[电脑基础知识]X-Y工作台微型计算机控制试验系统说明书.doc

本科生毕业设计本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 X-Y worktable microcomputer control experiment system 学生姓名 所在专业机械设计制造及其自动化 所在班级 申请学位工学学士 指导教师职称 副指导教师职称 答辩时间2006 年 6 月 10 日 目 录 目目 录录 设计总说明 I INTRODUCTION.II 1绪论.1 2XY 工作台的设计1 2.1设计要求1 2.1.1设计任务2 2.1.2设计参数的确定2 2.1.3方案的分析、比较、论证2 2.1.4进给伺服系统总体方案方框图2 2.2传动比的确定3 2.3初选伺服电机3 2.4丝杠的选型及计算4 2.4.1计算丝杠承受的质量4 2.4.2计算铣削力4 2.4.3滚珠丝杠螺母副的选型和校核5 2.5导轨的选型及计算9 2.5.1初选导轨型号及估算导轨长度9 2.5.2计算滚动导轨副的距离额定寿命10L 2.6伺服电机的验算11 2.6.1传动系统等效转动惯量计算11 2.6.2验算矩频特性12 3伺服电机控制原理.14 3.1交流伺服电机介绍14 3.2交流伺服电机的控制模式14 3.2.1位置控制模式（Pr02=0）14 3.2.2速度控制模式（Pr02=1）15 3.2.3转矩控制模式（Pr02=2）15 3.3伺服电机的 PID 调节方案15 4运动控制卡控制原理.18 4.1DSP 芯片 TMS320LF2407 介绍.18 4.2PCI 总线与 DSP 通讯电路.19 4.2.1PCI 总线接口电路.20 目 录 4.2.2PCI-DSP 通讯电路.20 4.3参数曲线的时间分割插补算法21 4.3.1 时间分割插补原理.22 4.3.2参数曲线自适应插补算法22 4.4DMC3000 控制卡中的固化函数.25 5硬件连接.27 6PC 端控制软件设计28 6.1主界面简介28 6.1.1参数设定界面28 6.1.2NC 代码格式.28 6.1.3程序基本操作28 6.2NC 代码的读取.29 6.3插补过程31 6.3.1直线插补31 6.3.2逆圆插补35 6.3.3顺圆插补37 6.4运动卡固化函数调用40 鸣 谢42 参考文献43 设计总说明 设计总说明 本设计结合机电一体化课程教学环节需要，设计用微型计算机作为控制系统的 X-Y 工作台。通过论述 X-Y 工作台机械结构设计和控制电路接口设计,阐述了机电一体化设 计中的共性和关键技术.并用 VB 软件设计了一个实验系统的控制界面，使操作更简便。 本设计采用的雷赛 DMC3000 运动控制卡以 DSP 芯片 TMS320LF2407 作为处理器，基 于 PCI 总线开发了多轴开放式运动控制器，并采用 PCI 9052 和 ISP-1581 作为接口芯 片构建 PC-DSP 通讯电路，利用 CPLD 器件 EPM7128 构建两路 QEP 信号处理电路并辅助 完成译码等功能，接口卡负责完成控制卡与外部器件的互联并进行光电隔离和电平转 换。 PC 端控制软件完成与上位机的通讯，调用 DSP 内部嵌入的许多控制算法，包括基 于前馈补偿的 PID 控制算法、参数曲线的自适应时间分割插补算法、直线/圆弧插补算 法等。同时，控制软件还调用 DSP 提供的丰富的动态链接库函数供用户调用，并在此 基础上开发了测试软件。实验和仿真结果表明，系统设计合理，具有实时性好，跟随 误差小，加工精确度高等优点。 关键词：X-Y 工作台；微型计算机；运动控制卡 ABSTRACT I INTRODUCTION Originally design combining electro mechanics integrated course teaching link to need, design the X-Y worktable which use microcomputer as the control system. Through expounding the design of the of the X-Y worktables mechanical structural and the interface of the control circuit, have explained the generality and the key technology in the electromechanical integrated design. And design one control interface of the experimental system with the VB software, which make operating simpler and more convenient. This thesis develops multi-axis motion controllers based on PCI bus respectively with TMS320LF2407 as their processors. PCI 9052 and ISP-1581 chips are