（机械电子工程专业论文）基于atmega128l的交流伺服控制系统设计与研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 伺服技术是机电一体化技术的重要组成部分，它广泛地应用于数控机 床、工业机器人、航空航天器、电动汽车、家用电器等多种产品。随着大功 率的开关器件、数字专用集成电路的问世，以及控制理论的不断进步，交流 伺服系统得到了飞速的发展，正逐步取代直流调速系统。现代工业发展对伺 服系统的要求也越来越高，因此研制高性能、高可靠性的交流伺服系统有着 十分重要的现实意义 本文中以a t m e g a l 2 8 l 为核心，设计了一种交流伺服控制系统。文中提 出了伺服控制系统的总体设计方案；利用m n b s i m u l i n k 仿真环境，采 用模块化设计，构造了交流异步电机矢量控制系统的仿真模型，并给出了仿 真结果；设计了交流伺服控制系统硬件电路，其中包括p w m 滤波电路、电 平转换电路、隔离电路、编码器接口电路等，开发了基于c 语言的下位机控 制软件，并给出了程序流程图。 研制了交流伺服系统的实验样机，利用d s p a c er t i l l 0 3 半物理仿真平 台开发了交流伺服系统的速度闭环和位置闭环的模块化程序，并进行了硬件 电路和系统性能实验。实验证明交流伺服控制系统达到了设计要求，系统的 工作性能稳定，控制精度良好，具有较好的可操作性 关键词：交流伺服；矢量控制；a t m e g a l 2 8 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sa s i g n i f i c a n te l e m e n to fm c e h a t r o n i c a , s e r v ot e c h n o l o g yi sw i d e l ya p p l i e d i nv a r i o u si n d u s t r i a lp r o d 眦t s , s u c ha sn cm a c h i n et o o l ，i n d u s t r i a lr o b o t , a i r c r a f t a n ds p a c e a 硪c l e c t r i cv e h i c l e , h o u s e h o l da p p a r a t u s , e t c w i t ht h ea p p e a r a n c eo f t h e h i g h - p o w e r s w i t c h d e v i c e , d i g i t a ls p e c i a li n t e g r a t e c i r c u i ta n dt h e i m p r o v e m e n to ft h ec o n t r o lt h e o r y , t h ea cs f r v oc o o n t r o ls y s t e m sh a v eb e e n d e v e l o p e de x t e n s i v e l ya n dr a p i d l y t h ed c m o t o rs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mw i l lb e r e p l a c e db yt h ea cs p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mi nt h ef u t u r e m o d e mi n d u s t r i a l m a n u f a c t u r i n gr e q u i r e sm o 犯e x c e l l e n tp e r f o r m a n c a o fs e f 阳e q u i p m e n t s t h e r e f o r e , i ti sq u i t ei m p o r t a n tt os t u d ya n dd c v e l o pa na c s c r v os y s t e mw i t h b i z hp | ：r f b f m 卸l a n dh i g hr e l i a b i l i t y t a k i n ga t m e g a l 2 8 la s t h eh a r d c o r e , a na cs 舢c o n t r o ls y s t e mi s d e s i g n e d , a n dt h eo v e r a l lm e s c h e m ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h e s i m u l a t i o nm o d e lo f a ca s y n c h r o n i s mm o t o rv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e d u n d e rt h em a t i a b s i m u l i n ks i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t t h cm o d u l ed e s i g ni s a p p l i e di nt h em o d e l a tl a s t , t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni nt h cm o d e la r c ：g i v 饥t h e h a r d w a mc i r c u i t si n c l u d i n gp w m m t 盯c i r c u i t , l e v e le x c h a n g e dc i r c u i t , i s o l a t e d c i r c u i t , e n c o d f ri n t e r f a c ec i r c u i t , e t ca r e & , s i g n e d b a 错do nt h ecl a n g n a g c 。