（机械电子工程专业论文）基于dsp的伺服压力机运动控制卡研制.pdf

d e v e l o p m e n t o fd s pb a s e ds e r v o p r e s s c o n t r o lc a r d at h e s i ss u b m i t t e dt o s o u t h e a s t u n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g b yj i a l i nx u s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rx i n g s o n gw a n g s c h o o lo fm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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 的说明并表示了谢意。 研究生签名：瓷室叠 日 期：竺! ! ：j ： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名：盗盐导师签名 日期： 迦! 皇：竺! 竺 要不断的提高。而压力机是制作设备中成形设备的重要成员，它同样地向着自动化的方向发展着。 本文主要讨论的伺服压力机是曲柄压力机，其驱动电机使用的是大功率伺服电机。伺服电机 减速后直接带动曲柄滑块机构。压力机的控制系统采用p c + d s p 的模式，p c 机负责各种命令的 输入、运行过程和结果的显示，而d s p 对压力机进行实时控制。这种模式的特点就是充分利用 了p c 的优点，省去了各种接口驱动的编写，而d s p 的实时性充分弥补了p c 机的非实时性。对 于伺服压力机的控制而言，伺服压力机控制卡的研制是核心技术之一。本文的主要工作是研制伺 服压力机专用运动控制卡。 本文根据项目需求，首先设计了运动控制卡的硬件结构，包括微处理器c p u 的选择，与工 控机的通讯接口设计，旋转变压器信号的处理转换电路设计，模拟量输出设计及其调理电路，光 电隔离设计等，并总结了硬件设计过程中的经验和教训： 其次设计了运动控制卡相应的底层软件，其中包含软件的结构，与上位机的通讯协议和压力 机控制算法设计三大部分，并且对控制算法进行比较和改进，提出了改进后的p s 算法，采用q 格式的定点运算代替浮点运算以提高d s p 的处理速度；对冲压加工工艺曲线中的速度不连续点 采用了s 曲线平滑，消除了速度冲击带来的噪声。 最后，设计出的伺服压力机运动控制卡在实验室测试中运行稳定可靠，并在现场8 0 吨的伺 服压力机上可靠运行，成功加载了各类加工工艺曲线，充分证明了其有效性、可行性。 关键词：伺服压力机，运动控制卡，d s p ，p i d ，轨迹跟踪 a b s t r a c t a b s t r a c t d e v e l o p m e n t o fd s pb a s e ds e r v o p r e s sc o n t r o lc a r d b y j i a l i nx u s u p e r v i s e db yp r o f x i n g s o n gw a n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y l a r g ee q u i p m e n ti nm a n u f a c t u r i n gf i e l di sb e i n gd e v e l o p e dt o w a r d st h ed i r e c t i o no fa u t o m a t i o n p r o c e s s i n ga c c u r a c y , o p e r a b i l i t y , i n t e l l i g e n c el e v e la n dr e l i a b i l i t ya r eg e t t i n gb e t t e r p r e s si sa ni m p o r t a n t m e m b e ri nm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t sa n di sa l s ob e i n gd e v e l o p e dt o w a r d st h ed i r e c t i o no f a u t o m a t i o n s e r v op r e s si nt h i sa r t