(论文)力矩电机的控制系统设计与性能实验论文最新优秀毕业论文资料搜集呕血奉献

机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 1 力矩电机的控制系统设计与性能实验力矩电机的控制系统设计与性能实验 摘要摘要 现代高档数控机床的发展对转台旋转进给伺服性能提出了越来越高的 要求，在各种数控转台中，传统的驱动方式难以实现高精度加工。本文采 用 KOLLMIRGEN 力矩电机直接驱动数控转台，消除了中间传动环节，具响 应速度快、动态刚度和定位精度高等特点。 本文依据“零传动试验台”的具体要求，采用了“NC 嵌入 PC”的开 放式数控系统，采用工控机作为上位机，来处理数控系统中的弱实时性任 务，用 PMAC 运动控制卡作为数控系统的控制器，完成数控系统中的强实 时性任务；安装了 PMAC 运动控制卡的 IPC 与 Danaher Motion 伺服驱动器、 力矩电机组成了三环闭环的控制系统；利用 PMAC 提供的 PID 执行程序在 线调节整个系统的 PID 参数，优化系统的动态性能；利用 RENISHAW 激光 干涉仪测定电机的定位误差并编写误差补偿程序，实施误差的在线补偿。 通过对电机的调试和检测，电机的性能达到各项设计要求。 关键词：力矩电机，PMAC, RENISHAW 激光干涉仪 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 2 Design of Torque Motor Control System and Performance Test ABSTRACT The performance of the rotative feed servo is more and more important with the development of modern advanced numerical control machine ,in various NC rotary tables, the traditional drive mode is very difficult to implement high precise processing. The text taking kollmorgen direct drive NC rotary table, in this drive mode, all mechanical transmission elements are eliminated, and it has quick response ,high dynamic stiffness and position precision. According to requirement of zero mechanical transmission experimental table, this text taking “NC+PC” openning architecture, IPC was used as its supervisory to process weak real-time tasks in CNC, and PMAC motion control card was used as the control of CNC to process strong real-time tasks. stageThe whole system PID parameters had been adjusted online using the PID executive program provided by PMAC，optimized the dynamic performance of the system. The setting accuracy and the resetting accuracy of the Torque Motor had been determined by RENISHAW laser interferometer. system，and then the setting error compensation on-line had been realized by compiling the error compensation program Through the debug and detection of the motor, the performance index of it has fulfilled the designing requirement. Key words: Torque Motor, PMAC, RENISHAW laser interferometer 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 1 目目 录录 第第 1 章章.绪论绪论.1 1.1.课题研究的目的及意义.1 1.2.力矩电机的研究状况及发展趋势.2 1.3.国内外超精密数控系统中应用 PMAC 概况 .4 1.4.开放式数控系统.6 1.5.论文的主要内容与任务.7 第第 2 章章.伺服驱动单元伺服驱动单元.9 2.1.力矩电机.9 2.1.1.力矩电机的主要特点及应用9 2.1.2.KOLLMORGEN 力矩电机 D063M .10 2.2.伺服驱动器.11 2.2.1.驱动器的主要端口12 2.2.2.编码器的引脚及意义13 2.2.3.正弦编码器的反馈15 2.3.