（机械电子工程专业论文）基于lm628的数控系统的开发与研究.pdf

论文题目： 学科名称： 研究生： 指导教师： 基于l m 6 2 8 的数控系统的开发与研究 机械电子工程 曾艳琼 史文浩教授 摘要 i i i ii i1 11 1ii i i ii iiiil y 1814 4 0 2 签名望整速 签名基苤f 薹 基于p c 和w i n d o w s 操作系统的开放式数控系统( o p e nc n c ) 是当前数控技术的 研究热点和发展方向。目前市场上已出现了各种具有高速、高精度伺服控制卡的开放 式数控系统，但价格比较昂贵。因此，开发一种经济实用的运动控制器软硬件系统对 中小型数控系统的发展具有重要意义。 本课题针对轴数不太多的中小型数控系统，开发了一种基于l m 6 2 8 的简易运动控 制系统。它由上位机和下位机两部分组成：以w i n d o w s 操作系统为平台的p c 机作上位 机；以8 位单片机和运动控制专用芯片l m 6 2 8 为核心的交流伺服电机运动控制器作下位 机。 本系统采用v i s u a lc + + 设计上位机管理系统软件，单片机和p c 机制订统一的r s 2 3 2 通信协议，应用实时控制系统和c 5 1 语言编程技巧等关键技术，实现了硬件初始化、 位置伺服控制、常规i o 管理、定时中断、两轴插补运动、运动控制器与i p c 的通信、 上位机监控整个系统的状况等功能。 下位机运动控制器以p 8 9 c 6 6 8 为主处理器，对l m 6 2 8 传送控制指令或从其读取电机 的运行状态，从而实现位置伺服控制。设计的主要硬件电路包括：单片机与l m 6 2 8 的接 口电路、译码电路、l m 6 2 8 与1 2 位数模转换芯片的接口电路、定时中断电路、编码器脉冲 差分接收电路、时钟电路、使能报警电路、常规i o 电路、串口通讯电路、四轴扩展电路 等。l m 6 2 8 接收码盘反馈信号，通过内嵌的p i d 算法，以数字形式给出控制量，经过d a 转化为模拟控制信号给伺服放大器，进而控制电机运行。这种设计减少了电路元器件， 部分控制算法由硬件完成，从而减轻了主处理器单片机的控制及实时计算任务，提高了 系统的可靠性，且采样频率达3 4 1 u s ，控制精度较高，具有较高的性价比。根据实际应用 的需要，作者用松下公司的交流伺服电动机m d m a 0 8 2 a 1 c 和驱动器m d d a 0 8 3 a 1 a ， 调整p i d 控制器参数，进行电机运行实验。 而且，运动控制器接收完上位机i p c 传送来的全部已编译数控代码后，能脱离i p c 独立完成实时控制任务。所以，本文开发的数控系统既可以应用于数控机床加工，也 可以应用于自动导航小车的运动控制，适用性好。 ，zi，r 西安理工大学硕士学位论文 关键词：数控系统；运动控制器；p 8 9 c 6 6 8 ；l m 6 2 8 ：p i d - a b s t r a c t t i t l e ：d e v e l o p i n g & r e s e a r c ho nt h ec n cs y s t e mb a s e d o nl m 6 2 8 m a j o r ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g n a m e ：y a n q i o n gz e n g s u p e r v i s o r ：p r o f w e n h a o s h i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： o p e nc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ( o p e nc n c ) b a s e d o np ca n dt h ew i n d o w s o p e r a t i n gs y s t e mh a sb e e nam a j o rd e v e l o p m e n td i r e c t i o na n das t u d yf o c u so ft h ec u r r e n t n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，t h e r eh a v eb e e na l lk i n d so ft h eo p e nc n cs y s t e m s w i t hh i g h s p e e da n dp r e c i s i o ns e r v oc o n t r o lb o a r d s ，b u tt h e ya r et o oe x p e n s i v e t h e r e f o r e ， d e v e l o p i n ga ne c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lm o t