i c l ef o c u s e so nc r a n kp r e s sa n di t sd r i v em o t o ri sah i g i l p o w e rs e r v om o t o r a f t e r d e c e l e r a t i o n , s e r v o m o t o rd r i v e st h es l i d e r - c r a n km e c h a n i s md i r e c t l y t h ec o n t r o ls y s t e mo f t h ep r e s si sb a s e d o np c + d s ew h i l et h ep ci sr e s p o n s i b l ef o rt h ei n p u to fa l lk i n d so fc o m m a n d sa n dt h ed i s p l a yo f o p e r a t i o ns t a t u sa n do p e r a t i o nr e s u l t s ，t h ed s pi sr e s p o n s i b l ef o rt h er e a l - t i m ec o n t r o lo ft h ep r e s s t h i s m o d e lm a k e sf u l lu s eo ft h ea d v a n t a g e so fp ca n de l i m i n a t e st h en e e dt ow r i t i n gv a r i e t yo fi n t e r f a c e d r i v e s t h es y s t e mb a s e do nd s pi sar e a l - t i m es y s t e ma n dt h i sm a k e su pf o rt h e1 1 0 1 1 r e a l - t i m ep cs y s t e m f o rt h e w h o l es e r v op r e s ss y s t e m ，t h ed e v e l o p m e n ta n dm a n u f a c t u r eo ft h es c i v oc o n v o lc a r da r et h ec o r e t e c h n o l o g i e s t h i sp a p e r sm a i nt a s ki st od e v e l o pt h ec o n t r o lc a r dd e d i c a t e dt os e l v op r e s s f i r s t l y , h a r d w a r es t r u c t u r eo ft h em o t i o nc o n t r o lc a r dw a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ec h o i c e o ft h e m i c r o p r o c e s s o r , t h ed e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，t h ed e s i g no ft h er e s o l v e rs i g n a lp r o c e s s i n ga n d c o n v e r s i o nc i r c u i t ，t h ed e s i g no ft h ea n a l o go u t p u ta n di t sc o n d i t i o n i n gc i r c u i t , t h ed e s i g no ft h eo p t i c a l i s o l a t i o nc i r c u i t e x p e r i e n c e si nd e s i g n i n gh a r d w a r ea r ea l s os u m m a r i z e d s e c o n d l y , t h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o lc a r dw a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h es o f t w a r es t r u c t u r e ，t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sw i t ht h eh o s tc o m p u t e ra n dt h ec o n t r o la l g o r i t h m s e s p e c i a l l y , t h ec o n t r o l a l g o r i t h mw a sw e l lc o m p a r e da n dp r o g r e s s e d , a n dam o r es u i t a b l ea l g o r i t h mi sp r o p o s e d t oi m p r o v et h e p r o c e s s i n gs p e e dqf o r m a tf l x e d - p o i n to p e r a t i o n sw e r eu s e dt oi n s t e a do ff l o a t i n g - p o ho p e r a t i o n s t h e d i s c o n t i n u o u sp o i n t si nt h ep r e s s i n gp r o c e s sc u r v e sw e r es m o o t h e db ysc u r v e s ，a n dt h i sm e s u r ee l i m i n a t e d t h en o i s ec a u s e db yt h ei m p a c t f i n a l l y , t h em o t i o nc o n t r o lc a r dr a ns t a b l ea n dr e l i a b l ei nl a b o r a t o r y i tr a ns u c c e s s f u l l yi nt h e8 0 一t o n s c r v op r e s si nf i e l da n dr e a l i z e dt h r e ek i n d so fp r o c e s s i n gc u r v e ss m o o t h l ya n dr e l i a b l y a l lo ft h e s ep r o v e d t h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：s e r v op r e s s ，m o t i o nc o n t r o lc a r d ，d s p , p d ，t r a j e c t o r yt r a c k i n g 目录 目录 摘 要i a b s t r a c t 。i i 目录i 第1 章绪论l 1 1 伺服压力机的发展现状和发展趋势1 1 2 压力机的运动控制2 1 3 课题来源3 1 4 主要研究内容4 第2 章伺服压力机运动控制卡的硬件设计5 2 1 运动控制卡的结构5 2 2 微处理器d s p 及其最小系统6 2 3 控制卡与工控机通讯接口设计7 2 4 控制量的输出设计7 2 5 反馈的检测设计9 2 5 1 旋转变压器原理9 2 5 2 旋转变压器解码芯片a d 2 s 8 3 1 0 2 5 3 正弦信号发生器1 2 2 5 4d s p 与a d 2 s 8 3 的接口设计1 4 2 6 开关量输入输出卡设计1 4 2 7 硬件设计经验教训1 6 2 7 1 双口r a m 数据变更获知的方案的变更1 6 2 7 2 抗电磁干扰方法1 6 第3 章伺服压力机运动控制卡的软件设计1 8 3 1 软件功能分析和实现方法l8 3 1 1 功能分析1 8 3 1 2 实现方法1 8 3 2d s p 嵌入式软件开发基础2 l 3 2 1c c s 集成开发环境2l 3 2 2c m d 文件2 1 3 2 3d s p 中断2 3 3 2 4 串行外设接口s p i 2 4 3 3d s p 中加工工艺曲线的生成2 5 3 3 1 曲柄滑块机构运动分析2 5 3 3 2 速度过渡2 6 3 3 3 保压曲线2 9 3 3 4 变速曲线2 9 3 3 5 摆动曲线3 1 3 4 轨迹跟踪3l 3 4 1 控制系统结构3l 3 4 2p d 控制算法3l 3 4 3p s 控制算法3 3 3 4 4 两种算法的比较3 4 3 5q 格式3 8 目录 3 6 控制算法升级展望4 l 第4 章控制卡与工控机的通讯设计4 2 4 1 功能分析与地址规划4 2 4 2 功能设计与寄存器定义4 3 4 2 1 功能命令设计4 3 4 2 2 命令执行状态与压力机运行参数4 5 4 2 3 全部寄存器列表4 6 4 3w i n d o w sx p 系统下i o 口的读写4 7 第5 章总结与展望4 8 j 变谢4 9 参考文献5 0 攻读硕士期间发表论文和科研成果5 l 里面集成了冲压工艺加工曲线。