本章总结.15 第第 3 章章.PMAC 运动控制卡运动控制卡16 3.1.PMAC 运动控制卡的概述 16 3.2.PMAC 运动控制卡的功能简介 16 3.3.PMAC 运动控制卡的开放性 18 3.4.PMAC 运动控制卡的应用 19 3.5.本章总结.19 第第 4 章章.控制系统设计控制系统设计.20 4.1.控制系统的组成与分类.20 4.1.1.运动控制系统的组成20 4.1.2.运动控制系统的分类21 4.2.运动控制系统的电路设计.22 4.2.1.系统连线24 4.2.2.系统的电气控制29 4.3.运动控制系统的调试.29 4.3.1.I 变量的设置 .29 4.3.2.驱动器参数的设置32 4.3.3.电机 PID 参数的设定及调节 .33 4.4.系统安全.37 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 2 4.4.1.硬件超程限位开关38 4.4.2.软件超程限位38 4.4.3.跟随误差限制38 4.4.4.屏蔽技术38 4.4.5.光电隔离39 4.5.本章总结.39 第第 5 章章.系统精度检测实验系统精度检测实验.40 5.1.RENISHAW 激光干涉仪的测量原理.40 5.2.精度测量结果分析.41 5.2.1.基于 PMAC 的误差补偿功能 41 5.2.2.测量结果分析42 5.3.本章小结.44 第第 6 章章.结论及展望结论及展望.45 6.1.结论.45 6.2.展望.45 参考文献参考文献.47 致致 谢谢.50 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 1 第 1 章.绪论 1.1.课题研究的目的及意义 目前多轴联动数控机床的发展水平已经成为衡量一个国家制造装备业 水平的重要标志，国外发达国家已把数控转台直接驱动多轴联动数控机床 作为新一代产品的主流发展方向之一，并正在积极研制和开发。作为这种 高档次数控产品的核心问题之一直接驱动技术及其控制系统，是实现 高速高精度加工的一项关键技术。在各种数控转台驱动中，传统的驱动方 式通常是旋转伺服电机加蜗轮蜗杆副和齿轮副机构，由于存在着传动链， 虽有较好的静态刚度，但这种驱动方式要完成启动、加速、减速、反转及 停车等运动时，产生的弹性变形摩擦和反向间隙等将造成机械振动、运动 响应慢、动态刚度差及其它非线性误差，因而难以实现高精度加工1。解 决上述问题的途径之一就是采取直接驱动技术实现“零传动” 。两种传动 方式的最大区别就是取消了从电动机到工作台之间的一切机械中间传动环 节，如图 1.1 所示，伺服系统省掉了机械速度变换机构，将负载 图 1.1 旋转进给中的直接驱动 与电机的转子直接相连，把控制对象同电机做成一体化结构。直接驱动消 除了中间传动机构引起的消耗及产生的限制，直接提供推力给执行机构， 具有推力大、损耗小、电气时间常数小、响应速度快等特点，可以获得很 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 2 高的动态响应速度和加速度，较高的刚度和定位精度，可实现平滑的无差 运动。 正是由于直接驱动方式，电机的谐波转矩以及电机的电磁振动等因素 都将直接影响到转台的伺服精度和工件的加工质量。另外，由于回转送进 的外形尺寸小，机械结构复杂而紧凑，且要求中空孔径较大，因此，在如 此受限的空间内又要产生较大的转矩以满足切削强度和动态响应的要求， 就必须设计出高转矩密度的伺服电机。同时，转台亦在向快速、大扭矩方 向发展，亦需要上述的高转矩密度的环形力矩电机。如日本津田驹工业株 式会社的中 320 机械双转台允许切削扭矩为 780Nm。而解决以上这些问题， 不仅要求有一个较好的电磁设计方案，而且对电机加工工艺也提出了很高 的要求。 对转台日益苛刻的高速、高精度的技术要求，给其制造水平提出了新 的课题，同时也给转台力矩电机和控制系统的设计要求与实现提出了更高 的要求，高性能的电机和伺服控制系统是保证转台高性能的前提之一。 因此，本课题以教育部数控机床与机械制造装备集成重点实验室的建 设项目“零传动实验台”为背景，主要通过力矩电机的控制系统设计与性 能实验来完善“零传动试验台”的设计和提高其各项性能指标。 1.2.力矩电机的研究状况及发展趋势 力矩电机的成功应用轰动了国际机床界。许多发达国家及大公司都投 入了大量的精力从事研究此项技术，瑞士 ETEL 公司和美国 KOLLMORGEN 公 司均推出了“无刷环形电机扭矩电机” 。ETEL 公司曾为一台天文望远镜提 供一台直径达 2.5m，而厚度仅为 40mm，扭矩达 10000Nm 的环形扭矩伺服 电机。该公司还在宇航工业用的多轴联动铣床上应用了直径分别为 0.5m 和 1m 环形力矩伺服电机来代替蜗轮蜗杆副，加工精度和表面粗 糙度均大 有改善。目前除这两家公司外还有 MACCON、FANUC 等公司可提供一系列 尺寸和规格的环形力矩伺服电机。以 ETEL 为例，可提供电机外径尺寸范 围从 120mm 至 1260mm，扭矩从 1Nm 到 18000Nm 定位精度可达 0.5，重复 精度达 0.01，最低转速可达 0.01r/min。今年来该项技术获得迅速发展， 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 3 根据资料整理出如下数据(1)转矩范围：10Nm-10KNm；(2)运动转速范围： 0-300rpm；(3)控制精度：0.1。