adopted to construct the PC-DSP communication channel; CPLD component EMP7128 is used to achieve the functions of two groups of QEP signal processing and address decoding; at the same time, the auxiliary I/O card is also developed to connect the controller and external components after photo-electricity isolation and level transformation. Besides the communicating with PCs, the DSP has also been embedded many control algorithms, including the PID control algorithm with feed-forward compensation, the parameter curve auto-adapted time-division interpolation algorithm, the line/circle /NURBS interpolation algorithm, etc. A lot of dynamic link library functions are also provided for the users, and test software is developed with the functions. Experiment and simulation result indicates that the system is designed reasonably, with many advantages such as good real- time performance, little following error and high processing precision. KEYWORDS: The X-Y worktable；Microcomputer；Motion control card 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 0 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 毕业设计说明书 1绪论 机电一体化毕业设计在机电一体化专业教学中占有重要位置，它关系到学生知识 的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力。因此设计内容选择很重要。 基于微型计算机控制的 X-Y 工作台是典型的机电一体化系统，以此为设计内容有较强 的教学研究意义。 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响 到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工 业发达国家均采取重大措施来发展的数控技术及其产业。在我国，数控技术与装备的 发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。特别是在通用微机数控领域， 以 PC 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问题，特别是在技术创新能力等方面情况尤为突出。在新 世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整 体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究 开发部门所面临的重要任务。 本设计是以 PC 平台为基础的数控 X-Y 工作台实验系统，它具有直线插补和圆弧插 补等数控系统所使用的常用功能，结构简单，操作方便，控制精度相对较高, 可靠性、 稳定性和实用性都很好。 2XY 工作台的设计 2.1 设计要求 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 1 2.1.1 设计任务 2.1.1.1 机械结构装配图，A0 图纸一张。要求重要剖面表达完整，向视表 达完整，视图适合标准。 2.1.1.2 X-Y 工作台与 PC 接口线路图 2.1.2 设计参数的确定 由静止到最大快进速度过度时间 0.1s P t 工作台行程 纵向 180mm 横向 120mm 最大快进速度 纵向和横向 3m/min 铣削最大宽度 4mm 0 a 铣削最大深度 2mm p a 最大铣刀直径 16mm 加工材料 碳钢 2.1.3 方案的分析、比较、论证 2.1.3.1 数控 XY 工作台的总体方案设计应考虑以下几点： A工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用 连 续控制系统。 B在保证一定加工性能的前提下，结构应简单，以求降低成本。