（机械电子工程专业论文）基于linux的造波机控制系统.pdf

摘要 在实验水池中实现海上环境的模拟是随着海洋开发工程而兴起的一门实验研究技 术，除风、流的模拟之外，波浪的模拟是极为重要的。波浪对船舶、水利、海工建筑、 海上石油丌采等许多领域的研究都具有重要的意义。造波机正是这样一种可以在实验环 境中产生模拟波浪的设备。 本文第一章和第二章对造波机系统的发展概况以及文中所用到的基本造波理论进行 了简要介绍。第三章讨论了造波机控制系统的总体设计，包括系统造波方式和驱动方式 的选择，根据本造波机使用环境和性能要求的特点，我们选用了推板式造波方式和伺服 电机驱动方式。第四章内容是伺服电机的选择，综合考虑了伺服电机的扭矩匹配、负载 惯量匹配、功率匹配和加速性能，经过设计计算，最终选用了松下m s m a 系列的交流伺服 电动机。第五章主要讲述了控制卡的研制，根据控制卡的作用接收p c 机的用户指令 实现对电机的监控和产生合适的驱动脉冲，我们将控制卡分成了i s a 总线接口模块，脉 冲发生模块，数据输入输出模块和水位传感器模块四个部分。第六章的内容是l i n u x 平 台上控制软件的编写，此控制软件的编程语言是c 语言，g u i 函数库选用的是g t k ，整个 软件根据功能要求分成了两个窗口造波机定位窗口和参数选择窗口，主要通过g t k 提供的信号回调机制和g l a d e 界面设计器，完成了控制软件的编写。 本文第七章对研制的造波机进行了性能测试，测试结果表明：本造波机系统的平均 波高偏差，重复性和稳定性误差均小于5 ，符合相关的规则波造波要求，是一套性能 优良的造波机控制系统。 关键词：造波机，伺服电机，控制卡，i s a ，l i n u x ，g t k ，g l a d e a b s t r a c t n l es i m u l a t i o no fs e ae n v i r o n m e n ti ne x p e r i m e n t a lb a s i ni sak i n do fe x p e r i m e n t a l r e s e a r c ht e c h n o l o g yw h i c hd e v e l o p sa l o n gw i t ht h ee n g i n e e r i n go fs e ae x p l o r i n g 1 1 圮 s i m u l a t i o no f w a v ei sv e r yi m p o r t a n tb e s i d e st h es i m u l a t i o no f w i n da n df l o w w a v eh a sv e r y b i g n s ef o rt h er e s e a r c ho f s h i p ，w a t e rc o n s e r v a n c y , o c e a na r c h i t e c t u r e ，o c e a no i le x p l o i t a t i o n a n de t c w a v e - m a k e ri ss u c hak i n do fm a c h i n et os i m u l a t ew a v e si ne x p e r i m e n t a l e n v i r o n m e n t t i l i sf i r s ta n ds e c o n dc h a p t e ro ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fw a v e - m a k e r a n dt h eb a s i cw a v e - m a k i n gt h e o r yu s e di nt h ep a p e r t h em i r dc h a p t e rd i s c u s s e st h ew h o l e d e s i g no ft h ee o n t r o ls y s t e m , i n c l u d i n gt h ec h o i c eo fs y s t e m sw a v e - m a k i n gm e t h o da n d d r i v i n gm e t h o d w ec h o o s ep u s h - b o a r dw a v e - m a k i n ga n ds e l v om o t o rd r i v i n gm e t h o d s a c c o r d i n gt ot h ew a v e - m a k e r s 戚n ge n v i r o n m e n t , p e r f o r m a n c ec h f l r a c t e l 8 t h ec o n t e n to f t h e f o u r t hc h a p t e ri st h ec h o i c eo fs e r v om o t o r 耵蛇n e e d e dc o n s i d e r i n gf a c t o r si n c l