变数控装备达到，而且数控系统与外围设备的通信及控制接口也很限制， 有时甚至不能达到企业的要求。为了解决这些问题，开放式的数控系统应运而生，针对 不同的应用要求与应用环境，在很大范围内让用户自由地选择不同配置的硬件与软件， 并根据实际需要在开放系统的基础上开发适合需要的专用系统。开放系统是具有在不同 工作平台上均能实现系统功能并可以与其它系统应用进行互操作的系统，这样用户可以 很方便的根据自己的需求设计相应的系统完成任务。 开放式数控系统已经发展了好多年，特别是在北美和西欧工业发达的地区，但是我 国在这方面发展还不是很快，特别是在通用微机数控领域，以p c 平台为基础的国产数 控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少 2 第一章绪论 问题，特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。 1 1 4 数控技术的发展趋势 从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，高速，高精加工技术提高了产品 的生产率和产品质量，进一步使企业的产品更能站稳市场，增强竞争力，所以高速和高 精度加工技术及装备是未来数控技术的新趋势；以往的数控加工多采用的单轴运动，由 于技术的更新和企业生产的需要，越来越多的新技术开始出现，多轴联动加工和复合加 工技术得到快速发展，采用复合加工可以大大降低加工难度和成本，而且使得加工的产 品质量有很大提高，与此同时缩短了产品的生产周期，给企业带来了更大的效益；伴随 着网络技术的发展，数控技术也渐渐开始网络化和智能化，数控系统中添加了以往系统 没有的自适应控制，自动配置生产参数等功能，程序的编辑和载入也大大简化，用户可 以根据自己的需要添加和减少功能模块来达到要求，实现良好的开放性，快捷的人机界 面更是方便了操作人员，工作人员只需轻轻按键控制设备就能很好完成机加工工作，现 在的系统有很好的反馈和自我诊断技术，一旦发现问题可以很方便的解决；建立了新技 术标准和规范，即新型c n c 系统标准s t e p - - n c r 7 , 8 1 。 就数控系统的微机来说，有采用专用微机和通用微机两种发展趋势。采用专用微机 是指生产厂家采用自行开发的专用微机、专用芯片，其硬件和软件基础技术为厂家所专 用，这些技术经多年的积累和发展，别的厂家很难掌握和超越是生产厂家保持其数控技 术的优势所采用的策略。采用通用微机技术开发数控系统，这是数控系统生产厂家中后 起之秀所采用的策略。近年来微机技术发展很快，其性能已达到中型计算机、甚至巨型 机，而价格却只有中型机的几十分之一。而且用微机开发数控系统可以得到强有力的硬 件和软件的支持，这些软件、硬件技术是通用的、公开的。这样可以避开专有技术的制 约，在短时间内达到较高水平。这是一条发展数控技术的捷径，果味已有不少成功的范 例，这也是我国发展数控技术应采取的策略。 数控系统的微机字长不断提高，由最早的8 位机，经1 6 位机，到目前广泛采用的 3 2 位机，现在有向6 4 位机发展的趋势。微机的c p u 也由单个向多个发展。目前，高性 能的c n c 数控系统可以同时控制几个轴，甚至几十个轴，并且前台的加工控制和后台 的程序辅助可同时进行【9 1 。 1 2 开放式数控系统 1 2 1 开放式数控系统产生和发展 ( 1 ) 开放式数控系统产生的原因 当今的c n c 控制器是个黑匣子，封闭保密，制造厂和用户不能把特殊加工工艺、 管理经验和操作技能等放进去，要求透明；现在的c n c 技术( 其核心为c n c 控制器和 3 大连交通大学工学硕十学位论文 驱动技术) 及结构为专用的软硬件，远落后于p c 的主流技术。升级困难，各厂家产品 不兼容，成本高：用户界面不灵活，网络功能弱，系统维护培训昂贵，综上所述可见开 放式数控系统是必然的结果。 ( 2 ) 开放式数控系统的发展情况 美国o m a c 计划：1 9 8 1 年，美国国防部为了使自己的军备制造独立化，成立国家 科学制造中心，开始名为n g c 计划，即下一代控制器计划，最后建立了开放式系统体 系结构标准( s o s a s ) 。