因此进给伺服 统采用伺服电机开环控制系统。 C纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的伺服电动机、联轴器、 丝杠螺母副组成。 D为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚 珠 丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。 E为减少导轨的摩擦阻力，选用矩形滚动直线导轨。 2.1.4 进给伺服系统总体方案方框图 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 2 2.2 传动比的确定 当 1 时，可使伺服电机直接与丝杠联接，有利于简化结构，提高精度。因此本i 设计中取 1。i 2.3 初选伺服电机 根据公式 p bL i 360 0 其中 为传动比，为电机步距角，为滚珠丝杠导程，为脉冲当量。i b 0 L p 因为 1，现取4mm， 4.05o,得0.045mm。i 0 L b p 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。以山洋全数字式交流 伺服电机为例，对于带标准 2000 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 360/8000=0.045。因此根据检测器省配线数 2000，初选山洋 P50B05020DXS 型伺服电机。 微 机 运 动 控 制 卡 运 动 控 制 卡 驱 动 器 驱 动 器 伺服电 机 伺服电 机 X 向 Y 向 联轴器 联轴器 图 2-1 进给系统总体方案方框图 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 3 2.4 丝杠的选型及计算 2.4.1 计算丝杠承受的质量 工作台的行程为 X180mm，Y120mm。工作台尺寸一般为工作台行程的 1.1 倍。 所以：X1801.1198mm, Y1201.1132mm。圆整，取 X200mm,Y150mm。 选择工作台的型槽为 T 型槽，查袖珍机械设计师手册表 3-25 可得所选 T 型槽 的参数： A12mm B21mm C9mm H20mm 间距取 50mm 一取工作台厚度为 T 型槽厚度的 2 倍， 即 22040mm。 工作台质量：0 7.810-3201549.36kg,即纵向丝杠所承受的质 量。因工作台有 T 型槽，故取 09kg。(减去 3 个 t 型槽的重量得到的大概数值) 横向丝杠所要承受的质量 为工作台质量加上拖板质量，一般以工作台质量的 3.5 倍计。即 3.5927kg。 2.4.2 计算铣削力 2.4.2.1 切向切削力的计算 Z F 选用高速钢直柄立铣刀，其铣削力公式为： ZdaaaCF tpfeFZ 86 . 0 72 . 0 86 . 0 81 . 9 查得68.2，16mm，4mm，0.020.04mm ，2m F C t d e a f a p a （公式和参数查机电综合设计指导书 ，湛江海洋大学 2005 年 3 月 P10） 查机械加工工艺设计手册 ，航天工业出版社 P632，得直柄立铣刀的齿数： 3（粗）和6（细） 。ZZ 以细齿计算得： . 147.238616204 . 0 4 2 . 6881 . 9 86 . 0 72 . 0 86 . 0 Z F 2.4.2.2 进给工作台工作载荷的计算 根据机电综合设计指导书表 2-1，可得： A H B C 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 4 .40 . 0 / ,80 . 0 / ,85 . 0 /FL ZC ZV Z FF FF F 其中，为工作台纵向进给方向载荷，为工作台垂直进给方向载荷，为工作台横向进 L F V F C F 给方向载荷。 所以， .259.95147.23840 . 0 ,518.190147.23880 . 0 ,425.202147.23885 . 0 C V L F F F 2.4.3 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 滚珠丝杠螺母副初步选型的主要依据是根据最大工作载荷和最大静载荷。初步选 型后，进行轴向刚度验算和压杆稳定性验算。 2.4.3.1 最大工作载荷的计算 本设计中，选用矩形滚动直线导轨。见机电综合设计指导P14，得滚珠丝杠上 的工作载荷： )(FmGFFfKF CVL 其中，为工作台纵向进给方向载荷，为工作台垂直进给方向载荷，为工 L F V F C F 作台横向进给方向载荷，G 为移动部件重力.和分别为考虑颠覆力矩影响的实验系K f 数和导轨上的摩擦系数，对于矩形滚动导轨取1.1，0.005。