i o nc o n t r o l l e rw i t hs o f t w a r ea n d h a r d w a r es y s t e mi s g r e a ts i g n i f i c a n tf o r t h ed e v e l o p m e n to fm e d i u m - s i z e da n dm i n i t y p en u m e r i c a l c o n t r o l s y s t e m a i m m i n ga tt h ef e wa x e sm e d i u m s i z e da n dm i n i t y p en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，t h i s t h e s i ss t u d y sas i m p l es e r v oe l e c t r o m o t o rs y s t e mb a s e do nl m 6 2 8 i ti sc o m p o s e do fu p p e r a n dd o w ne q u i p m e n t s t h eu p p e re q u i p m e n ti sp e r s o n a lc o m p u t e rw i t hw i n d o w so p e r a t i n g s y s t e m t h ed o w ne q u i p m e n ti sa na cs e r v oe l e c t r o m o t o rc o n t r o l l e rb a s eo na8b i tm c u a n dl m 6 2 8 ，d e d i c a t e dm o t i o n - c o n t r o lp r o c e s s o r v i s u a lc + + i su s e dt od e s i g nt h eu p p e rm a n a g e m e n ts o f t w a r ea n dc 51l a n g u a g ei s u s e dt oc o m p l e t ei n i t i a l i z a t i o np r o c e d u r e ，p o s i o ns e r v oc o n t r o lp r o c e d u r e ，g e n e r a li o m a n a g e m e n tp r o g r a m ，t i m i n gi n t e r r u p tp r o g r a m ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，a n d i n t e r p o l a t i o np r o c e d u r e t h eu n i f o r m c o m m u n i c a t i o na g r e e m e n t ，r s 2 3 2 ，i si n s t i t u t e d b e t w e e np e r s o n a lc o m p u t e ra n dm c u p 8 9 c 6 6 8 a st h ed o w ne q u i p m e n t sh o s t ，c o m m u n i c a t e sw i t ht h el m 6 2 8t h r o u g ha n i 0p o r t ，t r a n s l a t i n gc o m m a n d so rd a t a s m a i nc i r c u i t sd e s i g n e di n c l u d ei n t e r f a c ec i r c u i to f m c ua n dl m 6 2 8 ，c o d i n gc i r c u i t ，i n t e r f a c i n ga12 一b i td a ca n dl m 6 2 8 ，t i m i n gi n t e r r u p t ， d i f f e r e n c er e c e i v ec i r c u i to fe n c o d e r , c l o c kp u l s eg e n e r a t i o nc i r c u i t ，a l a r ma n dg e n e r a li o i n t e r f a c ec i r c u i t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta n de x t e n d i n gc i r c u i to ff o u ra x e s t h e l m 6 2 8r e c e i v e sf e e d b a c ks i g n a lf r o ma ni n c r e m e n t a le n c o d e r , e x p o r t sn u m e r i cc o n t r o l s i g n a lb ya ne m b e d d i n gp i df i l t e r t h e na ne x t e r n a ld i g i t a l t o 。