它 现状、发展趋势和当前压力机的运 压力机是用于金属成形加工的设备，一般由普通交流电机带动飞轮和大齿轮高速旋转，通过离 合器再带动曲柄滑块机构做往复运动，在滑块的下死点附近发出最大压力，引起工件变形。不同类 别压力机的主要区别在于为适应不同的工况各自所要求的性能指标不同，有的要求高次数，有的要 求长行程，有的要求大压力等i l j 。 曲柄压力机的主要技术参数有：公称压力p g 、滑块行程s 、滑块行程次数n 、最大装模高度 h 1 、装模高度调节量a h l 、工作台板及滑块底面尺寸和喉深。它们反映了压力机的工艺能力、加 工零件的尺寸范围以及有关生产率等指标l l j 。 起初的压力机都为机械式或液压式压力机，随着对工件成型质量要求的提高，操作人员工作环 境舒适性的提高和大功率伺服电机的发展，伺服压力机开始出现并且吨位逐渐扩大。 与传统带飞轮的机械压力机相比，伺服压力机的优点突出，主要表现在乜1 ： 1 ) 高柔性。这是伺服压力机最大的特点，其滑块运动轨迹可以根据不同的生产要求进行编辑， 并且可以选择不同的加工工艺曲线，这样也大大提高了其智能化程度。 2 ) 高生产效率。高柔性的同时，在使用特殊的加工工艺曲线后必然带来高的生产效率，曲柄可 以不返回上死点在下死点附近摆动加工工件，以提高效率。此外，伺服压力机的加工和伺服 送料机构的配合也大大提高生产效率。 3 ) 高精度。由线性传感器组成的全闭环控制系统能实现高精度的位置控制。如：由偏心载荷引 起的在下死点中心处的位置波动及滑块各点处的平行度波动可控制在1 0 l lm 以内。 4 ) 低噪音。无飞轮、离合器等零件，简化了机械传动，从而可大大降低噪音。此外，通过加工 工艺曲线的设定可以降低滑块与工件接触的速度，从而有效的降低噪音。 5 ) 节能、易于维护。由于简化了机械传动机构，可维护性强，润滑量减少。此外，电气制动储 能装置可使能耗大为减少。e n o m o t o 公司开发的1 0 0 l o o c r t 的伺服螺旋压力机据称其节能 效果达5 0 。 当前伺服压力机的传动方法和代表产品包括1 ： 1 ) 直线电动机直接驱动压力机。如浙江大学叶云岳教授9 0 年代使用直线电机研制了5 0 k n 的压 力机，日本山m d o b b y 公司和f a n u c 公司合作完成了高精度直线驱动压力机； 2 ) 伺服电动机直接驱动曲柄。如日本a u g a 公司的n c i d 和n s l d ： 3 ) 螺旋精密压力机。如日本a i d a 公司a s f 系列压力机，k o m a t s u 公司h c p 型伺服压力机； 4 ) 电动机减速一曲柄连杆。如日本a j d a 公司n s l 系列压力机，东南大学与徐州锻压机床厂联合 研制的d p 系列压力机， 5 ) 电动机减速曲柄肘杆。如日本k o m a t s u 公司h 1 f 型伺服压力机， 6 ) 电动机减速螺旋肘杆。如日本小松公司h 2 f 双点伺服压力机， 7 ) 螺旋压力机。日本e n o m o t o 公司开发了1 0 0 0 - 1 0 0 0 0 k n 的伺服螺旋压力机，国内华中科技 大学等单位也开发了类似产品，山东理工大学开发了开关磁阻电动机驱动的电动螺旋压力 机。 国外，压力机发展很快，2 0 0 9 年的北京机床展，日本著名的压力机研发公司如小松、网野、会 东南大学硕士学位论文 田都甚至都没有参展，或者没有展出最新的压力机，他们的压力机已经在国内遥遥领先。在国内广 东锻压集团、广东工业大学、徐锻集团有限公司、东南大学等近年来都在进行伺服压力机方面的研 究工作，部分单位已经开发出初步样机。广东工业大学的压力机和东南大学研制的压力机类似，但 是使用的控制方案不一样，前者使用的p l c ，而后者使用的是运动控制卡。 压力机的发展方向也是向着智能化，高精度，低能耗，低噪音方向发展。然而单纯的一台伺服 压力机已经不能满足加工生产的要求，与压力机相互协调的送料机构也必须和压力机一体化，并且 多工位多台压力机同步工作也是压力机发展的趋势。 1 2 压力机的运动控制 运动控制系统或电动机控制系统的实现方法主要有以下几种h 1 ： 1 ) 以模拟电路硬接线方式建立的运动控制系统； 2 ) 利用专用芯片实现的运动控制系统。 3 ) 用f p g a ，c p l d 等可编程逻辑器件实现的运动控制系统。 4 ) 以微控制器为核心的运动控制系统。 