K f 所以， 纵向：537.242)9.89259.95518.901 (0.005425.0221.1Fm 横向： 420.252)9.872259.95518.901 (0.005425.0221.1Fm 2.4.3.2 最大动载荷的计算和主要尺寸的初选C 滚珠丝杠最大动载荷可用下式计算：C 见机电综合设计指导式（2-14）P15 mmF fL 3 C 式中：为工作寿命，； 为丝杠转速，； 为最大切L 6 10/60ntL n 0 /1000Lvn v 削力条件下的进给速度，可取最高进给速度的 1/21/3，现取 1/3；为丝杠导程； 0 L 为额定使用寿命，可取 15000h；为运转状态系数，现1.5；为丝杠工作tt m f m f m F 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 5 载荷； 因为， )10(225 10 1500025060 10/60 min/250 4 3/131000 /1000 6 6 6 0 rntL rLvn 所以，纵向：451.2048537.2425 . 1225C 33 mmF fL 横向：580.2056420.2525 . 1225 C 33 mmF fL 查机电综合设计指导书P14, 本设计选内循环滚动螺旋副: FLM1604-3-P4 查袖珍机械设计师手册表 P1014 表 19-24，根据4mm，选丝杠公称直径 0 L ，有：mmdm16 ,9700C ,1005C , 552 33 2.381DW oa a mm 额定静载荷 额定动载荷 丝杠螺旋升角 ，列数圈数 ，滚珠直径 因为，所以初选的丝杠螺母副合格。NCN a 5100580.2056C 2.4.3.3 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 见机电综合设计指导公式（2-15）P15 )( tg tg 式中：为丝杠螺旋升角，为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 0.0030.004,f 其摩擦角约等于。0 1 所以， 94 . 0 )01552( 552 )( tg tg tg tg 2.4.3.4 刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形、丝杠与螺母之间滚道的接触变形、 丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。 滚珠丝杠的扭转变形较小，对纵向变形的影响更小，可忽略不计。螺母座只要设计合 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 6 理，其变形量也可忽略不计，只要滚珠丝杠支承的刚度设计得好，轴承的轴向接触变 形在此也可以不予考虑。 A A丝杠的拉压变形量丝杠的拉压变形量 1 滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量，其计算公式为 见机电综合设计指导公式（2-15） EA LFm 1 P23 式中：为在工作载荷作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量（mm） ；为丝杠 1 m F m F 的工作载荷(N)；为滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm)；E 为材料弹性模量，对钢L E20.6B104MPa；A 为滚珠丝杠按内径确定的截面积（mm2） ；“”号用于拉伸， “”号用于压缩。 根据滚珠直径 DW2.381mm， 22 2 1 1 023.14592 5 . 13 4 14 . 3 d 4 A 592.13238 . 1 2034 . 0 21622d 034 . 0 )2/381 . 2 238. 1 (707 . 0 )2/(707 . 0 381 . 2 238 . 1 381 . 2 52 . 0 52 . 0 mm mmRed mmDRe mmD mmDR m w w W 截面积滚珠丝杆按内径确定的 螺杆小径 偏心距 滚珠直径 螺纹滚道曲率半径 公式见机电一体化设计基础P25，其中， 为丝杠公称直径。为丝杠底径。 m d 1 d 取纵向进给的丝杠长度 L300mm，横向进给的丝杠长度 L300mm。 所以，纵向：mmmm0.002210548 . 2 2 023.4511020.6 300537.242 4- 4 1 横向：mmmm0022 . 0 10637.22 023.14510 6 . 20 300420.225 4 4 1 B B滚珠与螺纹滚道间的接触变形量滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关。其 计算公式： 有预紧时 见机电综合设计指导公式（2-17）P23 3 2 w m 2 D F 0013 . 0 ZFYJ 式中：为滚珠直径（mm） ；为滚珠总数量圈数列数；Z 为一圈的 w D Z ZZ 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 7 滚珠数， -3（内循环） ；为滚珠丝杠的公称直径（mm） ；为滚珠丝杠的工 wm Dd/Z m d m F 作载荷（kgf） ；为预紧力（kgf，1kgf=9.8N） ，取工作载荷的 1/3。 YJ F m F 因为，91 1 . 