环形力矩电机的应用十分广泛，可应 用于转台上(如图 1.2 所示)，也可应用于摆头上3(如图 1.3所示)。 图 1.2 转台力矩电机直接驱动 图 1.3 复合主轴摆头力矩电机直接驱动 下表为国际上几家知名公司的力矩电机参数： The torque motor Parameter of several famous company in the world. 表 1.1 几家知名公司的力矩电机参数 其中，CYTEC 公司所采用的是永磁外转子结构，电机体积小、转距密 公司型号电机外 径(mm) 内孔 径 (mm) 电机厚 度(mm) 连续工 作力矩 (Nm) 峰值力 矩(Nm) 最高转 速(rpm) CYTEC410/75456250128.58001300100 MACCON410-1004302901234404403_ FANUCD2100/150is5654001308402100150 SIEMENS190-xxA10-1J5023421601300198070 ALXION400STK4M404258183935_200 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 4 度大，其余公司都是内转子，各家公司都采用水冷封装。 力矩电动机在国外已是成熟产品，国内尚处于萌芽状态。采用力矩电 动机的产品目前在国内应用还不是很多，价格是最大的制约因素，其次受 制于某些系统参数不开放。降低价格最好的办法是提高产量；目前国内已 有几家公司在致力于力矩电动机的生产，例如北京勇光高特微电机有限公 司，北京伊贝格技术有限公司。 国内对应用于机床进给伺服的力矩电机未见报道，有相关低速大扭矩 电机，特别是商用于电梯的电机产品己有相当规模的发展，沈阳蓝光公司、 宁波欣达公司、北京华滨自动控制技术公司、山东百斯特电梯有限公司、 常熟曳引机厂、北京名正维元公司都在进行永磁同步无齿轮曳引机的研制， 一些样机已经进行了实验4。 在 2005 年 4 月北京国际机床展览会上北京钧义志成公司展出了一台 自制力矩电机；中捷机床厂展出了带回转工作台的加工中心，转台电机扭 矩达到 190Nm，但该转台只能作分度使用，在金属加工时须处于抱闸状态， 无法实现转台边转动边加工，因而，机床无法实现对曲面零件的加工。 力矩电机展品的出现打破了国外产品垄断机床市场的局面，反映出我 国机床工业整体水平的进一步提高，对我国机械工业的发展具有非常重要 的意义。但无论是理论研究还是实用技术和新产品开发都与国外水平有很 大差距。传统的间接机械传动机构由于日益增长的对高速、高精度、高效 制造设备的需求与要求，已难以适应航空、航天、造船、机械、电子、模 具等诸多领域对加工设备提出的高新要求，有被环形伺服力矩电机直接驱 动逐渐取代的趋势6。 1.3.国内外超精密数控系统中应用 PMAC 概况 英国 Rank Pneum 公司在八十年代末开发了 Nanoform300 机床。该机 床不仅能够进行切削加工，还可以用金刚石砂轮进行磨削，能加工直径为 300 mm 的非球面金属反射镜，可用 PC XT /AT,VME,STD32 或 PCI 总线形 式。16/18 位的 DAC 输出分辨率，10/15MHz 编码计数率，高达 320MHz 的 有效输入带宽如图 1.4 所示。 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 5 图 1.4 Nanoform 300 数控系统 图 1.5 Nanoform 200 数控系统 机床的控制系统采用的是美国的 DELTA TAU 公司的可编程多轴运动控 制器（PMAC） 。该控制器采用了先进的数字信号处理技术。每个卡可控制 多达 8 个伺服轴，实现 5 轴联动加工。开发式的结构可控制任何型号的电 机，具有极强的处理能力和高度的灵活性，适于现今实际应用中的各种总 线结构、电机类型，反馈元件和指令数据结构，属于早期的 NC 嵌入 PC 式 的开发式数控系统，是开放式数控系统在精密加工中的一个较早的成功应 用。 美国摩尔公司目前最新的三台机床 Nanotech-500FG、Nanotech- 350UPL、Nanotechl50AG 当中，Nanotech-350UPL、Nanotechl50AG 采用的 都是开放式数控系统。 图 1.6 Nanotech 350UPL 数控系统 图 1.7 Nanotech 500FG 数控系统 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 6 与 Nanoform 300，Nanoform 250 相同，Nanotech350UPL 和 Nanotech500FG 采用的都是美国 DELTA TAU 公司的 PMAC 控制器，该控制 器可控制多达 16 个伺服轴，可执行高速位置锁存。控制器上所用的是高 达 33/66MHZ 的 RISC 处理器，其上的 i960 芯片能在一个时钟周期内执行 数条指令，控制器上集成了高达 32MB 的 DRAM，提供了强大的处理能力， 同其他开放式数控系统一样，也具有很强的灵活性，提供了丰富的支持软 件。 国内也开展了基于 PMAC 卡的开放式数控系统研究，其中浙江大学开 展的数控雕刻机机床数控系统，大连理工大学开发的大型铣床数控系统， 哈尔滨工业大学研制的六轴开放式纤维缠绕机数控系统，都是利用 PMAC 多轴控制器实现的多轴联动加工，性能可靠。哈尔滨大学研制的超精密车 床型号为 HCM-1，主轴回转精度0.05m，径向刚度 220N/m,轴向刚度 160N/m，导轨 Z 向的直线的0.2m/mm，X 向直线度 0.2m/mm，X,Z 向垂直度1，加工工件精度0.01m。