u d et o r q u e m a t c h , l o a di n e r t i am a t c h , p o w e rm a t c ha n da c c e l e r a t i o np e r f o r m a n c e a f t e rd e s i g na n d c a l c u l a t i o n , w ec h o o s et h ea cs e r v o - m o t o ro fp a n a s o n l cm s m a s e r i e s 1 1 圮f i f l l l sc h a p t e r t e l l st h ed e v e l o p m e mo fc o n t r o lc a r d w ed i v i d et h ec o n t r o lc a r di n t of o u rp a r t s i s ab u s i n t e r f a c em o d l l l e ，p u l s eg e n e r a t i n gm o d u l e ，d a t ai n p u ta n do u t p u tm o d u l ea n ds e n s o ro f w a v e h e i g h tm o d u l ea c c o r d i n gt oi t sf u n c t i o n s - - r e c e i v i n gu r si n s t r u c t i o n st oa c h i e v em o t o r s w a t c ht a s ka n dg e n e r a t er i g h td r i v i n gp u l s e 1 1 1 es i x t hc h a p t e ri sa b o u tt h ec o n t r o ls o f t w a r e0 1 1 l i n u xp l a f f o r m i t sp r o g r a m m i n gl a n g u a g ei scl a n g u a g e w eu s eg t ka ss y s t e m sg u i l i b r a r y t l l i ss o f t w a r eh a st w ow i n d o w s - - w a v e - m a k e ro r i e n t a t i o nw i n d o wa n dp a r a m e t e r c h o o s i n gw i n d o ww h i c ha i md i v i d e db yt h e i rf u n c t i o nd e m a n d s w em a i n l yu s eg 墩，s s i g n a l - c a l l b a c km e c h a n i s ma n dg l a d eu id e s i g n e rt of i n i s ht h ec o n t r o ls o f t w a r e t h es e v e n t hc h a p t e rt e s t st h ew a v e m a k e r sp e r f o r m a n c e n 圮r e s u l ti n d i c a t e st h a ta l lt h e e r r o ro f a v e r a g ew a v eh e i g h t , r e p e t i t i o nc h a r a c t e ra n ds t a b i l i z a t i o no f t h ew a v e - m a k e ra r el e s s t h a n5 1 1 ”w a v e - m a k e ra c c o r d sw i t hr e l a t e ds t a n d a r do fr e g u l a rw a v em a k i n g i ti saw a v e m a k i n gc o n t r o ls y s t e mw i t l lg o o dp e r f o r n m c e k e y w o r d s ：w a v e - m a k e r ，s g r v om o t o r ，c o n t r o lc a r d ，i s a ，l i n u x ，g t k ，g l a d e i i 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和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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 墨涟堡墨盘望 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了谢意。 