183 2.381 613.14 Z 圈数列数1933191 ZZ 纵向：846.74537.224 3 1 3 1 FYJ m F 横向：14 . 5 7420.252 3 1 3 1 FYJ m F 所以，纵向：0.0016mm 191846 . 4 72.381 224.537 0.0013 32 2 横向：0.0016mm 19114 . 5 72.381 225.420 0.0013 32 2 因为滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为工作载荷的 1/3 时， 值可减少一半左右。 2 所以纵向和横向：。 2 0.0008mm C滚珠丝杠副刚度的验算 丝杠的总的变形量应小于允许的变形量。一般不应大于机床进给系统 21 规定的定位精度值的一半。 因为，纵向：mm0030 . 0 0008 . 0 0022 . 0 21 横向：mm0030 . 0 0008 . 0 0022. 0 21 机床进给系统规定的精度值为 0.01mm，其一半为 0.005mm0.003mm。 所以，总的变形量和机床进给系统规定的定位精度值的一半小，故纵向和横向的 滚珠丝杠可以满足要求。 2.4.3.5 压杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作载荷过大，将使丝杠失去稳定 而产生纵向弯曲，即失稳。失稳时的临界载荷为 K F 见机电综合设计指导公式（2-18）P24 2 2 L EIf F Z K 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 8 式中： I 为截面惯性矩，对丝杠圆截面（d1为丝杠底径） ；L 为丝杠最)( 64 4 4 1 mm d I 大工作长度（mm） ；E 为材料弹性模量，对钢 E20.6104MPa；为丝杠支承方式系 Z f 数。 本设计中，丝杠为短丝杠，故支承方式选用一端轴向固定一端简支，即0.20。 Z f 。)(492.1674 64 592.1314 . 3 64 4 4 4 1 mm d I 所以，纵向： 829.7557 300 492.167410 6 . 2014 . 3 20 . 0 2 42 K F 横向： 829.7557 300 492.167410 6 . 2014 . 3 20 . 0 2 42 K F 临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于许用稳 K F m F K n K n 定性安全系数，则滚珠丝杠不会失稳。因此，滚珠的丝杠的压杆稳定条件为 K n 见机电综合设计指导公式（2-19）P24 K m K K n F F n 一般取2.54，考虑到丝杠自重对水平滚珠的丝杠的影响可取4。 K n K n 又因为，纵向： 466.33 537.224 829.7557 K m K K n F F n 横向： 453.33 420.225 829.7557 K m K K n F F n 所以，纵向和横向的滚珠丝杠都不会失稳。 2.4.3.6 滚珠丝杠螺母副的选择 根据最大动载荷选用，其代号为：MDTMDT 1604-3-P31604-3-P3 由机电综合设计指导表 2-12 查得 MDTMDT 1604-3-P31604-3-P3 的安装连接尺寸(mm): 公称直径基本道程滚珠丝杆 副规格 dmL0D1DD4BD5D6h 1604164285238115.5105.7 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 9 2.5 导轨的选型及计算 2.5.1 初选导轨型号及估算导轨长度 导轨为直线滚动矩形导轨，本设计中共用 4 条导轨，每条导轨用 2 个滑块，根据 纵向最大动载荷 C=2048.451N,横向最大动载荷 C2056.580N，通过查机电综合设计 指导表 2-16 P33，初选 4 条导轨的型号都为 GDA20SV。其部分参数如下： mmlmml6020 21 ， 根据工作台的长度和工作台的行程，从机电综合设计指导表 2-16 中查得公式 。式中 为支座长度；为导轨两孔之间的距离。可算得纵向导轨的 21 2nlllln 10，横向导轨的10。nn 估算出导轨的长度为：纵向进给的导轨长度为 640mm，横向进给的导轨为 640mm。 2.5.2 计算滚动导轨副的距离额定寿命L 滚动导轨副的距离额定寿命可用下列公式计算： 滚动体为球时 见机电综合设计指导公式（2-20） 3 50 W CTHa f fff F C L P30 式中：为滚动导轨副的距离额定寿命（km） ；为额定载荷（N） ，从机电综合L a C 设计指导表 2-10 查得12400N；为硬度系数导轨面的硬度为 5864HRC 时， a C H f 1.0；为温度系数，当工作温度不超过 1000C 时，1；为接触系数，每 H f T f T f C f 根导轨条上装二个滑块时0.81；为载荷/速度系数，无冲击振动或 C f W f 时，1-1.5 取=1.5。min/60mv W f W f 为每个滑块的工作载荷（N） 。