模拟电路的方式时间长了容易老化，升级几乎不可能，专用芯片的方式算法固定，无法升级， 不使用高精度高性能的场合，使用逻辑可编程器件是硬件上的算法，但对于复杂的功能和算法，比 如实现多条加工工艺曲线这样的复杂功能，门电路的个数要求会很多，价格会非常高。微控制器的 方法算法升级容易，灵活，价格降低的速度很快，更适合运动控制，也是运动控制发展的趋势。 伺服压力机的运动控制系统可以采用一般的数控机床的通用运动控制系统，市场上这类专业运 动控制卡也很多，著名的有p a r k e rh a n n i f i r l 运动控制卡，d e l t at a u 公司的p m a c 运动控制卡1 5 】，这些 卡能够实现多轴控制，但是对应压力机的运动控制而言，使用这些运动控制卡的价格比较昂贵，而 且对于具体的加工工艺曲线还得继续开发。 压力机的运动控制是单轴的运动控制，硬件的开发可以使用价格相对较低的运用成熟的微控制 器进行。本文所采用的伺服压力机的运动控制是自行设计开发的压力机专用运动控制卡，控制单轴 运控，并且其中集成了压力机几条典型的冲压工艺曲线，采用运动控制卡和工控机结合的方式，运 动控制卡复杂的实时运动控制，工控机则负责运行结果的显示和开关量的输入输出。具体的运动控 制方案如图1 - 1 所示： 压力机的控制采用的是半闭环控制，使用操作人员通过开关量，触摸屏等设备给压力机发送控 制命令，运动控制卡实时控制压力机的运行，并把运行过程中的状态和数据反馈给工控机以便显示 和分析。 2 图卜1 压力机的伺服结构 图卜2 是实验室实验使用的2 吨小压力机，而图卜3 是设计制作的压力机运动控制器，其中包含工 控机，运动控制卡，i o 卡和风扇等设备。 图卜2 实验室小压力机 1 3 课题来源 图1 - 3 伺服压力机控制器 课题来源于2 0 0 6 年江苏省科技攻关项目“d p 型高精度伺服电机驱动数控压力机”，编号 b e 2 0 0 6 0 3 6 ，2 0 0 7 年1 2 月被纳入年度国家火炬计划，2 0 0 8 年4 月“高精度伺服电机驱动数控压力机开 发与产业化”项目， - 号b a 2 0 0 s 0 3 0 。项目为徐州锻压机床厂集团有限公司与东南大学合作项目。 2 0 0 6 年2 月，d p 2 1 - 6 3 精密数控伺服压力机样机试制成功，当时国内领先，率先使用电机直接驱动曲 柄滑块，并获得成功。 3 东南大学硕士学位论文 为了获得提高压力机的吨位和获得更好的加工性能，伺服压力机的控制系统不断的完善发展， 原来的m c 3 1 4 控制芯片是以位置控制的形式实现工艺曲线的加载的，存在加工噪声大，位置控制精 度不高等，现在换成了基于d s p 的运动控制卡，使得伺服驱动器处于速度工作模式，达到更高的控 1 4 主要研究内容 本课题主要完成的内容如下： 1 ) 简要分析伺服压力机国内外发展现状； 2 ) 详细论述压力机专用运动控制卡的硬件结构和设计原理： 3 ) 详细论述了基于d s p f 2 8 1 2 的编程方法，伺服压力机软件功能的实现方法； 4 ) 设计了运动控制算法，并进行了实验比较； 5 ) 设计了运动控制卡和工控机的通讯方法和通讯协议： 6 ) 进行了多次现场实验。 4 运动控制卡是单输入单输出，以d s p 为核心处理器，当然微处理的选择的选择考虑的因素包 括多种，核心的是处理器的速度和处理器的外设接口是否能满足应用的需要。d s p 的处理速度非 常迅速，选用的这款d s p 可以达到1 5 0 m i p s ，而且接口非常丰富，应用已经比较成熟。 控制卡与工控机的通讯使用p c i 0 4 接口，并设置双口r a m 作为数据缓冲和命令寄存器。可 以考虑全双工的串口进行通讯，在传输数据的实时性上可以得到保证，但是，使用双口r a m 最 大的优点是可以把这些r a m 地址映射为寄存器，控制卡的处理器和工控机都可以随时读取控制 卡当前处于的状态，而且不必干扰对方的工作，不占用对方的c p u 时间。 控制对象压力机的反馈量是曲柄的角度，是半反馈而不是全反馈。因为直接检测压力机的冲 头或者上模具存在一定困难，其中的机械振动比较大，检测设备容易损坏。使用觉得编码器旋转 变压器作为检测工具，控制对象的量是通过曲柄滑块的参数计算得到的。运动控制卡中要对旋转 变压器的信号进行解码，使用专用的旋变数字解码芯片。运动控制卡的结构框图如图2 - 1 所示。 图2 - 1 运动控制卡的结构 5 东南大学硕士学位论文 运动控制卡的输出采用的是1 2 位的模拟量输出，并且为了串入强电电路的电磁干扰，这里采 用用d a c 光电隔离，使用串行d a c 转换芯片，并且对数字量进行隔离。当然，这部分d a c 电 路的电源也是经过隔离的。 