学位论文作者签名：田噫签字日期：扫q 年f 月1 2 q 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗堡墨表堂有关保留、使用学位论文的 规定。特授权叁生堡苎太望 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编，以供查 阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：习噜 导师签名：南是。 签字日期：2 口1 年 1 月 f z 日签字日期：k 7 年，月f _ 咱 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 在实验水池中实现海上环境的模拟是随着海洋开发工程而兴起的一门实验研究技 术，除风、流的模拟之外，波浪的模拟是极为重要的。波浪对船舶、水利、海工建筑、 海上石油开采等许多领域的研究都具有重要的意义。 在船舶设计领域，研究船舶在波浪中的航行及运动性能；在码头、堤坝等水利工程 中，研究其测试及抗波浪能力；在海上石油开采中，分析海上钻采设备对海浪的抗疲劳 性能；以及在休闲娱乐业供游客参与波浪戏水游乐活动等，都需要进行波浪相关的试验。 研究的手段可归纳为三种：数学力学的方法、现场观测的方法和模拟试验的方法。 数学力学的方法是应用牛顿力学理论，从流体运动方程和质量守恒出发，结合一定 的边界条件，得到波浪运动的解，并用以解释波浪运动的某些现象。但是数学方法只能 对特殊情况才能找到解析解。而自然界的条件是相当复杂的，一般情况下很难找到问题 的解析答案，用特殊情况下获得的答案去解释普通的实际波浪，会产生很大的差异。 现场观测的方法是在实际的波浪环境下进行一些工程试验，这种方法准确可靠，没 有任何假设和虚拟，但也有它自己的缺点和不足。一方面，自然现象不受人工的控制， 人们不一定捕捉到最有力的时机；另一方面，现场观测要投入大量的人力、物力和现代 化的精密仪器设备，这是制约其不能广泛和普遍发展的原因。 模拟试验的方法是在某种相似的原则下，把自然现象在实验室内进行复演。这种方 法克服了数学力学假设条件的狭义性，并且不受线性条件的限制，得到的结果也比数学 力学的方法更接近于实际。同时，模拟的方法可以人工控制和调节，不受外界条件的影 响，克服了现场观测这方面的不足，所需的花费也比现场观测少得多，但是实验室的条 件所限，模拟的范围也相对有限，得到的结果与实际的自然现象仍有差异。但是随着计 算机及其他技术的不断发展，波浪模拟技术日趋成熟，模拟的方法也正逐步由物理方式 向数学方式转化，在电子计算机实现的部分越来越多，从而减少了试验费用和试验周期， 并且只要模拟设计合理，试验设备及测量仪器的精度能够满足要求，由此得到的试验结 果就非常符合实际情况，完全满足一般船舶等试验的要求。因而，模拟试验的方法是最 佳的研究海浪与船模间相互作用的方法l l j i “。 造波机是一种与海浪试验水池配套的基础设施，它的作用是在试验水池中激起不同 波长和波高的波浪，模拟实际波浪对船舶或建筑等的影响，以测定各种技术数据，为相 关设计提供依据。此外，大型水上娱乐场也大量使用造波机造出人工波浪，使内地人们 也享受到在大海中游泳的乐趣，因此又开拓了造波机的新用途。 第一章绪论 1 2 波浪模拟技术的国内外发展状况 国外很早就已经开始了造波机及造波技术的研究工作。建于1 9 5 6 年，1 9 5 7 年正式 投产的荷兰瓦格宁根水池，其水池长为1 0 0 米，宽2 4 5 ，深2 5 米，采用摇板式蛇形造 波机，摇板高1 4 米，宽0 6 米，摇动铰链位于水下1 1 5 米，共有1 5 8 块摇板，摇板每 分钟摆3 0 6 0 次，产生的波长为1 5 6 米。美国泰勒水池建于1 9 5 8 年，水池为矩形，主 尺度为1 1 0 x 7 3 6 米，造波机采用空气式造波机，其功率指数在最大负荷时为2 5 0 0 马 力，造波范围波长为0 9 2 1 2 2 米，波高为0 0 1 0 0 6 米，可对长峰不规则波及短峰波 进行模拟。英国哈斯拉水池，建于1 9 5 7 年，1 9 6 2 年正式投产，安装有冲箱式造波机， 可造长峰规则波和不规则波。美国斯帝文森水池，装有冲箱式造波机，可造长峰规则波 和不规则波。日本三鹰露天水池，装有摇板式造波机，可造波长为o 7 米，最大波高o 4 米【3 】【4 】【5 】【6 1 川。 我国从5 0 年代开始造波水池方面的研究工作，最初是从规则波( 正弦波) 开始研究。 5 0 年代初，中国第一台规则波造波机研制成功。7 0 年代末大连理工大学海岸和近海工程 国家重点实验室利用引进的c r o m e m c o 微机作为控制机，研制了国内第一台不规则波 造波机调频式造波机，因其机械惯性较大，仅能模拟一些简单的波谱。8 0 年代，大连 理工大学在对从美国引进的大型水槽不规则波造波机及多向不规则波造波机等设备消化 吸收的基础上，同时综合分析了国内外先进造波技术，和国内几家科研单位共同研制了 低惯性电机驱动式不规则波造波机和液压伺服式不规则波造波机，主要性能指标达到国 际水平，而造价仅为引进设备的五分之一。9 0 年代以后，计算机控制技术开始在造波研 究中广泛使用，促进了造波技术的快速发展，各使用单位对原来的造波机系统进行了许 多技术改造，其中既有对造波方式的改造，又有控制方面的改造。