F 纵向：134.564/537.2244/ m FF 横向：355.564/420.2254/ m FF 当加工时，考虑到工作台要承受工件的重量和铣削力等载荷，而这些载荷都通过工作 台直接作用滑块上，故取纵向和横向都为 F100N。 所以，纵向和横向： 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 10 50km15011kmm08.50112321 1.5 0.8111.0 100 12400 50 3 L 大于滚动导轨的期望寿命，满足设计要求，初选的滚动导轨副可采用。L 2.6 伺服电机的验算 2.6.1 传动系统等效转动惯量计算 传动系统是转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统 的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算问题。 最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。 本设计需要对电机转子,联轴节,丝杠,工作台进行转动惯量的计算。 2.6.1.1 电机转子转动惯量的折算 D J 由机电综合设计指导表 2-11 P34 查出,初选 P50B05020DXS,=0.173cm2 D J 2.6.1.2 联轴器转动惯量的折算 L J 选用 TL1 联轴器(查机械设计实用手册化学工业出版844323 4820 2210 GB J J P666)，可查出它转动惯量为 0.0004m2，得出4cm2。 L J 2.6.1.3 滚珠丝杠转动惯量的折算 S J 查机电综合设计指导表 4-2 P119，得出 1m 长的滚珠丝杠的转动惯量为 0.94cm2，纵向进给的丝杠长度 L300mm，横向进给的丝杠长度 L300mm，所以滚 珠丝杠转动惯量纵向：=0.940.3=0.282cm2；横向：=0.940.3=0.282 S J S J cm2。 2.6.1.4 工作台质量的折算 G J 工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量可按下式进行 G J 计算： 见机电综合设计指导公式M L JG 20 ) 2 ( （2-6）P8 式中，为丝杠导程（cm） ；为工作台质量（kg） 。 0 LM 所以，纵向： 2 2 20 037 . 0 9 14 . 3 2 4 . 0 ) 2 (cmkgM L JG 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 11 横向： 2 2 20 110 . 0 27 14 . 3 2 4 . 0 ) 2 (cmkgM L JG 2.6.1.5 传动系统等效转动惯量计算 J 纵向： 2 0.17340.2800.0374.490 DLSG JJJJJkg cm 横向： 2 0.17340.0280.1104.311 DLSG JJJJJkg cm 2.6.2 验算矩频特性 伺服电机最大静转矩是指电机的瞬时失速力矩，从山洋伺服电机说明书中查 maxj M 得。伺服电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系为： max 1.96 j Mm mq M maxj M maxjmq MM 查机电综合设计指导表 2-17 P38 得0.707。所以， 0.707 1.961.38572 mq Mm 伺服电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。伺服电机所需空载启 动力矩可按下式计算： 见机电综合设计指导公式（2-24）P27 0 MMMM KfKaKq 式中：为空载启动力矩（Ncm） ；为空载启动时运动部件由静止升速到最大 Kq M ka M 快进速度，折算到电机轴上的加速力矩（Ncm） ；为空载时折算到电机轴上的摩擦 Kf M 力矩（Ncm） ； 为由于丝杠预紧，折算到电机轴上的附加摩擦力矩 （Ncm） 。 0 M 有关的各项力矩值计算如下： Kq M 2.6.2.1 加速力矩 见机电综合设计指导公式（2-25）和（2-26）P37 360 10 60 2 max max 2max p b Ka v n t n JJM 式中：为传动系统等效转动惯量；为电机最大角加速度；为与运动部件 J max n 最大快进速度对应的电机最大转速；t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 12 的时间，为运动部件最大快进速度；为初选伺服电机的步距角；为脉冲当量。 max v b p max max 3000 4.05 750 /min 3600.045 360 b p v nr 纵向： 22 max 22 3.14 750 104.4901035.2465 6060 0.1 Ka n MJcm t 横向： 22 max 22 3.14 750 104.3111050.762025 6060 0.1 Ka n MJcm t 2.6.2.2 空载摩擦力矩 见机电综合设计指导公式（2-27） i LfG Mkf 2 0 P38 式中：为运动部件的总重量；为导轨摩擦系数； 齿轮传动降速比；为传动系数G f i 总效率，取0.8；为滚珠丝杠的基本导程。 