a n a l o g c o n v e r t e rt op r o d u c e 西安理工大学硕士学位论文 t h es i g n a lt h a ti s p o w e ra m p l i f i e da n da p p l i e d t ot h em o t o r t h i sd e s i g nr e d u c e s c o m p o n e n t s a m o u n t ，m a k e s p i dc o n t r o la r i t h m e t i cd o n eb y h a r d w a r e ，i m p r o v e st h e s y s t e m d e p e n d a b i l i t y , l i g h t e n st h eh o s t t a s ka n d t h es a m p l ep e r i o d si s3 41u s ，t h ep r e c i s i o ni s u p p e r o t h e r w i s e ，u s i n gp a n a s o n i cm o t o rm d m a 0 8 2 a 1 ca n dd r i v e rm d d a 0 8 3 a 1 a ，t h e e x p e r i m e ni sd o w na n dt h ep i dp a r a m e t e r so fc o n t r o ls y s t e ma r ea d j u s t e do n l i n e m o r e o v e r , a f t e rt h em o v e m e n tc o n t r o l l e rr e c e i v e st h ew h o l et r a n s l a t e da n de d i t e d n u m e r i c a lc o n t r o lc o d e sw h i c ht r a n s m i t t e df o r mt h eh o s tc o m p u t e ri p cc o m p l e t e l y , i tc a n b es e p a r a t e df r o mi p ct oc o m p l e t et h er e a l - t i m ec o n t r o lt a s ki n d e p e n d e n t l yt h e r e f o r e ，t h i s a r t i c l ed e v e l o p st h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mc a na p p l yi nt h en cm a c h i n i n g ，a sw e l la sc a n a p p l yi nm o v e m e n tc o n t r o lo f a g v , t h es e r v i c e a b i l i t yi sw e l l k e yw o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ； s e r v oe l e c t r o m o t o rc o n t r o l l e r ；p 8 9 c 6 6 8 ； l m 6 2 8 ：p i d i p i 目 录 目录 1 绪论1 1 1 伺服系统2 1 1 1 位置伺服系统的构成与分类2 1 1 2 位置伺服系统的控制4 1 2 运动控制技术的发展6 1 3 本论文研究的主要内容7 2 运动控制专用芯片l m 6 2 8 的结构、特性及工作原理9 2 1 介绍运动控制专用芯片l m 6 2 8 9 2 2l m 6 2 8 的主要工作特性1 0 2 3l m 6 2 8 的工作原理1 1 2 3 1 位置反馈接口1 l 2 3 2 梯形速度图的产生1 3 2 3 3 轨迹分辨率及位置、速度、加速度分辨率1 5 2 3 4p i d 补偿滤波器1 6 2 3 5d a c 输出口1 7 2 3 6 主机接口1 7 2 4 本章小结1 9 3 数控系统的控制器硬件设计2 0 3 1 控制器的总体结构2 0 3 2 本研究所用单片机介绍2 l 3 2 1 主处理器p 8 9 c 6 6 8 的特性2 1 3 2 2p 8 9 c 6 6 8 的i s p 功能和i a p 功能2 2 3 2 3 单片机p 8 9 v 5 1 r d 