是国内基 于 PMAC 的数控系统在精密加工中的较早的成功应用。 1.4.开放式数控系统 由于传统的数控系统采用专用计算机系统，软硬件对用户都是封闭的， 主要存在各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容、系统功能固定、人机 界面不灵活等缺点，使其发展受到了限制，为克服传统数控系统的缺点， 数控系统正朝着开放式数控系统的方向发展。 对于开放式数控系统，IEEE(国际电气电子工程师协会)是这样定义的： “一个开放式系统应能使得各种应用系统可以有效地运行于不同供应商提 供的不同平台之上；可以与其它应用系统相互操作，并具有风格一致的用 户交互界面” 。8。根据这一定义，开放式数控系统必须是一个全模块化 的软件体系结构。它具备互操作性、可移植性、可缩放性和可互换性的特 点，具有定义了标准协议的通讯系统，使得各个功能模块能通过应用程序 接口 API(Application Program Interface)来相互交换信息并相互操作； 同时，系统还应具备一个实时的配置系统，使得各个功能模块无论在系统 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 7 运行之初还是之间都能够被灵活地配置。 关于开放式数控系统的特征通常认为包括硬件系统的开放性和软件系 统的开放性，开放的硬件系统由模块化的速度控制单元、位置控制单元和 内置的 PLC 构成；开放的软件系统是指数控软件系统的设计模块化及模块 间的接口标准化。目前，开放式数控系统有 3 种实现途径。1)PC 机+数控 专用模板。2)IPC+可编程运动控制器。3)纯 PC 机型。 根据开放方式数控系统的发展、成本及其他因素，通常采用“IPC+可 编程运动控制器”的形式。这种基于开放式可编程运动控制器的系统结构 以通用工业控制机为平台，以 PC 标准插件形式的开放式可编程运动控制 器为核心。IPC 负责如数控程序编辑、人机界面管理等功能，运动控制器 负责机床的运动控制和逻辑控制。这种运动控制器以运动子程序的方式解 释执行数控程序，以 PLC 子程序方式实现机床逻辑控制，支持用户的开发 和扩展，具有上、下两级的开放性。代表产品有 WizdomControls 公司的 Paradym-31，此产品采用 Delta Tau 公司的 PMAC(Programmable MultiAxis Controller)可编程多轴运动控制卡嵌入 IPC 实现运动控制。 优点是：(1)成本低(采用标准计算机)。(2)可运行用户自定义的软件。(3)界 面比传统的 CNC 友好。 1.5.论文的主要内容与任务 本文根据开放式控制系统要求，以教育部数控机床与机械制造装备集 成重点实验室的建设项目“零传动实验台”为背景，主要完成力矩电机的 控制系统设计及其硬件连线和系统参数的调节，以及电机定位精度及重复 定位精度的测量。本论文将着重完成以下任务: 1. 阐明直接驱动技术的发展前景，说明利用力矩电机直接驱动数控转台 的现实意义。 2. 分析力矩电机及其驱动器的特点。 3. 分析 PMAC 运动控制卡的特点及使用。 4. 设计力矩电机的控制系统，完成其硬件连接。 5. 完成控制系统的参数调试。 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 8 6. 对控制系统精度进行检测分析并实现系统基于 PMAC 的误差补偿。 7. 对课题进行总结和展望。 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 9 第 2 章.伺服驱动单元 2.1.力矩电机 力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机。这种电机 轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力。力矩电机包括：直流力 矩电机、交 流力矩电机、 和无刷直流 力矩电机。 本次采用的 是 KOLLMORGEN 公司的力矩 电机，型号 为 D063M 如 图 2.1 所示。 图 2.1 KOLLMORGEN 力矩电机 2.1.1.力矩电机的主要特点及应用 当负载增加时，电动机的转速能自动的随之降低，而输出力矩增加， 保持与负载平衡。力矩电机的堵转转矩高，堵转电流小，能承受一定时间 的堵转运行。 力矩电机的特点是具有软的机械特性,可以堵转。当负载转矩增大时 能自动降低转速,同时加大输出转矩。当负载转矩为一定值时改变电机端 电压便可调速。伺服力矩电机采用全新电机设计理念和专利结构，使得它 的峰值力矩值可以提供 10 倍连续力矩，能量转换效率可以高达 98%。高 精度、大力矩直接驱动电机可以用在不适合加减速机构的场合，从而部分 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 10 代替电机+减速机的搭配应用，减小了体积，提高了效率，没有背隙，高 精度高刚性。响应快，定位精度可达 1arc-second 以内。 本系列电机的特性使其适用于卷绕，开卷、堵转和调速等场合及其他 用途，被广泛应用于纺织、电线电缆、金属加工、造纸、橡胶、塑料以及 印刷机械等工业领域。 2.1.2.KOLLMORGEN 力矩电机 D063M KOLLMORGEN 力矩电机具有如下优点： (1)连续转矩 5.3-339 N-m，应用广泛。 (2)转速高达 500RPM，符合大多数的高扭矩、低转速应用要求。 (3)功率高达 2040W，符合大多数应用的大功率要求。 (4)可靠的多速旋转变压器反馈，运行精密可靠。 (5)高分辨率正弦编码器反馈装置可提供极高的精度和可重复性。 (6)直接与负载连接，避免了减速箱、皮带或皮带轮的维护。 (7)零背隙和负载顺从性，提高了系统性能。 (8)单轴承和双轴承设计降低了静态摩擦 (9)防护等级 IP65 和 IP67 密封，防尘，无低压水锤现象。 (10)内置温控器，过热保护。 (11)消除了耦合部件，减小了机器尺寸。 表 2.1 D063M 的主要参数 系统性能符号单位数值 最大转矩 TpIb-ft N-m 38.0 51.5 连续转矩 正弦编码器 40 TcIb-ft N-m 13.1 17.7 最大工作速度 230V 单相电 N maxrpm rps 500 8.3 正弦编码器 分辨率 重复精度 精确度 counts/rev arc/sec arc/sec 2,097,152 0.62 26 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 11 机械性能符号单位数值 重量 WtIb kg 30.5 13.8 转动惯量 JmIb-ft-sec2 Kg-m2 0.0064 0.0086 最大轴压力 Ibf kg 4,500 2,040 D063M 的工作特性曲线如图 2.2 所示 图 2.2D063M 的工作特性曲线 2.2.伺服驱动器 本次采用 Danaher Motion 公司的 CD5 系列驱动器，型号 CB06550。 （如图 2.3 所示） 。其基本功能如表 2.2 所示。 表 2.2 Danaher 驱动器功能 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 12 功能说明 正弦编码器主控制板支持正弦编码器反馈。插补 点数最高可设置为 4096（MSININT） 。 正弦编码器校准正弦编码器信号被校准，以便提高插 补精度（SININIT） 。 Stegmann Hiperface 接口支持 Hiperface(Stegmann)接口。 SERCOS 实现 SEERCOSA 级柔性接口。SERCOSA 支持所有串行命令。 编码器仿真输出通过 ENCOUTMOD 增加用于编码器仿真 输出的脉冲上升/下降模式。 编码器初始化对于没有绝对位置指示的反馈装置， 支持零运动的编码器初始化方法 （Wake-no-shake 编码器初始化过程） 。 软旋转变压器在系列 5 产品中，旋转变压器-数字 量（RDC）转换是使用软件完成的。 扩展 I/O附加 I/O 2.2.1.驱动器的主要端口 (1) C1：RS232，如图 2.4 所示。 图 2.4 C1 端口 (2) C2：编码器反馈，如图 2.5 所示。 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 13 图 2.5 C2 端口 (3) C3：用户 I/O，如图 2.6 所示。 图 2.6 C3 端口 (4) C4：编码器等效输出，如图 2.7 所示。 图 2.7 C4 端口 2.2.2.编码器的引脚及意义 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 14 表 2.3a 编码器各引脚含义 图 2.3 Danaher 驱动器 表 2.3b 编码器各引脚含义 C1:通讯连接器C2:反馈连接器 引 脚 号 功能引 脚 号 旋转变压器编码器正弦编码器 1 屏蔽 1Sine HighAA 2REC(RXD)(RS232)2Sine Low/A/A 3XMIT(TXD)(RS232)3 屏蔽屏蔽屏蔽 4 保留，不要连接 4Cosine HighBB 5 公共 5Cosine Low/B/B 6TxD+(RS485)6 屏蔽屏蔽屏蔽 7TxD-(RS485)7 E5V 返回E5V 返回 8RxD+(RS485)8 E5V 返回E5V 返回 9RxD-(RS485)9H1B H1B(/C)(数 据) 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 15 10H2B H2B(/D)(时 钟) C3:用户 I/O 连接器 11H3BH3B 引 脚 号 功能 12 屏蔽屏蔽屏蔽 1 模拟信号输出屏蔽 13 热传感器高热传感 器高 热传感器高 2 模拟量差分输入+（高） 14 屏蔽屏蔽屏蔽 3 模拟量差分输入低-（低） 15 Ref.High(输 出) IndexIndex 4 驱动器逻辑地 16 Ref.Low(输出) /Index/Index 5 故障输出继电器触点 17 屏蔽屏蔽屏蔽 6 故障输出继电器触点 18 E5V 电源E5V 电源 7 +24V 输入（8，9，10，11 的返回端） 19 E5V 电源E5V 电源 8 远程使能使能输入 20 E5V 电源E5V 电源 9 可配置输入(参见“IN1”) 21 屏蔽屏蔽屏蔽 10 可配置输入(参见“IN2”) 22H1A H1A(数据) 11 可配置输入(参见“IN3”) 23H2A H2A(时钟) 12 可配置输入(参见“O1”) 24H3AH3A 13 可配置模拟量输出(参见 “ANOUT”) 25 热传感器低热传感 器低 热传感器低 2.2.3.