新建造的造波机都向 具有生成规则波、二维不规则波、三维不规则波的造波能力方向发展。2 0 0 5 年天津水运 工程科学研究所与天津理工大学合作研制成功的无反射造波机己成功实现了无反射波的 造波能力【2 】【6 】嘲【9 】。 造波技术是- - f q 综合技术，它涉及到海洋学、造波理论、自动控制、计算机、电力 电子技术、传感技术等多种学科。当今，计算机、自动控制技术和电力电子技术的高度 发展，为造波机提供了良好的技术支持。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作是自行研制一套造波机控制系统，此造波机控制系统的使用环境是 一个宽o 6 9 米，长4 0 米，高1 5 米的水槽，要求其能产生合格的规则波。本文以此为出 发点，介绍了造波机的系统组成与工作原理，并对造波机产生波浪的性能和所产生波浪 的特性进行了测试试验研究。造波机控制系统是集计算机技术、自动控制技术、电力电 子技术、传感器技术、力学为一体，是多学科的交叉和综合。本文主要是从控制的角度 出发，将要做以下几个方面的研究工作： 2 第一章绪论 l 、根据项目对造波机的具体要求，完成造波机控制系统的整体设计； 2 、对造波机的的电机驱动部分进行设计、选型、配置； 3 、研制造波机控制系统的控制卡； 4 、在l i n u x 系统下，完成造波机控制软件的编写。 3 第二章基本造波理论 第二章基本造波理论 造波机是按照相似理论来模拟江河湖海中的波浪，用以研究江河湖海中的波浪对水 中建筑物以及行船的作用，如对堤坝、码头、桥梁、波浪防护设施以及行船的冲击作用， 估计这些设施在波浪的冲击作用下的使用寿命、承受能力，研究行船的航行条件，验证 水利工程设计方案的可行性，研究在波浪的作用下泥沙的运动规律等，可为工程设计和 科学研究提供可靠的依据。港口以及海洋工程实验室中用到的造波机可以分为推板式、 摇板式以及冲箱式等种类。下面以目前常用的推板式造波机为例来说明造波机的工作原 理。 行进波反射波仉 - - - p 一 r 。几fk 7 兰 l i i ll l 一i - - 1i ii 上 ! ! 一r | 一 蕾 l ji i i i i i r i 生到 瓢 图2 - 1 推板式造波机布置简图 通常，水槽式造波系统的造波部分布置如图2 1 所示，这是一种典型的推板式造波 机。在该坐标系中，以推板平衡位置为z 轴，向上为正；静止水面为x 轴，以生成波前 进的方向为正。假定造波板作小振幅简谐运动，水槽中的静水深为h ；造波板以振幅a d 做往复运动：造波板运动产生的波浪高度为h ，波长为l ，周期为t 造波板的运动x ( o 为一简谐运动x p ( t ) ，它可以表示为： x p ( t ) = 4 。s i n ( c o t ) ( 2 1 ) 式中：x p 代表造波板位移，a o 代表造波板振幅，国代表圆频率，t 代表时间。 同时，假定流体无粘性、不可压缩、无旋，造波机的运动相对于波浪为小量，则造 波机产生波浪的控制方程ia p l a c e 方程为： 由二+ o 二= 0 ( 2 - 2 ) 式中巾( x ，y ，t ) 为速度势，它需要满足的边界条件为： 1 在水槽底部时：因为水槽底部不透水，所以水质点在z 轴方向的速度为零，即 4 第二章基本造波理论 2 在水面时： o 0o = 一h ) g r + o 。= 0( z = 0 ) 哦+ g o ：= o( z = o ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 啦一z = 00 = 0 ) ( 2 - 6 ) 式中x ( t ) 为造波板的运动位移，o ( x y ，t ) 同时在无限远处满足散射条件， 斗行进波o 斗) ( 2 7 ) 采用线性波理论，方程( 2 2 ) ( 2 - 7 ) 的解为： p 乙f ) = 一4q | f ( z ) e x p 一f ( 缸一研) + i a d n g n ( z ) e x p ( 一k n x + i r o t ) ( 2 8 ) 其中， q = 丽4 i s i n 蕊h ：k h ( 2 - 9 ) 。 2 h + s 1 1 1 2 肋 心)=芸警(2-10)cosllm肭 见= 蜀4 s 丽i n h 2 k h ) 啡) = 丢掣c o s l l ( 2 - 1 2 ) 国 t 厅 式中：k 为波数，l 【i i 为虚波数，它们分别满足下列色散关系式： 竺二：k t a n h k h f 2 1 3 ) g 竺= 一k t a n h k 。h f 2 1 4 ) g 由于( 2 _ 8 ) 式中的第二项当x 很大时趋于零，由此可以得到造波机产生的行进波q p 为： f f p ( x ，f ) = 一二巾t _ i a p q e x p - i ( k x - r o t ) ) ( 2 1 5 ) g 可以看出，函数q 为所产生行进波的振幅与造波板运动振幅的比值，称之为造波机 系统的水动力传递函数。 5 第三章造波机系统的总体设计 3 1 造波方式的选择 第三章造波机系统的总体设计 众所周知，只要对水面进行扰动，水面就会有波浪产生。这种扰动如果是周期性的， 则在水面上产生规则的、具有和扰动相同周期的波浪( 如正弦波) ，如果是非周期性的， 则产生不规则的波浪。