1 9 9 5 年，同样在美国国防部主导下，基于以前的n g c 计划开 始资助几家公司合作另一项技术o a s a y 计划，建立8 个控制器，对于这8 个控制 器同时还提供了6 个不同的系统测试平台。开放式系统渐渐由军工装备开始发展到国家 工业领域，1 9 9 4 年美国的汽车工业在发展过程中开始出现一些问题，为了解决这些问题 由当时的三家大汽车公司开始了一项新计划，也就是后来的开放式模块化体系结构控制 器( o m a c o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l s ) 计划。 欧洲o s a c a 计划：1 9 9 2 年在欧洲，自动化系统中控制器的开放系统体系结构 ( o s a c a - o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l sw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 计划被提出 来，当时的参加者主要是欧洲一些有关机床和控制相关的机构参加，随着生产技术的发 展和需要，后来陆续有多个成员加入这项计划。 日本o s e c 计划：日本的工业一直处于世界的领先水平，在世界各地方开始各样的 计划下，1 9 9 5 年日本也由本土的几家工业巨头共同开始一项计划控制器开放系统环 境计划( o s e c o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r s ) 3 1 。 1 2 2 开放式数控系统的特点 开放式数控系统，不但要求模块化、 仿真、数控编程、在线调试、故障诊断、 其特点： 网络化、标准化( 用户界面、图形显示、动态 网络通讯) ，而且对实时性和可靠性要求很高。 可移植性：在保持应用模块功能的情况下，各部件通过具有统一的数据格式、行为 模式、通信方式和交互机制的标准接口，达到设备无关性，不需任何变化就可以应用到 不同的平台上。这样就可以在同一个软件支持下工作在不同的环境中，比先前的专门数 控系统方便快捷高效。 可扩展性：不同的模块能运行于一个平台，而不出现冲突。同时对于高端设备可增 加模块数，对于低端设备可以减少模块数，各模块的连接接口都有明确的定义，不需过 多的人工劳作，具有更大的灵活性，以适应快速发展的市场需求。 互操作性：模块在一起工作时，表现为相互协调，可以根据定义通过提供标准化接 口、通信协议和交互机制，使不同功能模块能以标准的应用程序接口运行于系统工作平 台之上，并获得平等的相互操作、相互协调工作的能力。在工业生产中，有时为了需要 4 第一章绪论 必须添加些软件或者硬件重新构建一个新的系统，这是系统的互操作性表现出来的强 大优势。 可维护性：用户维修方便。在系统的装配上，各环节可根据具体功能选择不同厂商 提供的部件，整体上系统功能不受影响，互换性很强，给操作和维修带来了很大方便。 统一的人机界面：在开放式环境下，无论是制造商还是数控操作人员都可以很自由 地选择自己熟悉的编程语言来开发自己需要的入机界面，配合数控系统完成相应的工 作，不用对系统的内部控制核心部件投入过多的时间与精力，而只专心于生产任务目标， 当前的数控系统具有一定的智能性，可以把平时积累的工作经验，比如加工经验，加工 技巧及工艺优化等有机地添加到数控系统中，不断完善数控系统的控制功能，使加工更 加精确化和高速化。 系统柔性好，性价比高：先前封闭式数控系统在应用与改进及功能扩展上都很受限 制，当前的开放式数控系统采用模块化结构，既可以增加软件或硬件不断完善强化系统 功能，也可以减少某些功能模块适应低端场合应用，甚至可以重新组构成不同类型的数 控系统。随着开放式数控技术的发展进步，开发商可以充分利用现有的成熟技术，使其 开发费用大大降低，维修更加简单，质量可靠，性能更加完善，增加开放式数控系统的 市场竞争能力i l o ，1 1 1 。 1 2 3 开放式数控系统结构 目前开放式数控系统有3 种结构形式。 ( 1 ) 基于p c 的数控系统( 软数控：s o f t c n c ) ： 以p c 机为平台，数控功能由软件模块实现，但要解决实时性的问题。运动执行通 过伺服系统传递数据，由伺服系统驱动坐标轴电机工作，实现全方位开放。 ( 2 ) p c 嵌入式的数控系统： 把一块多轴运动控制卡插入到传统的p c 机总线插槽中，运动控制卡的运行是以坐 标轴运动为主的实时控制( 作为数控功能运行) 。多轴运动控制卡完成终端设备的运动 控制和逻辑控制，数控程序的编辑，人机界面管理及上位机和下位机之间的通信，接口 配置均有p c 机来完成。上位机的程序进入到控制卡，经过程序译码后调用卡里的子程 序去执行相应的动作，这样就可以控制运行外部连接的驱动设备，并进行实时监测。p c 作为人机接口平台，易实现，研究单位和高校普遍采用这种方式。 ( 3 ) p c + c n c 数控系统( 融合系统) ： 专业厂家认为c n c 系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性，向p c 在的死机现 象是不允许的。已生产的大量c n c 系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。所 以采取了，增加一块p c 板，提供键盘，使p c 与c n c 联系在一起的方案。可界面开放， 提高人机界面的功能。专业c n c 系统厂家现在都这样做。 s 大连交通大学t 学硕十学位论文 目前的工业上应用最多的是基于p c 机和多轴运动控制器的开放式数控系统，它直 接利用p c 机的软硬件资源构建数控系统，使得系统开发简单、周期变短，性能可靠。 该模式的开放型数控系统实现了人机接口的完全开放和系统内核的部分开放，于是开发 商和制造商可以添加自己需要的模块，实现要求的功能，满足客户的要求【3 ，4 ，1 0 ，1 。 1 3 课题研究背景、来源及意义 等离子切割技术最早产生在美国，由于其加工精度高，切割速度快，在全球上得到 了迅速发展。数控领域技术的不断更新，为等离子切割技术创造了一个平台，两者的完 美结合产生了数控等离子切割机设备，为工业生产提供了方便快捷的加工手段。在中国 数控等离子切割技术发展比较晚，应用不是很普遍，随着科技的不断进步，这项技术越 来越被重视，并在各大高校和科研单位等机构中被研究，生产制造了应用在不同领域的 数控等离子切割机，现在这项技术应用已经普及化，在机加工行业中几乎都采用数控等 离子切割机加工各种不同的部件。 等离子切割同其他切割技术比较有很多优点，它的切割范围广，切割效率高， 完成的质量好；在一些需要精加工的场合，精细等离子切割技术加工的质量可以同 激光切割技术相媲美，但是其加工成本远远低于激光切割技术；等离子切割技术随 着当前科技的更新获得迅速发展，其精度在不断提高，材料利用率也在不断提高， 在资源日益减少的今天，提高生产率和有效利用资源是企业发展的根本。 在大型板材的切削加工中，企业大都采用轨道式数控切割机进行板材的切割， 如加工车体，船体等大型钢板，本课题实验平台为轨道式数控切割机，采用两侧同 时安装驱动电机代替以往的一侧安装电机，大大减小了横梁两侧的位置误差，但是 随着生产要求的提高，这个位置误差还严重影响了加工过程的精度，为此控制系统 采用了多轴运动控制卡控制各轴电机，主要工作就是控制轨道上两电机的同步运 行。轨道上两电机直接拖动横梁移动，横梁上带有很多切割头，由于轨道间距大， 两电机存在位置误差，这种误差会随着电机转动速度的加快不断变大，如果不及时 消除，位置误差就会不停地累积，使得切割头工作时的轨迹大大偏离预先计算的轨 迹，生产出来的产品废品率升高，严重影响加工质量。运动控制卡主要接收由传感 器检测到的两侧位置误差信号，经过微处理器分析判断并对其进行修正补偿就大大 减小了两端的位置误差。 本课题采用的运动控制卡为当前流行和普遍应用的美国生产的p m a c 多轴运 动控制卡，并在实际轨道数控切割机上试验检测，结果表明此系统初步完成了预期 效果，实现了对位置误差的控制，这对于大型钢板的数控切割技术有很大的意义， 一方面完善了系统的工作性能，提高了加工精度，满足了数控切割工业生产对高精 度，高速度的要求；另一方面由于精度和速度的提高，将会带动生产效率的大大提 6 第一章绪论 高，进一步优化生产结构，给企业带来一个好的效益，推动国民生产总值，促进国 际经济发展。 1 4 课题的主要内容 本文主要研究了基于p m a c 运动控制器的伺服电机同步控制系统，构造了以研华 工控机为上位机，p m a c 运动控制器为下位机的双处理器控制结构，上位机与下位机之 问的通信可以采用总线或者串口线。