图2 - 1 中详细绘制出了各个硬件模块之间的连接关系。实际的运动控制卡经过多次改进才得 到最终这一方案的。图2 2 是运动控制卡的实物图。下面详细介绍各个模块的原理与实现方法。 图2 - 2 运动控制卡实物图 2 2 微处理器d s p 及其最小系统 微处理器选择的是1 1 的c 2 0 0 0 系列中的电机专控d s p ，型号t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，主频1 5 0 m h z 时钟频率，每秒钟可以执行1 5 亿次指令( 1 5 0 m i p s ) ，并且片上外设丰富，能够满足大部分应用 需要。拥有1 2 8 k 1 6 位f l a s h ，两个事件管理器，1 6 通道1 2 位a d c ，串行外设接口( s p i ) ，两 个串行通讯接口( u a r t ) ，增强型局域网络控制器( e c a n ) ，多通道缓冲串口( m c b s p ) 等等1 。 系统的电源包括d s p 使用的i o 电压3 3 v ，c p u 核心电压1 9 v ，以及运放使用的电源电压 士1 2 v 。外部电源+ 5 v 和+ 1 2 v 供电，使用t p s 7 5 7 3 3 将5 v 转为3 3 v 供电，驱动能力为3 a ：使用 t p s 7 6 8 0 l 将3 3 v 转为1 9 v 。 系统的晶振采用3 0 m ，锁相环软件设置为5 倍频，是d s p 工作在最高频率下。 系统复位电路使用专用的带有复位和看门狗功能的芯片t p s 3 8 2 3 。 在运动控制卡中，需要有开关量直接输入d s p ，并且由于干扰严重，电平不匹配，这里使用 光电隔离，将电子手轮信号和急停信号输入系统。光电隔离的设计参考后面章节。 在d s p 的数据总线上要挂两个设备，一个是双口r a m ，一个是旋变解码芯片的数字信号输 入，要求利用d s p 的空闲地址经过译址电路选中这两个设备，但是，d s p 的空闲可扩展地址是分 块的，每一块地址有独立的片选线，共3 块，在不需要扩展d s p 的存储器的条件下可以利用这些 片选线，x z c s o a n d i 、丽和x z c s 6 a n d 7 ，从而省去译码电路。x z c s o a n d i 选中双口j 砌， x z c s 6 a n d 7 选中解码芯片的数据。 6 第2 章伺服压力机运动控制卡的硬件设计 2 3 控制卡与工控机通讯接口设计 实现处理器之间高速通信的方式通常有并口方式、d m a 方式、f i f o 方式和双口r a m 方式 四种盯1 ，考虑到速度和实现的复杂程度，这里采用的是双口r a m 方式，实现与上位机的通讯。 同时考虑到软件上使用双口r a m ，其每一个地址都可以映射成运动控制卡的寄存器，工控机和 控制机可以不相互占用c p u 的情况下即可知道当前压力机所处的状态及当前状态下的运行参数。 具体上位工控机使用的是威达佳w a f e r - l x 8 0 0 ，通过i s a p c i 0 4 实现通讯。 双口r a m 左端连接d s p ，右端连接工控机。d s p 使用的片选信号为兹露面瓣研，起始地址 为0 x 2 0 0 0 ，占用的地址空间为0 x 0 0 2 0 0 0 q ) x 0 0 5 f f f 。上位机查阅其i o 端口资源，只有0 x 3 0 0 - 4 f x 3 5 9 留给用户使用。实际使用的是0 x 3 0 0 0 x 3 3 f 。这样对应d s p 的有效地址为0 x 2 3 0 0 q ) x 2 3 3 f 。具体 的地址规划见软件设计。上位机的r a m 片选信号的译码采用3 个与t f - j ，实现对地址a e n 、a 9 、 a 8 、a 7 和a 6 译码。 d s p 和上位机对r a m 同一单元进行操作时候的竞争仲裁采用的是延长读写周期的方法，将 r a m 的左端丽连接d s p 的x r e a d y 引脚，右端左端丽连接i o c h r d y 信号，r a m 的 丽信号是集电极开路的，需要上拉电阻，d s p 端上拉到3 - 3 v ，p c i 0 4 端要上拉到5 v 。这种 方式会拉上总线读写周期，但是只有当左右同时访问同一地址时才产生冲突，仲裁起作用，而即 使被仲裁等等，对双口r a m 的读写时间也是很短的，不会影响c p u 的正常工作。 将d s p 的地址、数据和控制总线经电平转换后与r a m 的左端相连，将上位机i s a - p c i 0 4 的 地址、数据和控制总线直接和r a m 的右端相连即可。 