2 的软仿真功能2 3 3 3 控制器硬件电路原理设计2 3 3 3 1 单片机与l m 6 2 8 的连接2 4 3 3 2 译码电路2 5 3 3 3l m 6 2 8 与d a 转换芯片7 5 4 5 a 的接口电路2 6 3 3 47 5 4 5 a 的转换原理及双极性输出电路2 7 3 3 5 缓冲驱动电路3 0 3 3 6 定时中断电路3 0 3 3 7 时钟发生电路3 l 3 3 8 编码器脉冲差分接收电路3 1 3 3 9 使能报警电路及常规i o 电路3 2 v 西安理工大学硕士学位论文 3 3 1 0 串口通讯电路3 4 3 3 1 l 四轴扩展电路3 5 3 4 印制板电路布局及抗干扰分析3 6 3 5 本章小结3 7 4 伺服控制器的软件设计3 9 4 1 软件总体设计3 9 4 2l m 6 2 8 的软件编程3 9 4 2 1l m 6 2 8 的初始化4 1 4 2 2 本控制器所用到的传送命令状态或数据的程序4 2 4 2 3 装载p i d 滤波器系数模块4 3 4 2 4 装载轨迹参数模块4 4 4 2 5 数据报告指令模块4 5 4 3 两轴插补运动的实现4 7 4 4 串口通讯程序4 8 4 4 1 通讯波特率的设定5 0 4 4 2 单片机的串口通信程序5 2 4 5 定时中断程序5 3 4 6 上位机监控界面程序5 4 4 7 本章小结5 6 5 控制器的p i d 参数调整实验5 7 5 1 控制系统p i d 参数的整定5 7 5 2 本控制系统的p i d 调节5 8 5 3 实验调试结果5 9 5 4 本章小结6 0 6 总结与展望6 1 6 1 总结6 1 6 2 展望6 1 致谢6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表的论文6 7 ； j 1 绪论 1 绪论 计算机数字控带j j ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，简称c n c 。数控技术是先进制造技术 ( 如柔性制造系统、计算机集成制造系统等) 的基础，是提高产品质量、提高劳动生产率必 不可少的物质手段。在数控系统中对系统性能影响最大的是伺服控制卡。系统的控制精 度、运行操作性能、响应速度等直接依赖于伺服控制卡的功能和性能。较著名的数控 系统有：美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数控系统、日本 m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l6 4 0c n c 等。他们由 开放体系结构运动控制卡和p c 机共同构成，较为充分地利用计算机的软硬件资源。这种 运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动控制和p l c 控制能力；它本身就 是一个数控系统：可以单独使用；它开放的函数库供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构 造所需的控制系统。例如基于数字信号处理器d s p 技术的p m a c - - n c 运动控制器，就是 在p c 中插入一块p m a c 运动控制单元。p m a c - n c 板执行全部实时任务：轮廓加工、插补运 算、伺服控制、刀具半径补偿和螺距补偿等。这些辅助功能也提高了运动控制卡的价格( 商 品价近万元) ，这在要求成本低的系统里很难采用。而且，大多数数控系统，往往是一个 c p u 作为中央处理单元带着一堆外围设备，所有的工作如加工数据段划分、识别、解释 和轨迹插补等均由c p u 完成再送往执行部件，同时还要监视系统动态，这样在每一个数 据段上花费的时间较多，从而影响系统控制的实时性。 鉴于上述问题，本课题针对轴数不太多的中小型数控系统，开发一种基于l m 6 2 8 的简易运动控制系统。它由上位机和下位机两部分组成：以w i n d o w s 操作系统为平台 的p c 机作上位机；以8 位单片机和运动控制专用芯片l m 6 2 8 为核心的交流伺服电机 运动控制器作下位机。上位机主要完成人机接口功能，采用工控机完成机床故障管理、 用户调试程序编辑、机床运行状态显示、电机运动轨迹跟踪显示；下位机系统主要完 用户调试程序编辑 用户程序存储i o 管理 机床故障管理 石 用户程序译码 电机轨迹跟踪显示 厂1 i 1l illil i 位置给定h 求和器卜叫p i d叫d a c l il一i 服 一l 机床运行状态显示 l 电压放大i - 电机 io l 上位机系统下位机系统 ir j ， l 归姐| 图1 - 1 系统的原理框图 f i g u r e1 1s y s t e mt h e o r yo fd i a g r a m 成电机的伺服运动控制和故障诊断任务。系统原理框图如图1 - 1 所示。 西安a - y - 大学硕士学位论文 1 1 伺服系统 伺服驱动系统简称伺服系统( s e r v os y s t e m ) ，是指以机械位置或角度作为控制对象的 自动控制系统。