论文从硬件到软件对该系统都做了研究，并详细介 绍了交流伺服系统的结构和原理，及各部分的构成和功能，推导出伺服系统的传递函数， 采用m a t l a b 软件建模仿真电机的p i d 控制算法，并在实验平台上实际试验得到两台 伺服电机同步时电机的位置差。 本试验就该设备的硬件和软件系统进行了设计和研究，其主要内容包括： ( 1 ) 详细介绍p m a c 运动控制器 本实验的核心控制就是p m a c 运动控制器，所以研究期间查阅了大量资料掌握运 动控制器的硬件结构，各部分的功能，软件结构，通信和工作方式设置，跳线配置设置 等，为以后的实际系统设计打好基础。 ( 2 ) 研究了系统交流伺服控制系统 伺服系统是核心部分，由驱动器和交流伺服电机组成，本实验采用的是松下交流电 机及配套的驱动器，利用矢量控制方法建立伺服系统的数学模型，应用了专家智能p i d 控制算法并进行仿真。 ( 3 ) 搭建了基于p m a c 的数控系统 从硬件上搭建了系统的整体结构，部分之间是如何连接的，连接时跳线是如何设置 的等等，这里主要是驱动器的接口端面设置和连接。软件上介绍了一下系统的通信问题， 及相关软件功能和如何设置，给出了系统软件结构图。最后根据实际试验得到结果，并 对结果进行分析。 本章小结 本章作为绪论部分首先介绍了数控技术的发展概况，特点及其应用等情况，同时阐 述了课题的背景、来源、研究意义，以及本课题的主要内容。 7 大连交通大学t 学硕+ 学位论文 第二章同步检测控制系统的硬件结构设计 2 1 同步检测控制系统硬件结构 本课题的实验平台为大连重工小蜜蜂轨道式数控切割机，其轨道间距为8 米， 其简化结构图如图2 1 所示，切割机喷头位于横梁上，由电机控制沿x 方向移动， 横梁两端位于轨道上，两侧各有一个电机控制横梁整体沿y 方向移动，三台电机在操 作系统的控制下联动，按照预先编好的插补算法，使切割头完成相应几何曲线轨迹 的加工。先前的这种轨道式数控切割机只在一侧有驱动横梁沿y 方向移动的电机， 当机床工作时，电机先驱动横梁一侧，之后带动另一侧开始沿轨道移动，这样两侧 运动的时间不一致，加上轨道间距很大，轨道间的传动机构连接都会不可避免的存 在空隙和摩擦阻力，机械变形等等因素，于是横梁两侧的运动肯定存在时间误差， 体现在横梁上即为移动位置误差。 图2 1 轨道式数控切割机简图 f i g 2 1d i a g r a mo ft r a c km o d e lc n cc u t t i n gm a c h i n e 针对以上情况我们提出了双侧电机同步检测控制系统。系统结构采用p c 机结合 p m a c 运动控制卡的形式，上位机为工业控制计算机研华i p c ，下位机为p m a c 运动控 制卡，伺服部分由伺服电动机和驱动器构成，伺服电机采用松下m h m a 3 0 2 p i g 型号交 流电机，驱动器采用配套的m f d d t a 3 9 0 0 0 3 ，适用于m h m a 大惯量电机，电压采用三 相2 0 0 v 交流电压。p m a c 卡的输出端口输出速度模拟量信号，通过交流伺服驱动器驱 动伺服电动机工作，系统的速度环路主要是由通过电机轴上的光电编码器反馈电机转速 信号构成，试验中两个电机的编码器反馈其速度信号，两路反馈信号同时反馈到控制卡， 经p m a c 计算后得到差值，获得两电机动态运行状态下的同步位置差，根据差值计算 8 ，丫 y 第二章同步检测控制系统的硬件结构设计 补偿值，产生控制信号驱动电机完成下一步运动并减小误差。执行完后反馈装置会再次 检查并反馈信号，这样周而复始的循环达到同步的目的。系统原理整体结构如图2 2 所 不。 图2 2 同步控制系统原理结构图 f i g 2 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fs y n c h r o n o u sc o n t r o ls y s t e m 2 2 运动控制技术概述 数控技术是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法，通常将数 控技术简称为数控( n u m e r i c a lc o n t r o l ，n c ) ，现代数控技术大多采用的计算机控制来 完成各个动作命令，因此，数控技术又称为计算机数控( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r o l ， c n c ) 【1 2 l 。 