如图2 - 3 所示，图中显示了d s p 和p c i 0 4 使用双口r a m 通讯的硬件原理图，d s p 的电平是 3 3 v 的，双口r a m 使用的是1 几电平，电平不匹配，这里需要进行电平转换，使用的是 7 4 l v t h l 6 2 4 5 进行电平转换。 x z c s o a n dlc e lc e r叫垫些堡堡卜卜_ d s p x r e o e l c i e r i o r + d s p f v w r j w l r w rj o w o x r e a d y b u s y lb u s y r l o c h d y f 2 8 1 2 啦 双口刚 p c i 0 4 插槽 ( 教据 ) 媚园 ( 地址 图2 - 3 双口r a m 与d s p 和p c i 0 4 的连接 2 4 控制量的输出设计 从图卜1 压力机的伺服结构可以看到，运动控制卡的控制量的输出是指直接输出到伺服驱动 器的模拟电压信号。使用d a c 芯片有很多种，首先要选择转换精度，常用的精度是1 0 位到1 6 位，而且有串行的和并行的。 电机的伺服驱动器是强电，控制信号是弱点，驱动器对控制信号的干扰较大，会将很大的串 模干扰引入系统。为了消除干扰对控制系统的影响，这里采用隔离的d a c ，使得d a c 输出电路 和控制系统隔离，和伺服驱动器共地。 7 东南大学硕士学位论文 二二_ 二二二= = 一一 d a c 的隔离不仅要对数字信号进行隔离，而且对d a c 芯片及其后的调理电路的供电电源也 要进行隔离。这里采用d c d c 模块进行电源隔离，使用5 v 转5 v 的d c d c 为d a c 系统提供+ 5 v 电源，使用5 v 转4 - 1 5 v 的d c d c 为d a c 系统提供1 5 v 电源。 为了使用较少的光耦，采用串行d a c 芯片，精度使用能够满足控制要求的1 2 位带有s p i 的 转换芯片d a c 7 8 1 l ，数字信号的隔离采用高速光耦h c p l 2 6 3 1 。如图2 4 所示，s p i 信号经过光 耦隔离后的电路原理图。其中电阻大小的选择参考i o 卡的章节。这样把3 3 v 的信号经过隔离， 转换成5 v 信号。 d s p 的s p i 的三根信号线经过光电隔离后连接到d a c 7 8 1 1 的s p i 对应的接口上，同时， d a c 7 8 1 1 还需要提供参考电压源。这里使用的参考电压使用有源参考源，将稳压管的电压调整到 参考电压。正参考源的一般方法如图2 - 5 所示，运放使用单电源供电，将稳压管1 n 4 6 1 1 的电压 6 6 v 调整到i o v 作为d a c 芯片的参考源。 + 3 3 v r 1o i k 医两瓦定 矗赢i s p i s t e l r3 0 1 k 司 u l v f l + v c c v f l v o i v f 2 v 0 2 v f 2 + g n d h c p l 2 6 3l u 2 v f l +v c c v f l v o l v f 2 v 0 2 v f 2 + g n d h c p l 2 6 3i + 5 v a s c l k s y n c 图2 - 4s p i 信号经过光耦隔离 o 5 l s d i n 霉坤5 l 图2 - 5 中二极管的稳压值为6 6 v ，电阻r 9 和r 8 的比值应为( 1 0 6 6 ) ：6 6 ，选择i k 和2 k 的电阻，在选择1 k 的电位计作为调整输出使用。查1 n 4 6 1 1 的资料手册可知，二极管d 5 流过 的电流应约为2 m a ，则r 7 的电阻应该选择为3 4 v 2 m a ，约1 7 ko ，查电阻表可以选择1 6 kq 或者1 8 k q 的电阻。 图2 - 5 正电压有源参考源 d a c 的调理电路选择芯片资料手册1 9 1 中的推荐电路，配置成为双极性输出。原理图如图2 - 6 所示，其中的电阻电容和运放都和资料手册中一致。 8 第2 章伺服压力机运动控制卡的硬件设计 + s v a i 萄要i 雾v d d s麓clusync s d l n= _ o l 吲 r v l 丽厂= = = 一 厂飞# s d 丌呵 s c l k 1 5 v a 石 c l 1 0 q + 1 5 v a 2 5 反馈的检测设计 图2 - 6d a c 的调理电路 r l o 1 0 k 压力机系统的反馈是半反馈，反馈量曲柄的角度和角速度信息。使用的传感器是旋转变压器， 它是绝对编码器。这里主要设计了将旋变的模拟量信号转换为数字量信号的电路以及数字量信号 和d s p 之间的接口设计。 