0 L 纵向：cmMkf 028 . 0 18 . 014 . 3 2 4 . 0004 . 0 8 . 99 横向：cmMkf 084 . 0 18 . 014 . 3 2 4 . 0004 . 0 8 . 927 2.6.2.3 附加摩擦力矩 见机电综合设计指导公式（2-28） 2 0 0 0 1 2 i LF M YJ P38 式中：为滚珠丝杠预紧力；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，现取0.94。 YJ F 0 0 纵向：cmM 694 . 0 94 . 0 1 18 . 014 . 3 2 4 . 0846.74 2 0 横向：cmM 694 . 0 94 . 0 1 18 . 014 . 3 2 4 . 0140.75 2 0 所以，伺服电机所需空载启动力矩： 纵向：=0.3597N.m 0 35.24650.0280.69435.9685 KqKaKf MMMMcm 横向：=0.5154N.m 0 50.76200.0840.69451.54 KqKaKf MMMMcm 初选电机型号应满足伺服电机所需空载启动力矩小于伺服电机名义启动转矩，即 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 13 见机电综合设计指导P40 mqKq MM 从上式可知，纵向和横向的电机初步满足要求。 3伺服电机控制原理 3.1 交流伺服电机介绍 交流伺服电机一般由永磁同步电机、转子位置传感器、速度传感器组成，交流伺 服电机和它的驱动器组成一个伺服系统。早期的交流伺服系统是一个典型的速度闭环 系统，伺服驱动器从主控制系统接收电压变化范围为的速度指令信号。 max U max U 电压从变化到的过程中，伺服电机可实现从反转最高速变化到零，然后再 max U max U 变化到正转最高速。但是，这种交流伺服系统只能实现对速度的闭环控制，还不能直 接实现对位置的闭环控制。要实现对位置的闭环控制，必须在电机和控制系统之间构 成一个位置环。 为了适应数字化控制的发展趋势，国外一些厂家在九十年代初相继推出了带位置 环的全数字式交流伺服系统。不仅可以进行位置的闭环控制，还使得交流伺服电机可 以象伺服电机一样易于控制，上位控制器可以是运动控制器、PLC 或者直接是 PC 机等。 3.2 交流伺服电机的控制模式 以日本山洋公司的 Q 系列交流伺服系统为例，介绍这种交流伺服系统的控制原理。 这种伺服系统可在驱动器中由参数 Pr02 设置为位置、速度和转矩三种控制模式，现分 述如下。 3.2.1 位置控制模式（Pr02=0） 当伺服系统处于位置控制时，控制系统给伺服驱动器的信号是脉冲和方向信号。 这一点和伺服电机的控制方式类似。其接口电路如图 3-1 所示。 PULS1 PULS2 SIGN1 SIGN2 脉冲输入 方向输入 驱动器 内部 驱动器 内部 图 3-1 交流伺服系统位置控制接口电路 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 14 指令脉冲的输入方式可分为以下三种： 1正交脉冲指令 频率相同但相位相差 90的 A、B 两相脉冲分别从 PULS1、PULS2 和 SIGN1、SIGN2 送入伺服驱动器。A、B 两相脉冲的频率控制电机转速；脉冲数控制电机的角位移。 2CW/CCW 脉冲指令 即单脉冲工作方式。脉冲信号通过 PULS1、PULS2 进入驱动器，则电机按 CW 方向 旋转。若通过 SIGN1、SIGN2 进入驱动器，则电机按 CCW 方向旋转。脉冲频率控制电机 的旋转速度，脉冲数控制电机的角位移。 3脉冲+方向指令 脉冲信号从 PULS1、PULS2 进入驱动器，脉冲频率控制电机转速，脉冲数控制电机 的角位移。方向信号从 SIGN1、SIGN2 进入驱动器，高低电平控制电机的转向。 3.2.2 速度控制模式（Pr02=1） 在速度控制模式中，上位控制系统通过 SPD、GND 引脚给伺服驱动器输入一个 10V10V 的模拟电压，即可控制电机实现从负向最大转速到正向最大转速之间的 速度变化。电机转速和指令输入电压之间呈线性关系。 nV 速度指令除了可以由外部模拟电压来输入外，还可以在驱动器内部用四个参数设 置四种内部速度。通过驱动器的两个开关输入信号的四种状态组合选择其中一种。驱 动器可由内部参数 Pr52 对外部速度指令进行零漂调整。本文中的运动控制器就是采用 速度控制方式对伺服驱动器进行控制的。 3.2.3 转矩控制模式（Pr02=2） 通过外加10V10V 的电压，即可控制电机的转矩，与速度控制相似。电机的额定 转矩和输入电压之间呈线性关系，直线斜率可用驱动器内部参数设置。伺服电机工作 在转矩控制模式时，应限制其最大转速，以免驱动器产生过速报警。 3.3 伺服电机的 PID 调节方案 图 3-2 是运动控制器采用的 PID 调节原理框图，虚线框中的速度调节器和电流调 节器的功能由电机驱动器完成。电流环用来提高系统的动态响应指标，增强系统抗干 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 15 扰能力。