伺服驱动技术作为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技术 之一，在国内外普遍受到关注。数控机床的伺服系统实现数控机床的进给、位置伺服和主 轴转速( 或位置) 伺服控制，并在很大程度上决定了数控机床的性能。例如数控机床的最 高运动速度、跟踪精度、定位精度等重要指标，均取决于驱动及位置控制系统的动态和静 态特性。因此，研究与开发高性能的驱动系统及位置控制系统，是研究数控技术的重要部 分。 1 1 1 位置伺服系统的构成与分类 从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置 和电动机。如图卜1 所示，图中的下位机系统就是笔者开发的运动控制器。控制器按照数 控系统的给定值与反馈装置检测的实际运行值之差，调节控制量。伺服驱动器也就是功率 驱动装置，作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上， 调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所 需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。伺服系统有多种分类方法： a 按位置控制原理分类，伺服系统通常分为开环、半闭环和闭环系统 开环系统没有测量反馈环节，精度较差；半闭环和闭环系统有测量反馈环节，可根据 检测的反馈信号与指令信号的比较结果来进行速度和位置控制，有较高的控制精度。其中 半闭环系统只有安装在丝杠或电机转轴上的测量元件，可检测与角位移有关的物理量。由 于丝杠和工作台间传动误差的存在，半闭环系统的精度要比闭环系统精度低，但比闭环系 统简单，易调节。 数控系统的位置伺服系统是一个双闭环系统，如图1 2 所示。内环是速度环，作为 一个独立的控制单元，它是由速度调节器，电流调节及功率驱动放大器等部分组成。速度 控制单元的外环是位置环。位置伺服系统是由位置控制模块，速度控制单元，位置反馈及 检测等部分构成。其工作过程是，将从c n c 来的位置输入指令与位置反馈装置检测出的 进给坐标的实际位移量进行比较，得到的偏差信号，经过位置控制装置运算，结果输出到 d a 转换器，再经伺服放大器放大后变成电压信号，成为速度环给定信号，控制电机向消 除偏差的方向旋转。这样，进给坐标的实际位置就能跟随指令变化，构成一个位置伺服系 统。 2 微处理器性能的大幅度提高，伺服系统的信息处理可完全用软件来完成。目前大多数的进 给伺服系统采用混合式，即位置环软件控制，速度环、电流环用硬件控制。在混合式伺服 系统中，由数控插补得出的位置指令，由位置采样输入实际值，用软件求出位置误差，位 置调节处理后得出速度指令值。此速度指令通常以二进制码的形式输出到硬件速度控制单 元。速度指令值输出后，通常有两种执行方式：一种是直接将速度指令经d a 转换作为速 度控制单元的给定值，经速度及电流调节后控制电机转速；另一种是将速度指令值经脉冲 乘法器，d d a 插补器转换为系列脉冲( 脉冲频率与速度值成正比) ，再将脉冲送到控制的 伺服系统，进行精确的速度控制k 2 1 。 本课题采用混合式伺服系统，运动控制专用芯片l m 6 2 8 输出的速度指令值，经d a 转换 得到模拟量，作为速度控制单元的给定值，送给伺服驱动器，控制电机准确运动到某一位 置。 c 根据驱动电动机的类型，可将其分为步进电动机伺服系统、直流伺服系统和交流伺服 系统、直线电动机伺服系统 使用在伺服系统中的驱动电机要求具有高位移精度、宽调速范围、足够的带负载能力 响应速度快及高稳定性等特点。这类专用电机称为伺服电机，主要有步进电动机、直流伺 服电机、交流伺服电机、直线电动机。其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，当 信号电压发生变化时，电动机的运转要灵敏准确地跟着变化，转速随着转矩的增加而匀速 下降。 ( 1 ) 步进电动机伺服系统是典型的开环系统。在这种系统中，步进电动机在驱动电路 的控制下将进给脉冲转换为具有一定方向、大小、和速度的机械转角位移。角位移与脉冲 数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。由于没有位 西安理工大学硕士学位论文 置检测环节，控制精度较低。但步进电机结构简单、价格低廉，使用维护方便，至今仍在 经济型数控机床中使用。 ( 2 ) 直线电动机是一种能直接将电能转换为直线运动的伺服驱动元件。在机床进给系 统中应用，可省去中间的传动机构，使整机得到简化，响应性好。这方面的应用目前还出 于初级阶段，有关理论有待进一步研究、完善。 ( 3 ) 一般的直流电动机转动惯量过大而输出力矩相对较小，不能满足伺服系统的要 求。直到功率晶体管和晶体管脉冲调制驱动装置的出现，使得大功率直流伺服电动机逐渐 大量应用于伺服系统。