2 5 1 旋转变压器原理 旋转变压器的是一种绝对编码器，其原理如图2 7 所示： 图2 - 7 旋转变压器的原理 旋转变压器由定子绕组和转子绕组组成，或者称为初级绕组和次级绕组，每一绕组都有两对 且方向上相差9 0 。，定子为s i s 3 、s z s 4 ，转子为d i d 3 、d 2 d 4 。当定子上加上交变电压实，转子 上也会感应出交变电压。设s l s 3 两端的电压为 屹= s i n ( c a t ) 则在d l d 3 、d 2 d 4 两端分别感应出的电压为 见= k k s i n 0 = k v os i n ( c o t ) s i n 8 n = k k c o s 8 = k s m ( , o t ) c o s 0 由这两路信号可以计算出轴的转动速度和轴的位置。 图2 - 8 是转轴匀速转动时测得的功和皿，图中使用的激励交变电压 = 2 8 s i n ( 9 0 0 m ) v 9 出 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 一 ” 啪 一 白黑 l 骂班 ，a v f l , 2j 0 m o；i r q 0j ) 2 2 0 h z| f r o 口c 1 17j h z。a v m l1 2 m v赣 l ：发乙辅黝施；磁! 竺! l ；燮：乙：竺。童篆：鏖琵。2 勉g 自貔；l 勰麓 乏缝 囊坟。么。：毛：纛：缓 图2 - 8 旋变输出信号 2 5 2 旋转变压器解码芯片a d 2 s 8 3 a d 2 s 8 3 是对旋转变压器信号后续处理得到转轴的速度和位置的专用芯片，获得速度的模拟 信号和可调精度的位置数字信号，分辨率为l o 、1 2 、1 4 和1 6 位可选。工作在l o 位时最高检测的 转速为1 0 4 0 r p s ，数字量输出是三态门输出，可以是1 6 位数据或者8 位数据，高精度的速度模 拟量输出可以代替测速发电机来使用，甚至，芯片的数学模型也在资料中给出了n 们。 r 5c 5 s i n0s i n o t c o s0s i n u t 图2 - 9a d 2 s 8 3 工作原理 其内部工作原理州如图2 - 9 所示，可以将其看成是一个2 阶输出跟踪输入的系统，输入是旋 转变压器的模拟量角度信号，输出是计算得到的数字量解码信号。旋变的输入角度为0 ，解码芯 片中定时器保存的角度为9 ，比例乘法器将这两个信号相比较，得到误差a s i n ( 0 s i n c o t ，将误差 信号经过高通滤波器，相敏检测，积分器之后可以得到模拟的e 变化率，即转轴的速度，将速度 经过压控振荡器( 控制角度防止在小于i l s b 范围内跳变) 反馈到比例乘法器中的定时器，以修 正保存的角度为q 。 伺服压力机的转速1 5 r p s ，而a d 2 s 8 3 t 作在1 6 位是的转速极限为1 6 2 5 r p s ，远大于伺服压力 机的最高转速，所以可以将其精度设置为1 6 位模式。此时s h o r tc y c l e 唧t s 引脚都悬空，由于 内部有上拉电阻，被配置成1 6 位模式。 供给旋变的激励参考电压选择选择为旋转变压器的额定频率，4 0 0 h z ，可直接由文氏电桥产 生。具体的a d 2 s 8 3 的外围器件参考文献副的接口，如图2 - 1 0 所示，具体的元器件选择如下。 1 0 1 5 k q 墨= r 5 6 k q 可选取2 4 k ，此时对应的电容 c j2c 22 甄1 石= 1 6 6 i l f 2 ) 增益电阻 耻器3 k q 该阻值电阻没有，可以使用8 2 k q 电阻替代； ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 3 ) 交流参考正弦电压输入需要加耦合电路以使得正弦输入没有相位偏置，选择忍= 1 0 0 k q ， c ， 瓦1 f = 2 5 心 ( 2 8 ) 可以选取1 0 0 n f ： 图2 1 0a d 2 s 8 3 的接口 4 ) 最大追踪速度电阻的选择是用来设置转轴的最大转速，此转速对应的速度模拟输出是8 v 。 设置最大的转速为1 6 r p s 时， r 6 ：巡= 6 4 9 k q 。1 6 6 5 5 3 6 ( 2 - 9 ) r s 。赢石4 百= 9 8 k q 该阻值电阻没有，可以使用l o k q 电容替代； 6 ) 压控振荡器相位补偿，选择 c 6 _ 3 9 0 p f r ，= - 3 3 l 【q 7 ) 相位优化，选择 c 7 = 1 5 0 p f 8 ) 偏置调节： r = 4 7 m q 马= m 位 2 5 3 正弦信号发生器 ( 2 - 1 2 ) (