速度环用于根据指令速度调节伺服电机的实际转速，在山洋伺服电机中，参 数 Pr11 和 Pr12 分别设置其速度环增益和积分时间常数、位置环包括位置 PID 调节和 速度、加速度前馈，由运动控制器底层程序完成，可根据位置偏差调节电机的指令速 度，实现精确定位、回零等；输出饱和控制主要在软件中实现，可保证输出电压不会 超过设定范围；静差补偿则可以消除由于放大器的零点漂移带来的偏差。速度环和电 流环分别在速度控制模式和转矩控制模式下发挥作用，因此在运动控制器采用的速度 控制模式中，主要由速度环和位置环构成双闭环。 设为 D/A 转换器的指令速度输出值，为第个采样时刻的位置偏差， n U n En 为第个采样时刻的指令位置，为第个采样时刻实际位 nett P)( arg n nactual P)(n 置，为第个采样时刻累积误差值，为当前目标速度，表 n n En ett V argett ACC arg 示当前目标加速度，表示电机静差补偿，则：B nactualnettn PPE)()( arg BKACCKV EK KEEKEU affettvffett n ni dnnpnn argarg1 256 )( 其中，分别表示比例增益、积分增益、微分增益、速 affvffdip KKKKK, 度前馈增益和加速度前馈增益。控制作用的强弱取决于比例增益，它相当于系统的刚 度，比例增益越大，调节速度越快，但会增加系统的超调。积分调节的作用是消除系 统输出的静差，但会降低系统响应速度，增加系统输出的超调。微分调节的作用是阻 止偏差的变化，偏差变化越快，微分调节器的输出也越大，因此微分作用的加入将有 图 3-2 PID 调节原理框图 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 16 助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。速度前馈和加速度前馈可以提高系统的 跟踪性能，减小跟随误差。图 3-3 是用在有前馈和无前馈的情况下用 Matlab 进行的圆 弧插补跟随误差比较。可以看出，在无前馈的情况下，电机跟随误差从开始的 63 个脉 冲在 0.137 秒后上升到 114 个脉冲，随后作类似余弦曲线的变化。引入前馈后，跟随 误差从开始的 63 个脉冲迅速上升到 109 个脉冲，然后逐渐下降，在大约 0.2 秒后稳定 在2 个脉冲之间。速度和加速度前馈的引入大大减小了系统的跟随误差。 编码器可以把机械转角变成电脉冲，主要分为光电式、接触式和电磁感应式。数 控系统中主要使用体积小、精度高、工作稳定可靠的光电脉冲编码器。光电脉冲编码 器分为增量式脉冲编码器和绝对式脉冲编码器。绝对式脉冲编码器结构复杂、价格昂 贵，实际应用中，增量式脉冲编码器应用更为广泛。 增量式脉冲编码器一般产生 A+、A-、B+、B- 、C+、C-、三对差分信号，差分信号 处理电路可以将三对信号进行整形、放大转变成 A、B、C 三相信号。每转产生一个 C 相（Index）脉冲，用来产生机床的基准点。通常，数控机床的机械原点与各轴的脉冲 编码器发 C 脉冲的位置是一致的，通过 Home+Index 回零实现。A 相和 B 相信号则由两 组近似正弦波、相差为的信号转变成两组相差为 90的正交编码脉冲，相角超前90 与滞后对应电机的转向，频率对应电机的转速，脉冲数对应电机的角位移。正交编码 脉冲由 4 倍频电路产生 4 倍频脉冲信号，再通过增减计数器对 4 倍频脉冲信号进行计 数，可以方便得获取电机的实际位置。同时，通过 M/T 测速法，根据在一个伺服周期 (s)内电机转过的脉冲数(pulse)可以计算得到电机的转速。如对于一个TN 2000pulse/r 的增量编码器的伺服电机，其速度(RPM)计算方法为：V 图 3-3 跟随误差比较 广东海洋大学 2006 届本科生毕业设计 X-Y 工作台微型计算机控制试验系统 17 60 RPM 2000 4 N V T 4运动控制卡控制原理 运动控制器由基卡和接口卡组成，如图 4-1 所示。单卡可以同时控制 1-4 轴伺服 电机的运动。基卡集成了 PC 机与 DSP 通信电路，DSP 辅助电路，存储器扩展电路， CPLD 译码、中断、正交编码处理电路，控制电压转换电路等。接口卡通过 62 针接头与 基卡相连。伺服使能、报警清除等输出信号经过光电隔离后通过 25 针接头对电机进行 控制或者连到 I/O 端子排进行输出；伺服电机编码器反馈信号经过差分处理和光电隔 离后输入基卡，伺服使能、伺服报警信号，回零信号、限位信号和通用 I/O 信号等也 通过光隔进行输入输出。 运行过程中，PC 机把粗插补的数据通过 PC 机与 DSP 通讯电路传递给 DSP 进行时间 分割精插补。在每一个伺服周期中，CPLD 器件 EPM7128 和 DSP 各处理两路反馈的正交 编码信号进以获取实时位置和速度，DSP 进行参数曲线的自适应插补计算出理论插补位 置，并与实际位置进行比较获取偏差值，以此作为输入基于速度和加速度前馈进行 PID 调节，计算获得速度控制量，产生的输出信号经 DAC7625 进行数模转换及放大电路放 大后将模拟电压量送伺服驱动器以控制电机。外部的伺服报警信号、通用输入信号、 回零信号、限位输入信号在 CPLD 中进行逻