水池中装设的造波机系统，不外乎就是根据以上原理。造波机系 统实际上只不过是给水体以扰动的机械而已。 常见的造波机类型有以下几种： 1 摇板式。如图3 1 所示，通过机械驱动使摇板绕固定轴摆动，使池中水波动。波 高由摇板摆动的幅度控制，波长或周期则由扰动频率确定。 图3 - 1 摇扳式造波机示意图图3 - ：2 推板式造波机示意图 2 推板式。推板式造波机也称为活塞式造波机。如图3 2 所示，通过连杆驱动设在 水池一端的活塞进行往复运动，使池中水产生波动，波高取决于活塞冲程和速度，波长 则取决于往复的频率。 3 冲箱式。如图3 3 所示，其造波部件为断面呈特殊形状的柱体，通过该柱体沿垂 直水面的方向作往复运动达到造波的目的。冲箱式造波机的波长是由冲箱上下震动的周 期决定的。 4 空气式造波机。空气式造波机的原理依靠附加在钟罩所限制的水域上，并随时 间做周期变化的空气压力来制造波浪。如图3 - 4 所示，该造波机备有鼓风机作气源，鼓 风机通过管路与钟罩相连接。钟罩内的空气压力靠配气阀门来实现周期变化。因此波浪 的周期与阀门摇动的周期相等，而波长与阀门的工作周期t 和水深h 有关。 6 第三章造波机系统的总体设计 d ： 一 i r 图3 - 3 冲箱式造波机示意图图3 4 空气式造波机示意图 推板式造波机具有结构简单，便于实时控制等优点，近年来研制的水槽式造波机系 统有很多都采用这种方式。因此，此系统中，我们就采用了结构简单、能产生各种浪谱、 性能优越的推板式造波机。 3 2 驱动方式选择 一般造波机的驱动方式有三种：电机驱动、气压驱动和液压驱动。它们各有优缺点， 且适用范围不同： 1 电机驱动的优点是：体积小，电机启动容易，控制性能好，快速响应能力强且 无污染；其缺点是：力矩输出较小，负载能力较弱，如果要获得很大的输出功率，电动 机的质量和体积都会较大。电机驱动和其他形式相比，在高速、高精度、小型节能方面 更能满足要求，因而在轻载情况下，国内外采用电机驱动的系统比较多。 2 气动系统以空气为介质，响应速度快，且空气可直接从大气中获得，又可排放 到大气中，不需要回流系统，与液压系统相比，气动系统构成简单、价格便宜，但工作 压力低，因而承受能力低，定位刚度也低。工作载荷在几百牛顿时，气动系统比较有效。 3 液压传动虽然油液易泄漏，但输出力矩大，负载能力强，一个体积与能搬送1 4 2 4 k g 载荷的气动或电动系统相当的液压系统，就可搬送1 3 0 1 4 0 k g 的负载，而且还有 与电动系统相当的精度和响应速度。另一方面，液压系统的油液能起到对运动部件润滑 的作用，并通过油液的流动把热量带走，实现系统的自冷却，以延长元件和系统的使用 寿命。采用液压驱动机构还可以得到很大的速度范围，其低速特性比电动机要好，当液 压执行器泄漏较小时，液压弹簧刚度大，因而闭环系统的定位刚度较大，位置误差比较 小。另外，利用液压系统的集成回路可以把液压系统设计得相当紧凑，减少系统所占空 7 第三章造波机系统的总体设计 间。 在本系统中，我们根据项目的特点和要求，采用了体积小，响应快，维护和使用方 便的电机驱动方式，其动力装置部分如图3 - 5 所示。 电机 3 3 控制方式的选择 丝杠造波板 图3 - 5 动力装置部分示意图 控制系统作为造波机系统的核心部分，其设计质量的好坏直接决定了整个系统的水 平。本造波机系统的控制部分主要完成的功能有三个： 1 实现与用户的交互，接收用户输入的造波信息； 2 根据用户的要求产生合适的电机驱动脉冲； 3 实时监测电机以及系统的状态，并反馈给用户。 为此我们把控制系统分成了两个部分：p c 机和控制卡。p c 机作为上位机，完成与 用户的交互，将用户输入的造波信息经过处理后发送给控制卡，并由控制卡转换成能驱 动电机的合适的脉冲信号，控制卡同时还监视着电机和系统的状态，并将各种状态信号 传回给p c 机进行处理。 此控制系统p c 机的操作系统我们选用了l i n u x 。虽然近年来研制的造波机控制系统 中的p c 机几乎全部采用了w m d o w s 做为其操作系统，并获得了不错的性能。但由于 w m d o w s 的商业性及不开放源代码，其仍然存在着一些问题，如版权费用昂贵、b u g 多、 稳定性不好、对硬件要求高、程序执行速度欠佳等。l i n u x 作为当自口最流行的开放源代 码的免费、开放、可定制的操作系统，不仅能胜任w i n d o w s 的工作，同时还能有效克服 w i n d o w s 的一些缺点，因此我们选用了l i n u x 做为p c 机的操作系统。 整个造波机控制系统的结构如图3 - 6 豳3 - 6 造波机控制系统框图 8 第四章电机驱动部分的设计 第四章电机驱动部分的设计 4 1 电机及驱动器的选取 早期的造波机电机驱动方式常用的是直流伺服电动机，但是近十几年来，交流伺服 电动机及其控制技术得到迅速发展。已逐步替代直流伺服电动机及其控制技术。交流伺 服电动机具有没有换向部件、工作可靠，过载能力强、体积小、重量轻等特点，适宜于 高速大力矩、高精度、频繁地起动与停止、快速定位等场合，且电动机不需维护、能在 恶劣环境下使用。