小惯量直流伺服电机具有电枢回路时问常数小，调速范围宽，转向 特性好的特点，在一部分需频繁启动和快速定位的机床上迅速推广，大惯量宽速直流伺服 电机由于输出扭矩大，过载能力强，电机惯量与机床传动部件的惯量相当，可直接带动丝 杠，易于控制与调整，在数控机床上得到了广泛应用。直流伺服系统的缺点是结构复杂， 价格昂贵，电刷对防油、防尘要求严格，易磨损，需定期维护。 ( 4 ) 交流伺服电动机分为同步型和异步型两类。通常同步型交流伺服电动机在数 控系统中应用较为广泛，它一般由永磁同步电机、转子、位置传感器、速度传感器组成。 同步型交流伺服系统按照电流的波形及工作原理，又可分为矩形波电流驱动和正弦波 电流驱动。前者称为无刷直流伺服电动机，后者称为无刷交流伺服电动机( 通常也称 为永磁交流同步伺服电动机或永磁同步电动机) 。从发展趋势来看，正弦波电流驱动将 称为主流【1 1 。本数控系统的研究就是采用的这种永磁同步电动机作为执行机构。 无人化、规模化生产对加工设备提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流伺 服系统具有高响应速度、免维护( 无碳刷、换向器等磨损元部件) 、高可靠性等特点，正 好适应了这一需求，并逐渐代替直流伺服电机在数控系统中的地位。例如，同本f a n u c 公司、三菱电机公司、安j i l 电机公司、德国s i e m e n s 公司、a e g 公司、力士乐i n d r a m a t 公司、美国a b 公司、g e 公司等均先后在19 8 4 年前后将交流伺服系统付诸实用。特 别是近年来大功率电子器件，以及用于高速微处理器与功率电子器件相结合发展出来的大 功率交流逆变技术，使其静态与动态性能不仅已经达到了直流伺服电机的水平。在有些方 面，比如输出转矩的平稳性，甚至超过了直流伺服电机的水平。 1 1 2 位置伺服系统的控制 伺服电机是位置伺服系统的直接控制对象，它的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有 时简称为伺服，般包括电流、速度和或位置闭环。交流伺服电动机和它的驱动器组成 一个伺服系统。驱动器是完成速度环和电流环的主要部件，并通过辅助强电控制起驱动和 放大作用。伺服驱动器接收伺服控制器的速度指令信号( 范围u m a x 的电压) ，内部的 速度闭环调节器把码盘反馈的脉冲信号进行f 变换，再经运算放大器组成的p i d 电路， 完成p i d 调节运算。其输出具有限幅环节，以限制单元的输出电流。电流环的电流则由电 4 - 易 j 川1引 t 1 绪论 阻式霍尔传感器测量，使电流信号与实际电流信号呈线性关系，并有极短的响应时间，作为 电流反馈信号，实现电流的闭环的调节。电机编码器的位置反馈信号由伺服驱动器内部电 路，经光电隔离和发送环节，形成差分脉冲信号，反馈到控制器的位置偏差计数器进行比较 处理，从而实现位置的闭环控制。图1 2 所示的位置伺服系统，内环是速度环，外环是位 置环。 本系统选用代表当今发展方向的永磁交流伺服电机作为执行电动机，其内部的转子是 永磁铁，驱动器控制的u n w 三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电 机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动 的角度。 通常，驱动器对伺服电机的控制包括速度控制模式、位置控制模式，本系统采用速度 控制模式。在速度控制模式中，控制器通过速度指令s p r t p q r 、g n d 引脚给伺服驱 动器输入一个1 0 v + i o v 的模拟电压，即可控制电机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n 和指令输入电压v 之间是呈线性关系的。例如，设定驱动 器的速度指令输入增益为1 0 0 r o u n d m i n ，当控制器输入指令电压为5 v 时，理论上电机就 得到5 1 0 0 - - 5 0 0 r o u n d m i n 的转速。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对外部速度指令进行零漂调整。 本控制器就是采用速度控制方式对伺服电机进行控制的。实验采用松下m i n a s a 系 列，驱动器m d d a 0 8 3 a 1 a ，电机m d m a 0 8 2 a 1 c ，主要参数为：额定输出功率7 5 0 瓦， 额定转速3 0 0 0 r m i n ，增量式光电编码器分辨率2 5 0 0 p r 3 1 。实验前首先需设定驱动器的控 制方式为速度模式，即设置松下电机驱动器的p r 0 2 ( 控制方式选择) 值为1 、p r 0 4 ( 驱动 禁止输入无效) 值为l ，p r 0 6 ( z e r o s p d 输入选择) 为0 。并根据需要电机达到的转速1 1 和速度指令电压v 的数值关系，合理地设定p r 5 0 ( 速度指令输入增益) ，它们的关系为： 电机将达到的转速n - - 速度指令电压v x 速度指令输入增益。 