正弦编码器的反馈 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 16 图 2.8 正弦编码器反馈 2.3.本章总结 本章主要介绍了 KOLLMORGEN 力矩电机的主要参数，及其驱动器的功 能、主要端口和针脚的含义。为后续的控制系统设计及其硬件连线作准备。 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 17 第 3 章.PMAC 运动控制卡 3.1.PMAC 运动控制卡的概述 PMAC(Programmable MultiAxis Controller)运动控制卡是美国 Delta Tau Data System 公司开发的当今世界上最先进的、功能最强、计 算速度最快、质量可靠的运动控制产品，是开放式基于 PC 的运动控制器 之一1516。 PMAC 是一台具有独立内存、独立运算操作能力的计算机，它采用 Motorola 的 DSP56001 作为 CPU，它可以通过存储在自己内部的程序进行 单独的操作；它还是一台实时的、多任务的计算机，能自动对任务进行优 先等级判别，先执行优先级高的任务。PMAC 既可以独立工作亦可按主机 的命令进行工作，它和主机的通讯可以通过串行口也可以通过总线进行， 通过总线通讯时，还可以将中断信号引入主机，从而实现非常灵活有效的 控制系统。 PMAC 最多可以同时控制 8 个轴，允许每一个轴都是完全独立的，最 多可以有 16 片 PMAC 板同步的联系到一起使用，控制总共 128 根轴的联动 和独立运动。其具有四种硬件形式：PMAC PCI、PAMC LITE、PMAC VME、PMAC STD。 PMAC PCI 是 PMAC 板卡级系列产品中的一员，采用单信号模拟量作为 电机的控制输入，主要体现在控制电机的速度和力矩。他可以支持 8 轴控 制。他在板提供 4 个或 8 个轴的接口电路。 PMAC PCI 是一块全长尺寸的 PCI 总线板卡，它的 CPU 板卡是一块半 长的扩展板卡。它可以通过 PCI 总线与上位机通讯，也可以使用双端口 RAM 扩展总线的通讯速度，当它脱机使用时，还可以使用 RS-232 或者 RS- 422 串口。 3.2.PMAC 运动控制卡的功能简介 其基本功能如下所示： 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 18 (1)执行运动程序 当被告知执行一个运动程序时，PMAC 一次执行程序的一个指令，进 行该移动(包括非移动的任务)的所有计算，从而为该运动的实际执行做好 准备。PMAC 总是工作在实际移动之前，如果需要，它总能正确地与即将 执行的动作相调和。 (2)执行 PLC 程序 运动程序的顺序特性使得它能很好地适应一系列的运动并相互协调其 它坐标系的动作;然而，当在执行那些不是用运动的顺序来直接协调的动 作时，这些程序就不适于做坐标系的运动.对于这些类型的任务，PMAC 提 供给用户编写“PLC 程序”的能力。这些程序对于在运动顺序上不同步的 任务是非常有用的。 (3)伺服环更新 对于每一个电机，PMAC 都以一个固定频率(通常为 2KHz 左右)对其进 行伺服更新。伺服更新工作进程是:先根据运动程序或别的运动命令得到 的等式求得要求的位置增量，然后将此与由反馈传感器读回的实际位置相 比较，最后在两者之差的基础上，发出一个输出命令使此差值变小，如此 反复，直到此差值在允许的范围内为止。 (4)换相更新 对于一台多相电机，PMAC 自动地以一个固定的频率(通常 9KHz 左右) 进行换相更新。换相更新，就是测量并估算转子磁场方向，然后再分配通 过分布在电机的不同相位的伺服更新算出的命令。 (5)资源管理 PMAC 会定期自动地执行资源管理的功能，以确定整个系统是否处于 正常工作状况。这些功能包括安全检查，看门狗计时器的更新等。如果任 何的硬件或软件的问题使这些功能不能得到执行，则看门狗计时器将会触 发，从而使卡关闭。 (6)与主机通信 PMAC 可以在任何时间与主机通信，甚至在一个运动序列中间。PMAC 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 19 接受一个命令，然后采取相应的动作，将命令放入一个程序缓冲区以便以 后执行，提供数据以响应主机，开始电机的移动等。如果命令是非法的， 它将会向主机报错。 (7)任务优先级 任务是按照优先级电路组织起来的，这样可以使它们能够得以最优化， 从而让程序能有效、安全地运行。当优先级确定以后，不同任务的执行频 率可由程序员自己控制。 3.3.PMAC 运动控制卡的开放性 除了以上功能，PMAC 还提供给用户优越的开放性能: (1)与各种伺服系统的匹配 通过适当的参数设置和使用不同的接口卡，PMAC 可与各种模拟或数 字的交、直流有刷、直流无刷伺服电机驱动器和步进电机驱动器等相连， 构成数控系统的驱动部分。 (2)与各种检测元件的匹配 PMAC 可与各种检测元件进行匹配，包括测速发电机、光电编码器、 光栅、旋转编码器等。 (3)与 PC 机的通信方式 PMAC 有三种可选的与上位 PC 机的通信手段:串口方式、并口方式、 双端口 RAM (DPRAM)方式。 (4)与硬件平台的匹配 PMAC 有三种类型分别工作在三种不同的总线(PC-XT 和 AT,VME,STD) 上运行，由此提供了多平台的支持特性，同时也使同一控制软件可以在不 同的硬件平台上运行。 (5)人机界面的对外开放 PMAC 提供了 Windows 平台下的驱动程序PCOMM，可以在高级编程语 言如 VC+, VB, Delphi 等编程环境下调用这些动态链接库，实现 Windows 环境下的人机界面。 (6)数控功能的对外开放 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 20 PMAC 提供了一套基本功能指令集合，如直线插补、圆弧插补、样条 插补、量方式或绝对方式运行等，可在这些基本指令集合的基础上定制出 用户自己的 G 代码、M 代码数控功能。 (7)PLC 功能的对外开放 PMAC 内含了可编程逻辑控制器(PLC)。PMAC 的 I/0 点可以扩展至 2018 位，但所有的 UO 点都以软件来控制的，只要使用一个类似高级程序 中的指针变量 指向某一 v0 地址，就可以在 NC 和 PLC 程序中通过该指针 变量来方便地对该 FO 点进行输入或输出控制。 (8)控制系统定制的对外开放 PMAC 通过各种方式，如 I 变量和 Encoder Conversion Table 等来实 现对整个控制系统的定制，使其方便的与实际机床进行匹配。因此 ， 应 用 PMAC 的系统设计灵活自如，不受局限，可将各种先进的设计理念融入 系统，而且同一系统可以选择不同的电机，接收不同的反馈信息17。 3.4.PMAC 运动控制卡的应用 随着中国汽车、机械、电子、军工等产业的飞速发展，PMAC 多轴运 动控制卡在中国的制造业和自动化产业中的应用越来越广泛。它的多种用 途包括：在半导体制造业中，用作晶片处理、分割以及引线接合法；航空 宇宙方面，用于飞行仿真、航空宇航制造等：加工制造业中用于各类数控 装备(包括金切机床、研磨、电火花、水切割、激光切割等)、装配线、自 动缠绕设备等；医学设备中可用于 MRI 机械、激光眼科手术、光学表 面研磨等；原材料处理过程中用于混合、分离、包装、同步运输等；自动 控制领域用于分布生产、精确位置控制、机器人技术、遥控、飞剪、自动 化车问、网络控制等19。 3.5.本章总结 本章主要介绍了 PMAC 多轴运动控制卡的主要功能及应用，为后续控 制系统的设计作准备。 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 21 第 4 章.控制系统设计 4.1.控制系统的组成与分类 运动控制通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变 成期望的机械运动，实现机械运动精确的位置控制、速度控制、转矩控制 等。随着电力电子技术、微电子技术的迅速发展，运动控制己从电力拖动 发展成为一个以自动控制理论和现代控制理论为基础并包括许多学科的技 术领域。现代的运动控制是计算机技术、传感技术、电力电子技术和机械 工程技术等集成的综合应用软硬件系统20，其与相关学科间的关系如图 4 表示。 4.1.1.运动控制系统的组成 运动控制系统多种多样，但从基本结构上看，一个典型的运动控制系 统主要由运动控制器、驱动器、电动机、执行机构和反馈装置构成，如图 4所示。 运动控制系统是以机械运动的驱动设备-电动机为控制对象，以控制 器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导 图 4.1 数控技术与相关学科在关系 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 22 下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转 角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求21。 图 4.2 典型运动控制系统的构成 运动控制器响应闭环信号和接收控制系统的定位请求信号，将分析、 计算所得出的运动命令以数字脉冲信号或模拟量的形式送到电机驱动器中。 驱动器进行功率变换，并驱动电机根据上位控制指令转动。反馈装置将检 测到的速度或位置反馈到驱动器或控制器中，构成半闭环或全闭环控制， 其检测元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅尺、磁尺及激 光干涉仪等。 4.1.2.运动控制系统的分类 (1)按位置控制原理分类 运动控制系统根据位置控制原理，即有无检测反馈传感器以及检测部 位，可分为开环、半闭环和全闭环三种基本控制方案。 开环控制系统无检测反馈装置。优点是控制方便，结构简单，价格便 宜。缺点是机械传动误差不经过反馈校正，控制精度不高。 半闭环控制系统的位置反馈采用转角检测元件，直接安装在伺服电机 或丝杠端部。由于具有位置反馈比较控制，可获得较大的定位精度。 全闭环控制系统是采用光栅等检测元件对被控对象进行位置检测，可 以消除从电机到被控单元之间整个机械传动链中的传动误差，得到很高的 静态定位精度。缺点是稳定性不高，系统设计和调整也相当复杂。 (2)按控制方式分类 运动控制系统按被控对象的性质和运动控制方式可分为位置控制、速 度控制和力矩控制三种类型。 图 4.2 控制系统的组成 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 23 位置控制:转角位置或直线移动位置的控制。按数控原理分为点位运 动控制，连续轨迹运动控制和同步运动控制。 速度控制:速度控制既可单独使用，如传输机、工作台等机械速度控 制，也可以与位置控制联合成为双回路控制，如各种数控机械的双回路伺 服系统。 力矩控制:塑料薄膜、钢带、布品和纸张等卷取机都是恒张力控制； 自动组装机的拧紧螺母以及自动钻孔等场合，应采用力矩与位置同步控制。 