而且，交流伺服系统可软件设定每转反馈量，与检测传感器匹配，其 反馈脉冲设定范围为每转l 3 2 7 6 7 3 2 7 6 7 3 2 7 6 7 3 2 7 6 7 1 ( 分数或整数均可) ，在位置 控制方式下，它具有调速作用，以及满足对反馈量精度的要求，该功能称为柔性齿数比 或电子齿轮功能，这就扩大了传统的脉冲倍率( d m r ) 的设定范围。此外，还有工作方 式选择、配用电动机型号、是否用正反转脉冲的传感器、原点位置移动、输入输出脉 冲类型、输入指令电压的比率、加减速时间、制动方式、速度限制值和电流限制值等功 能，其适应性很强，可广泛应用于各种机电一体化设备。 早期的电动伺服式造波机的动力部分常配备功率步进电机加传动箱的结构，虽然步 进电机和伺服电机在控制方式上相似( 脉冲串和方向信号) ，但就使用性能而言，两者存 在着较大的差异： 1 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。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( f f t ) ，可检测出机 械的共振点，便于系统调整。 2 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3 0 0 6 0 0 r p m 。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速( 一般为 2 0 0 0 r p m 或3 0 0 0 r p m ) 以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 3 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，包括速度过载和 转矩过载能力，以松下交流伺服系统为例，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 9 第四章电机驱动部分的设计 转矩，便出现了力矩浪费的现象。 4 交流伺服电机的控制方式完全解决了步进电机存在丢脉冲的问题。 因为电子电路元件的响应速度是有限的，在高频情况下会存在丢脉冲问题，步进电 机因是开环控制，这一问题没有得到很好的解决( 闭环控制造价高，且有的地方无法实 现全闭环) 。交流伺服电机因自身带有编码器，在选择位置控制形式时，用于电机轴的位 置测量和反馈，构成了位置闭环，从而避免了丢脉冲问题，其位置控制精度非常高，同 时编码器还检测电机的转速，即在位置反馈的同时，也构成了速度反馈( 优先级次于位 置反馈) ，因而运动平稳。 因此，本系统的电机驱动部分选用了交流伺服电机，与其他驱动方式相比，在高速、 高精度、小型节能方面更能满足使用要求。 在选择交流伺服电机时，综合考虑了四个方面的因素，扭矩匹配，负载惯量匹配， 功率匹配和加速性能。 1 扭矩匹配。本系统中伺服电机的扭矩计算公式为： r：盟+五+正(4-1)2m 式中：f m 为轴向力，本系统为1 0 0 0 0 n ；p h 为丝杠导程，常用值为0 0 1 m ；i l 为机 械效率，这里取0 8 6 ：t l 为丝杠螺母预加载荷的附加转矩，根据产品手册，这个值为 0 6 n m ；t 2 为轴承的摩擦转矩，根据产品手册，这个值为0 3 n m 。 2 负载惯量匹配。本系统所选用电机对惯量的要求为： 以 a 0 a 7 ，反之，数据传送方向为a o a 7 - - b 0 b 7 。 7 4 h c 2 4 5 的e 引脚为芯片使能信号，低电平有效，其与7 4 h c 6 8 8 的输出端相连，即当 i s a 总线输出的地址信号为控制卡内芯片可寻址的地址范围时，7 4 h c 2 4 5 处于工作状态， 反之，7 4 h c 2 4 5 相应的输出端为高阻状态。 1 6 嚣雹鸶 黼冒黼 ：一柚m舵“：昌盯巨眦 一 ，一；一7一，一佗一h一=2一培一 第五章控制卡的研制 5 3 脉冲发生模块 脉冲发生模块是整个控制卡电路中最重要的部分，而脉冲发生电路中最核心的是其 微控制器一8 9 c 2 0 5 1 单片机，如图5 3 所示： 8 9 c 2 0 5 1 是由a t m e l 公司推 出的一种小型单片机，9 5 年出现 在中国市场。其主要特点为采用 f l a s h 存贮器技术，降低了制造成 本，其软件、硬件与m c s - - 5 1 完 全兼容，可以很快被中国广大用户 接受，其程序的电可擦写特性，使 得开发与试验比较容易u o j 。 8 9 c 2 0 5 1 单片机共有2 0 条引 脚，详见图5 3 。从图中可见， 8 9 c 2 0 5 1 继承了8 0 3 l 中最重要的 u 4v c c r e s e tl 2 0t p 302 r e s v c c 1 9p 10 p 3l3 p 3 0 p 1 7 1 8p 1l x 24 p 3 lp 1 6 1 7p 12 x 15 x 2p 1 5 1 6p l3 p 326 x lp 1 4 1 5p l4 p 337 p 3 2 p 1 3 p 348 p 3 3p 1 2 1 4p 15 p 359 p 3 4 p 1 l 1 3 p l6 1 0 p 3 5 p 1 0 1 2 p l7 e 甜dp 卯 1 lp 3 7 l = 8 9 c 2 0 5 l 图5 - 38 9 c 2 0 5 1 单片机 引脚。