注意任何时候电机的转速不能超过其最大额定转速。 伺服驱动器的反馈信号，有速度监视输出的模拟电压信号和伺服电机编码器的两相脉 冲信号。这里将电动机轴上的光电码盘产生的正交编码脉冲信号反馈给控制器，控制器对 其计数实现速度测量和位置的测量，从而实现对速度的闭环控制和位置的精确控制。正交 编码脉冲由具有变化频率和1 4 个周期( 9 0 。) 固定相移的2 个脉冲序列组成。通过检 测这两个序列中的哪一列先到达来确定电动机的旋转方向；脉冲数和脉冲频率决定电机的 角位移和速度“1 。驱动器提供来自分配器的编码信号( a 相、b 相和z 相) 的差分输出。 如图1 5 所示，a 相和b 相构成正交编码脉冲，z 相是电机每转一周输出一个的编码器 5 西安理工大学硕士学位论文 零位信号。通常控制器要对a 相脉冲和b 相脉冲四倍频以提高系统分辨率。 反向 正向 反向r 几几几几几n 几 图1 - 5 鉴向电路波形 f i g1 5 t h ew a v e f o r mo fd i r e c t i o ni d e n t i f i c a t i o n 速度测量常用的有两种方法。第一种是在一个伺服周期t ( 单位s ) 内通过测量电机转 过的脉冲数n 来计算电机的转速。如对于一个2 5 0 0 p r 的增量编码器的伺服电机，其速 度v ( r m i n ) 计算方法为： ，： 鱼q 型 ，m i n 1 ，= 一，m 】n 2 5 0 0 p | r x 4 x t 但是此种方法在低速控制的时候不是很好。对于低速控制，为了提高电机的低速稳定性， 可以用第二种方法即通过计算一个脉冲宽度的时间t ( 单位m i n ) 来计算电机速度 v ( r m i n ) ，计算方法为： v ：! 一，m l n v = 一， n 2 5 0 0 p r x 4 x t 此时电机在低速运行时的性能也能够得到很大的提高。 1 2 运动控制技术的发展 数控技术的发展，很大程度上依赖于控制器技术的提高。目前，运动控制器生产厂商 提供的运动控制器主要包括如下几类陆1 ： ( 1 ) 基于通用微处理器型。以5 l 单片机、8 0 8 8 微处理器等为核心器件，外扩存储器、 编码器信号处理电路及d a 转换电路等组成控制系统。其位置、速度等控制事先编好固 化在存储器中。此方案成本相对较低，但精度不高；采用较多的通用芯片设计，因此体积 较大，可靠性较低；而且控制参数不易更改，软硬件设计工作量较大，大多应用于经济型 l 绪论 数控系统。 ( 2 ) 以专用芯片作为核心处理器的运动控制器。常用的专用电机控制芯片有美国国家 半导体公司生产的l m 6 2 8 、日本n o v a 步进伺服运动控制芯片m c x 3 1 4 、日本步进 伺服运动控制芯片p c l 5 0 2 2 、p c l 6 0 4 5 等。如日本n o v a 电子有限公司的d s p 运动控制 专用芯片m c x 3 1 4 ，可与8 位或1 6 位数据总线接口，可以实现4 轴3 联动的运动控制。 它具有主从式双c p u 结构模式：主c p u 为单片机或p c 机，用于键盘、显示，串行通讯 等管理工作；而从c p u 即运动控制芯片，专门负责运动控制的处理工作。这种设计大大 减轻主c p u 的负担，并且与单片机的通讯是靠读写总线上的几个地址来进行指令和数据 的传输，操作简单，控制方便，但价格较高。与此相比，本文采用的l m 6 2 8 就是一种控 制精度较高、适用于中小型数控系统的运动控制专用芯片。它的硬件能完成速度曲线规划、 p i d 伺服控制算法、编码器信号的处理等多种功能，还有一套功能丰富的软件指令系统。 ( 3 ) 基于p c 总线的以d s p 和c p l d f p g a 作为核心处理器的开放式运动控制器。以 p c 机作为信息处理平台，运动控制器以插卡形式嵌入p c 机，充分利用计算机的软硬件 资源，且功能齐全，编辑操作方便，信息处理能力强，开放程度高，通用性好。例如美国 d e l t at a u 公司生产的p m a c ，是一种拥有高性能伺服的可编程多轴运动控制器。可以完 成直线圆弧插补、s 曲线加减速、三次轨迹计算、样条曲线计算等。其c p u 采用m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 2 ，利用d s p 强大的运算功能可实现单卡1 到3 2 轴多轴协调控制。国内 的相关产品有固高公司生产的g t - 4 0 0 s v ，成都步进机电有限公司的d m c 3 0 0 系列产品。 ( 4 ) 可编程计算机控制器。随着近代计算机技术和微电子技术的发展，可编程序控制 器p l c 已在软硬件技术方面远远走出了当初的“顺序控制”的雏形阶段。可编程计算机控 制器( p c c ) 就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。