高速、高精度一直是运动控制技术领域追求的目标。一方面充分利用高端处理器的 计算能力，进行复杂的运动规划、高速实时多轴插补、误差补偿和更复杂的计算，使运 动控制精度更高、速度更快、运动更加平稳；另一方面充分利用当前数字控制软硬件技 术，使系统的结构开放化，根据用户的实际要求不断完善技术，设计出个性化的运动控 制器将成为市场应用的两大方向。 运动控制器是通过对由电机驱动的执行机构进行运动控制，以实现预定运动轨迹目 标的装置。其特点为技术更新快，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制，是传 统数控装置的换代产品；结构形式模块化，可以方便地相互组合，建立适用不同场合、 不同功能需求的控制系统；操作简单，在p c 机上经过简单编程即可实现运动控制，而 不一定需要专门的数控软件。 o 大连交通大学下学硕+ 学位论文 2 3p m a c 运动控制卡基本介绍 2 3 1p m a c 运动控制卡的概念 基于总线d s p 处理器的运动控制卡p m a c 全称可编程多轴控制器( p r o g r a m m a b l e m u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) ，是美国d e l t at a ud a t as y s t e m s 公司于1 9 9 0 年推出的基于p c 机 平台的开放式运动控制器。它取代了先前数控系统的集成控制芯片，是现代数控系统中 最常用的伺服控制系统。控制卡以强大d s p 处理器计算功能为基础，能完成运动轨迹 控制，插补运算，定时控制和p l c 时序控制等功能。它把工控机的c p u 处理能力和控 制卡功能通过总线结合在一起，使得运动控制精度提高、速度加快、运行也更平稳。这 种工控机和运动控制卡构成的数控系统被广泛应用于各种制造加工行业领域中。 p m a c 采用了摩托罗拉公司的高性能数字信号处理器d s p 5 6 0 0 0 ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ) 作为c p u ，能同时控制1 到8 根轴，也可控制同一机器上的8 根轴及他们之 间的任意组合，其灵活性高，它可以单独执行存储在存储器内的程序，也可以执行运动 程序和p l c 程序，还可进行伺服环更新以及以串口、总线两种方法与上位机进行通信。 它可以自动对任务优先级进行判别，从而进行实时多任务处理，是目前功能强大的运动 控制卡之一。一台p c 机上可以同时插入四块p m a c 卡，即一台p c 机可以最多控制3 2 根轴，也可通过多卡连接方式外扩1 2 8 根轴，由此可见p m a c 卡功能十分强大 1 2 , 1 3 1 。 p m a c 具有很强的伺服控制性能，p m a c 的伺服控制的精度处在同一行列控制卡技 术的前列。在处理能力方面，p m a c 运动控制器的伺服更新率达到2 0 3 0 m h z ，是一般 运动控制器的5 倍以上，执行效率可达到每秒处理5 0 0 7 5 0 个程序块，是一般运动控制 器的5 倍以上，伺服算法可以达9 项，控制精度更高。p m a c 运动控制卡轨迹更新率达 5 0 0 7 5 0 h z 、计算位数为5 6 位、输出位数为1 6 位；在输入带宽特性上，p m a c 运动控 制器的串行输入带宽就可达1 0 1 5 m i - i z 是一般运动控制器的1 0 1 5 倍，主要应用在各种 类型的数控机床、各类机器人、食品生产线、印刷、包装、卫星的定位跟踪、航天航空、 船舶工业及各种机床的改造等机电一体化的工业生产中。 2 3 2p m a c 运动控制卡的硬件结构 p m a c 的核心硬件为m o t o r o l a5 6 0 0 0 系列d s p 的4 0 m h z c p u ，板上的存储器用于 存放系统控制软件和用户程序，i o 接口和伺服接口用于连接外部输入输出信号和伺服 电机，板上的显示接口允许连接一个2 x 4 0 的字符液晶显示器，c p u 与外部编码器及电机 放大器接口都集成在控制板的两个g a t e 上，每一个g a t e 都包括：四路相同编码输入 通道；四个1 6 位串并行转换器，用来接收a d 数据；2 0 个数字量输入；8 个数字量输 出。