8 9 c 2 0 5 1 片内含有2 k 字节的f l a s h 程序存储器，1 2 8 字节的片内r a m ，与8 0 3 l 内部完全类似。由于8 9 c 2 0 5 1 内部设计为全静态工作，所以允许工作的时钟为o 2 0 m h z ，也就是说，允许在低速工作时，不破坏r a m 内容。相比之下，一般8 0 3 1 对最 低工作时钟限制为3 5 m h z ，因为其内部的r a m 是动态刷新的。8 9 c 2 0 5 1 不允许构造外 部总线来扩充程序数据存储器，所以它也不需要a l e 、p s e n 、r d 、w r 一类的引脚。 下面对8 9 c 2 0 5 1 单片机的2 0 条引脚的具体功能以及在本系统中实际的接口电路进行详 细讲解。 1 电源引脚v c c 和g n d ：分别接电源和接地。8 9 c 2 0 5 1 有很宽的工作电源电压， 可为2 7 v 6 v 。当工作在3 v 时，电流相当于6 v 工作时的1 4 。当工作于1 2 h z ， 3 v 时，动态电流为5 5 m a ，空闲态为l m a ，掉电态仅为2 0 n a 。这样小的功耗很适合于电 池供电的小型控制系统。本系统中，8 9 c 2 0 5 1 接+ 5 v 电源。 2 外接晶体引脚x l 和x 2 ：x 1 接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个 反向放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，此引脚作 为驱动端。x 2 接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输 出端。采用外部振荡器时，此引脚应悬浮。本系统中其外接晶体部分的接口电路如图5 4 所示。 3 复位引脚r s t ：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使 单片机复位。单片机对复位电路的基本要求是：在单片机上电时能可靠复位，在下电时 能防止程序乱飞导致e e p r o m 中的数据被修改；另外，单片机系统在工作时，由于干 扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作。对于无看门 狗定时器的单片机，如8 9 c 2 0 5 1 ，为了克服这一现象，需外加看门狗电路；除此以外， 1 7 第五章控制 的研制 有些单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因为掉电的发生往往 是很随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。 m a x i m 公司推出的m a x 8 1 3 l 刚好能满足这些要求，下面具体介绍一下该芯片： 矗墨x i v c c u 5 m rw d v c c r s t g n d d i p f lp f o m a x 8 i 3 l r e s e t p 3 7 图5 - 4 晶振电路图5 - 5 复位电路m a x 8 1 3 l m a x 8 1 3 l 具有以下主要性能特点： 1 ) 复位输出。系统上电、掉电以及供电电压降低时，r s t 引脚产生复位输出，复 位脉冲宽度的典型值为2 0 0 m s ，高电平有效，复位门限的典型值为4 6 5 v 。 看门狗电路输出。如果在1 6 s 内没有触发该电路( 即w d i 引脚无脉冲输入) ， 则w d 引脚输出一个低电平信号。 3 ) 手动复位输入，低电平有效，即m r 引脚输入一个低电平，则r s t 脚产生复位 输出。 钔1 2 5 v 门限值检测器，p f i 引脚为输入，p f o 引脚为输出。当p f i 引脚电压低于 1 2 5 v 时，p f o 引脚输出一个低电平信号。此功能本系统中并没有用到。 本系统中m a x 8 1 3 l 的典型应用电路如图5 5 所示。m a x 8 1 3 l 的m r 引脚与w d 引脚相连。r s t 引脚接8 9 c 2 0 5 1 单片机的复位脚；w d i 引脚与单片机的p 3 7 引脚相连。 在软件设计中，p 3 7 定时不断输出脉冲信号，如果因某种原因单片机进入死循环，则p 3 7 无脉冲输出。于是1 6 s 后在m a x g l 3 l 的w d 引脚输出低电平，该低电平加到m r 引脚， 使m a x 8 1 3 l 产生复位输出，使单片机有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电 压低于门限值4 6 5 v 时，m a x 8 1 3 l 也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行 任何指令，直至电源电压恢复正常，可有效防止因电源电压较低时单片机产生错误的动 作。 4 p 1 0 p 1 7 引脚：p 1 口，是八位双向i o 口。p 1 0 和p 1 1 引脚还具有第二功能， 可作为8 9 c 2 0 5 1 内部模拟量比较器的两个模拟量输入。