4.2.运动控制系统的电路设计 通过对控制系统功能的分析，并考虑到系统的先进性，成本等因素， 本文以多轴运动控制器为核心，采用“NC 嵌入 PC”结构组成的开发式数 控系统。近年来，代表了数控技术发展方向的、具有良好柔性和较低成本 的开放式数控系统正逐渐成为数控技术研究的热点。开放式数控系统的研 究目的是要建立一种模块化、可重构、可扩充的软硬件系统结构，以增强 数控系统的功能柔性，在体系结构上给用户留有进行二次开发的更多余地， 能够快速而经济地响应新的加工需求。 本文中，PC 部分采用标准的工业控制机，NC 部分采用美国 Delta Tau 公司的可编程运动控制器 PMAC，实现对电机轴的控制。从系统的开放 性，功能和开发成本综合考虑，本课题选用 PMAC PCI 运动控制卡，附件 ACC-8P 作为转接板。 PMAC PCI 是 PMAC 系列产品中结构紧凑，价格适中的一款。适合简单 嵌入式系统的应用，它能够控制四个通道。由于 PMAC 与 IPC 之间的实时 通讯要求并不高，所以采用了总线的通讯方式。PMAC2 PCI 属于即插即用 设备，在安装该硬件时，可以直接将 PMAC 卡插到 IPC 的插槽上，MS Windows 系统能够自动检测到它，而不需要用户手动添加安装。 本系统是在工业控制机平台基础之上，采用 PMAC 多轴运动控制卡构 成的控制系统，IPC 上的 CPU 与 PMAC 卡上的 CPU 构成了主从双微处理器 结构，两个 CPU 各自实现相应的功能。其中 PMAC 主要完成试实验台各电 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 24 机轴运动的控制，工控机则主要负责故障诊断，系统的管理与人机交互等 任务。这样就保证了系统控制的安全性，可靠性与实时性。 整个伺服驱动单元与安装了 PMAC 运动控制卡的 IPC 组成了一个三环 闭环控制系统。在驱动器中完成电流环的闭环；由编码器连接驱动器完成 速度环的闭环；再由驱动器的反馈等效输出连接 IPC 完成位置环的闭环。 驱动器与 PMAC 通过附件 ACC-8P 连接。ACC-8P 的针脚如表 4.1 所示。 表 4.1 ACC-8P 的针脚意义 ACC-8P #1 Pin#2 Pin#3 Pin#4 Pin#SY MBOL 5343940-LIMn 55564142HMFLn 51523733+LIMn 58585858AGND 1212+5V 3434GND 171856CHCn 192078CHCn/ 2122910CHBn 23241112CHBn/ 25261314CHAn 27281516CHAn/ 43442930DACn 45463132DACn/ 47483334AENAn/DIRn 49503536FAULIn 58585858AGND 58AGND 59A+15V/OPT+V 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 25 60A-15V 4.2.1.系统连线 伺服驱动单元的控制一般有三种方式，即速度控制、扭矩控制和位置 控制。这三种控制方式的不同点在于输入的参考量不同，分别是速度参考 (模拟电压)、扭矩参考(模拟电压)、位置参考(数字脉冲)，同时它们与 PMAC 的接线方法也不同。本次选择了串行速度控制方式。 (1)驱动器的动力接线如图 4.3 所示。 (2) 驱动器与电机的接线如图 4.4 所示。 驱动器与电机的动力连线方式如表 4.2 所示。 表 4.2 驱动器与电机的动力连线 SERVOSTARDDR MA引脚 3蓝色 MB引脚 4红色 MC引脚 1绿色 图 4.3 驱动器的动力接线 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 26 GND引脚 2黄绿色 驱动器的 C2 端口与电机的连线方式如表 4.3 所示。 表 4.3 驱动器 C2 端口与电机的连线 SEVOSTARDDR C2 引脚编码器插座导线颜色 引脚 1 A引脚 3蓝色 引脚 2 /A引脚 6蓝色、黑色 引脚 3(屏蔽) 引脚 4 B引脚 4绿色 引脚 5 /B引脚 7绿色、黑色 引脚 6(屏蔽) 引脚 7 和 8 E5V 返回引脚 10红色 引脚 9 H1B引脚 12棕色 引脚 10 H2B引脚 13灰色 引脚 11 H3B引脚 14白色 引脚 12(屏蔽) 引脚 13(热传感器高)引脚 1黄色 引脚 14(屏蔽) 引脚 15 Index引脚 5紫色 引脚 16 /Index引脚 8紫色、黑色 引脚 18、19、20 E5V引脚 9黑色 引脚 22参见注 1参见注 1 引脚 23参见注 1参见注 1 引脚 24参见注 1参见注 1 引脚 25(热传感器低)引脚 2黄色 注 1：必须与 C2 的引脚 18 连接以正常工作 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 27 图 4.4 驱动器与电机连线 (3)系统电源如图 4.5 所示。 图 4.5 系统电源 (4)PMAC 与工控机的连接如图 4.6 所示。 机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文） 28 图 4.6 PMAC 与工控机的连接 (6) PMAC 扩展板的连接如图 4.7 所示。 图 4.7 PMAC 扩展板的连接 机械设计制造及其自动化专