这个芯片能够控制四个模拟输出通道，四个作为输入的编码器，和四个来自附件的 模拟驱动输入。 1 0 第二章同步检测控制系统的硬件结构设计 此卡本身就是一个带有独立处理器芯片的系统，可以单独使用，也可以插入p c 机 中，构成开放式控制系统，其硬件结构如图2 3 所示。 缸 潞 蒜 口 口湖茸 匐 甜贾 帮蟊 瘸。 i 酣翅li h 甜蒜l ； l 招1 “ 1i 肃豇 滋炼 口商 囊羹蛩 驰封孓 矾雌 墨3 稚替 a 口菇誉 ll= 里墨兰i | i 一一一一一一一一一一j o 銎薹罨善叟 l ，盈一 躲蟊3 耳弱吾 潞巷 1 一 口禁茸 一口蒜替 匡卜 鞫| 雁 l 耵li 一 霎嘉量 岛j 赢岳 煤岢 口商 o 口 雾季 雾蚕 d # 躲蛋 图2 3p m a c 的硬件结构图 f i g 2 3t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fp m a c 蒜 口 h ： 蒜 口 口蔷 蒜沫 口葺 蒜珂 口a 蒜鼠 口爿 巷冲 翌 蒜襄 口毒 蒜酲 口史 各端口及部分模块介绍： 模拟量端口：一个2 0 芯头模拟输入输出端口，可提供8 个1 6 个电压范围0 - 5 v _ 2 5 v 大连交通大学t 学硕十学位论文 的模拟输入量。 拨码开关接口：一个2 6 芯头的多路连接器，提供8 入8 出t r l 电平，用于连接拨 档开关；不做开关用时也可以用作一般的输入输出端口。 通用i o 接口端口：一个4 0 芯头的连线端口，用于一般的输入输出端口连接，提 供3 2 路t r l 电平的输入和输出。 光纤通信接口端口：一个光纤连接器，用于高速通讯及网络互连。 串行端口：用于串行通讯的连接端口，可提供r s 2 3 2 串行口与外设进行通讯。 显示端口：连接一个显示器，通过p m a c 的附件产品来控制l e d 显示器。 手动脉冲输入端口：连接手动脉冲发生器的连接器。 位置比较器端口：由8 个光电编码器通道提供位置比较信号。 伺服轴控制端口：p o r t l 、p o r t 2 、p o r t 3 、p o r t 4 端口分别控制8 个伺服轴，按顺序每 端口分别控制两个伺服轴。每个端口有1 0 0 个芯头，通过接线端子( p m a c 的附件) 输 出信号控制外部设备。 s r a m1 2 8 x 2 4 动态存储器：1 2 8 k 的2 4 位编译或组合的程序存储w , ( s r a m ) ，开机 时p m a c 的各种参数配置调入此存储器，p m a c 工作时直接从此存储器内调用数据； 也可以存储用户的运动程序以及没有编译的p l c 程序。关机时存储器内的数据丢失。 f l a s h5 1 2 k x 8 存储器：5 1 2 k 的8 位闪存，用于存储用户变量等p m a c 卡的配置 以及用户的程序。 看门狗定时器：p m a c 控制卡的固有监视时钟，这个子系统给软件故障提供了故障 安全关断功能。p m a c 由于监视时钟而断开硬件电路，必须要有两个条件。第一，它必 须检查到一个比4 5 7 v 高的直流电压。如果电源电压比这个值低，电路的继电器将断开 而且这个卡将关断。第二，时钟必须检查到一个频率比2 5 h z 高的方波输入( 由p m a c 软 件提供) 。在前台，实时中断程序设置了该信号，然后后台程序重新设置该信号。 d p r a m8 k x l 6 储存器：双端口存储器，内有8 k x l 6 位的存储单元，并有总线仲裁 机构，允许p m a c 与主机共享一块快速存储空间。主要用来与p m a c 进行快速的数据 通讯和命令通讯【3 ，0 , 1 1 , 1 3 - 1 5 1 。 2 3 3p m a c 运动控制卡的软件结构 ( 1 ) p m a c 的控制卡的软件大致可以分为三个部分：命令、变量、程序。 命令 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