本系统中，p l 口用作八位数据总 线，与其它芯片进行双向数据的传输。 5 p 3 o p 3 7 引脚：p 3 口，其中p 3 o p 3 。5 和p 3 7 是7 位双向i o 口，p 3 6 引脚 用作内部模拟量比较器的使用，没有外部用户接口。p 31 2 1 的其它引脚还具有第二功能， 如表5 - 1 所示。 ， 本系统中p 3 0 和p 3 1 用作普通i o 口使用，通过它们向电机驱动器发送驱动电机的 脉冲信号。电机驱动器通过配置，可以选择其输入的脉冲信号形式，共有三种脉冲输入 1 8 第五章控制卡的研制 信号形式可选，如表5 - 2 所示，本系统选用的是指令脉冲+ 指令方向的形式，其中p 3 0 为指令脉冲信号，p 3 1 为指令方向信号。 口线 引脚 第二功能 p 3 o 2r x d ( 串行输入口) p 3 13t x d ( 串行输出口) p 3 26i n t o ( 外部中断o ) p 3 3 71 n t l ( 外部中断1 ) p 3 48t o ( 定时器0 外部输入) p 3 59t 1 ( 定时器1 外部输入) 表5 - 18 9 ( 2 2 0 5 1p 3 口第二功能定义 指令脉冲类型指令脉冲图示 正交脉冲璁厂l 刚l a 、b 两相相差9 0 雕厂 霸厂 o c w 脉冲+ j_ j 。 。 c c w 脉冲 汛 指令脉冲+ 习一 厂j 丁1 lll 指令方向 i i 卜 ； i - 4 i ! 表5 - 2 电机驱动器指令脉冲的三种输入形式 8 9 c 2 0 5 1 单片机输出的信号是r r l 电平信号，而电机驱动器提供的的输入信号接口 是r s - 4 2 2 。这是因为r s - 4 2 2 通讯接口相比r r l 电平具有更好的抗干扰能力，能有效的 抑制共模信号的干扰，保证了通讯的高可靠性。同时，当采用r s - 4 2 2 标准时，最大传 输速率可达1 0 m b i l l s ，最大传送距离为3 0 0 m ，如果适当降低数据传送速率，传送距离可 达到1 2 0 0 m 。r s - 4 2 2 每个通道要用两条信号线，如果其中一条为逻辑“1 ”状态，另一 1 9 第五章控制卡的研制 条就为逻辑“0 ”。r s - 4 2 2 电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载、接收器几部分 g t 成t 2 n 。本系统使用的1 t l 与r s - 4 2 2 电平转换芯片是m c 3 4 8 7 ，如图5 - 7 所示： m c 3 4 8 7 可同时将4 个r r l 电平信号转换成 旦! !v c c r s - 4 2 2 信号。4 个t t l 电平输入端为i a 4 a ， p tnllv c c 卜- 剥 相应的输出为1 y 、i z 4 y 、4 z 。本系统因为一1 1 磊 j ： 广西 r 有p 3 0 和p 3 1 两个r r l 电平需要转换，所岂上三_ 2 a2 y 卜l - 娑 以只用到了i a 和2 a 引脚，其中p 3 0 接i a ，9 l ，苎卜_ 1 0 p 3 1 接2 a 。1 2 e n 和3 4 e n 引脚是m c 3 4 8 7 芯 一 1 j 兰l ! ! 片的使能信号，当1 2 e n 引脚为高电平时，l a 二乙一4 a 4 y 卜鲁一 和2 a 两个引脚上输入的r r l 电平信号的转换v c c 卜t t 一1 2 e n 叱_ 使能，同理，当3 4 e n 为高电平时，3 a 和4 a。l ! l 一3 4 e m e n d 卜1 1 引脚上信号的转换使能。v c c 和g n d 为电源赢西孬厂一吉 信号，分别接+ 5 v 电源和接地。 图5 - 6 m c 3 4 8 7 芯片 本系统中p 3 2 p 3 5 也作为普通i o 口使用并且始终处于低电平状态，它们分别与 三个7 4 h c 3 7 3 的o e 端相连，控制着7 4 h c 3 7 3 的使能，如图5 7 所示： u 77 4 0 2 酾 旧罄 d ， l 聃q 4 d 5 够 l 斑 1 ) 7 嚣 晓 6p i r 霄 1 2p e 霸 1 6p i 孙救 图5 77 4 h c 3 7 3 缓存器 7 4 h c 3 7 3 是八位三态数据锁存器，三个7 4 h c 3 7 3 缓存来自p c 机的造波数据用于 2 0 塞 第五章控制卡的研制 8 9 c 2 0 5 1 单片机产生电机的控制脉冲时使用，它们分别是计数器的低1 6 位、高1 6 位数 据和电机的正反转标志。 整个8 9 c 2 0 5 1 单片机的程序流程图如图5 8 所示： 5 4 数据输入输出模块 图5 - 8 脉冲发生单片机流程图 这部分电路的作用主要是把电机驱动器和外部的输入信号缓存起来，同时把用户设 置的值传送给电机驱动器，具体的电路如图5 - 9 所示： 控制卡与外部的数据传输接口采用了一个3 7 针的d 形插头，o a l 、o b i 和o a 2 、 o b 2 为两个外部水位传感器信号的输入。l y 、l z 和2 y 、2 z 为输出给电机驱动器的脉 冲信号。i n 0 i n 7 为外部输入信号，这里用到了前七个，分别为造波扳回零、电机就绪、 造波板手动后退、