与常规的p l c 相比较，p c c 最大的特点在于其类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。 p c c 的应用程序由多任务模块构成，给项目应用软件的开发带来很大便利。因为这样可 以方便地按照控制项目中各部分的功能要求，如运动控制、数据采集、报警、p i d 调节运 算、通信控制等，分别编制出控制程序模块( 任务) ，这些模块既能独立运行，数据间又 保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后，可一同下载至p c c 的c p u 中，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现项目的控制要求1 。 1 3 本论文研究的主要内容 本课题针对轴数不太多的中小型数控系统，开发了一种基于l m 6 2 8 的简易运动控 制系统。它由上位机和下位机两部分组成：以w i n d o w s 操作系统为平台的p c 机作上 位机；以8 位单片机和运动控制专用芯片l m 6 2 8 为核心的交流伺服电机运动控制器作 下位机。主要的研究内容为： ( 1 ) 熟悉和研究运动控制专用芯片l m 6 2 8 的结构、特性及工作原理。 ( 2 ) 伺服控制器的硬件设计。该控制器以8 位单片机p 8 9 c 6 6 8 为主处理器，以运动 7 西安理工大学硕士学位论文 控制专用芯片l m 6 2 8 为核心，集伺服驱动控制、状态报告、零点检测及使能报警、外 设输入输出、串口通讯功能于一体。l m 6 2 8 接收码盘反馈信号，通过内嵌的p i d 算法， 以数字形式给出控制量，经过d a 转换成模拟控制信号给伺服放大器，进而控制电机运 行。 ( 3 ) 数控系统的软件设计。采用v i s u a lc + + 设计上位机管理系统软件，使上位机实 现机床故障管理、用户调试程序编辑、机床运行状态显示、电机运动轨迹跟踪显示功 能；单片机和p c 机制订统一的r s 2 3 2 通信协议，应用实时控制系统和c 5 1 语言编程 技巧等关键技术，完成硬件初始化、位置伺服控制、常规i o 管理、定时中断、两轴 插补运动、运动控制器与i p c 的通信等程序设计工作。 ( 4 )硬件软件的调试。利用p 8 9 v 5 1 r d 2 芯片的软仿真功能，在k e i lc 5 1 仿真环 境下调试下位机程序；结合松下公司的交流伺服电机m d m a 0 8 2 a 1 c 及配套的驱动器 m d d a 0 8 3 a 1 a 和光电码盘，搭建位置伺服驱动系统，调整系统的p i d 参数，观察分析系统 的状。 8 2 运动控制专用芯片l m 6 2 8 的结构、特性及工作原理 2 运动控制专用芯片l m 6 2 8 的结构、特性及工作原理 2 1 介绍运动控制专用芯片l n 6 2 8 l m 6 2 8 和l m 6 2 9 是美国国家半导体公司生产的运动控制专用微处理器，既能应用于直 流和无刷直流伺服电机，也能用于其他提供正交的增量位置反馈信号的伺服机构。它集采 样反馈、状态报告和运动控制的所有功能与一体，为高性能的数字运动控制器提供精确的 实时计算。l m 6 2 8 和l m 6 2 9 只是输出信号不同，l m 6 2 8 输出的是给d a 转换器的8 位信号， 而l m 6 2 9 由两根信号线输出p w m 信号，可用来直接送给h 桥功率开关作p w m 控制。型号 后缀带6 或8 ，分别表示芯片的最高工作时钟频率为6 m h z 或8 m h z 。l m 6 2 8 由4 个功能模块 和一个与主机相连的输出接口组成，即梯形速度生成器、电机位置解码器、偏差计算器、 p i d 循环补偿滤波器。本系统选用l m 6 2 8 n 6 ，工作时钟频率为1m h z - - 一6 m h z ，最大采样 频率3 4 1 u s ，控制精度较高；而且支持一套丰富的软件指令，使控制系统更加完善。其物 理结构就是一个2 8 p i n 的双列直插式芯片，如图2 1 所示n 1 ： l m 6 2 8 n 图2 - 1 芯片l m 6 2 8 n 的双列直插式封装引脚图 f i 9 2 1d u a li n - l i n ep a c k a g eo fl m 6 2 8 ( 1 ) 引脚1 ( i n ) ：接收从增量编码器来的标记i n d e x 亦即零位信号。 ( 2 ) 引脚2 、3 ( a 、b ) ：接收从增量编码器来的两个正交信号。当电动机正转时，脚2 信 号应超前于脚3 信号9 0 度。 ( 3 ) 引脚4 1 1 ( d 0 - - - 一d 7 ) ：连接主计算机或主处理器的i 0 1 5 1 。c s ( 1 2 脚) 为片选输入， 粥( 1 6 脚) 是数据命令选择线，r d ( 1 3 ) w r ( 1 5 ) 控制读写。 ( 4 ) 引脚1 4 ( g n d ) ：电源地 ( 5 ) 引脚1 6 ( 朋) ：用来选择指令口或数据1 2 1 ；当朋为低电平时，向指令口写入指令， 或从指令口读出状态；当