t h c s o f l w a r eo fe m b e d d e dc o n t r o l l e ri sa l s od e s i g n e d , a n d o c c d l i f l o wc h a r t sm p r e s e n t e d i nt h ee n d , t h ee x p e r i m e n t sw i t ht h ea cs e r ，o o n t r o ls y s t e m sa r e i n t r o d u c e d t h em o d u l a r i z a t i o np r o c c d t l t i w h i c hc o n s i s t so fs p e e d l o o pa n d l o c a t i o nl o o pi sd e v e l o p e db yd s p a c er t i l l 0 3h a r d w a r e - i n - t h e - l o o ps i m u l a t i o n p l a t f o r m t h e r e f o r e , h a r d w a r ea n ds y s t mp e r f o r m a n c et e s ta r ec a r r i e do u t t h e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o n t r o ls y s t e mc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u e s t , a n di th a s g o o ds t a b i l i t y , h i g hc o n t r o l l i n ga c c u r a c y , a n dw e l l - o p e r a t i n gc a p a b i l i t y k e y w o r d s ：a cs e r v o ；v e c t o rc o n t r o l ；a t m e g a l 2 8 l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：差渤塑 日期：炒7 年月砰日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的目的及研究意义 1 1 1 课题的工程背景 伺服系统也称随动系统，属于自动控制系统的一种，它用来控制被控对 象的转角( 或位移) ，使其自动地、连续地、精确地复现输入指令的变化规 律。早期的伺服系统一般采用直流电动机作为执行机构，步进电机主要应用 于控制精度和速度要求不高的场合六十年代欧美一些国家开始采用液压伺 服系统，液压伺服系统与当时的伺服电机相比，具有驱动部件外形尺寸小的 优点，但其存在效率低、易污染环境、发热量大和不易维修等缺点。从七十 年代到八十年代中期直流伺服系统开始占据主导地位直流电动机的电磁转 矩和电枢电流成正比，直流传动系统的优点是：控制简单，输出转矩可以线 性控制、快速响应、无超调、高的定位精度和跟随精度。在要求调速性能较 高的场合，直流传动系统一直占主导地位，但是直流电动机电刷和换向器易 磨损，需要经常维护，如果电动机安装在不易维修的场所，造成了保养维修 困难或无法维修。另外，直流电动机的结构复杂，成本也比较高。因此，就 系统的可靠度而言，交流电动机较为优越由于微电机技术、控制技术和电 力电子技术的迅猛发展，以及微型计算机性能的提高，变频调速及高性能交 流伺服控制技术已进入实用化阶段交流伺服系统在控制性能上己达到甚至 超过了直流伺服系统，并已在机器人、机械手以及各种精密数控机床等方面 得到越来越广泛的应用交流伺服电机与直流伺服电机相比具有以下优点： 维护方便( 无电刷磨损问题) 、体积小、结构简单、可靠性高、超载能力强、 输出转矩高等因此，交流伺服系统克服了直流伺服系统的某些局限性，特 别适用于一般直流伺服系统不能胜任的工作环境，如宇宙飞船、人造卫星、 存在腐蚀性、易燃易爆气体、放射性物质的场所等。此外，在水下机器入、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 移动机器人和喷漆机器人中，交流伺服电机也可作为理想的执行元件。目前， 用交流伺服取代直流伺服已成为伺服控制发展的必然趋势但是交流电动机 的调速比直流电动机调速复杂的多，使得在短期内交流伺服系统不可能完全 取代直流伺服系统，所以在一定时期内交流伺服系统和直流伺服系统将会并 存根据交流传动系统所采用电动机类型来划分，主要有永磁同步电动机伺 服驱动系统和感应异步电动机伺服驱动系统两大类【1 j 1 1 2 课题的研究目的 以a t m e g a l 2 8 l 芯片为核心，设计了一套由控制器、伺服驱动卡和交流 伺服电机组成的系统，该系统能够实现由位置环和速度环组成的双环控制， 是一套高效、廉价、可靠并能满足一般工业应用要求的交流运动伺服系统。 1 。1 3 课题的研究意义 伺服系统和调速系统一样都是反馈控制系统，即通过对系统的输出量和 给定量进行比较，组成闭环控制，因此两者的控制原理是相同的。调速系统 的给定量是恒值，不管外界扰动情况如何，希望输出量能够稳定，因此系统 的抗扰性能显得十分重要而伺服系统中的指令是经常变化的，是一个随机 变量，要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、灵活性、准 确性成了伺服系统的主要特征也就是说，系统的跟随性能成了主要指标 位置伺服系统可以在调速系统的基础上增加一个位置环，位置环是位置伺服 系统的主要结构特征。因此，伺服系统在结构上往往要比调速系统复杂一些。 作为执行机构的伺服系统，与其它机电装置相比，可归纳为如下几点优点1 2 - 3 ： 1 高速性 采用普通的直流伺服，由于直流电动机机械换向的限制，一般最高速度 仅在3 0 0 0 r m i n 左右，而交流伺服最高转速却能过达到5 0 0 0 r m i n ，甚至更高。 所以随着对伺服最高转速要求的提高，交流伺服的优点更加明显。 2 哈尔滨- 【= 程大学硕士学位论文 2 大功率 随着采用伺服系统设备的大型化，对伺服的功率也要求越来越大。采用 普通直流伺服，一般最大功率小于1 s k w ，而交流伺服最大功率却能达到5 k w ，甚至更大显然在大功率伺服中，交流伺服有很大优势。 3 稳定性 采用伺服控制，一般对系统要求有较强的抗干扰能力，保证系统运行的 稳定性交流伺服系统稳定性比其它伺服系统的稳定性好，精度高显然在 实际工作环境的使用中，交流伺服更适用 综上所述，交流饲服系统不存在直流伺服系统维护困难和难以实现高速 驱动等缺点，而其突出的优点是电机制造成本低，结构简单，维护容易，可 以实现高压大功率及高速驱动，适宜在恶劣条件下工作，系统的成本也将不 断下降，并能获得和直流电机伺服控制系统相媲美甚至更好的控制性能。 1 2 交流伺服技术及国内外研究现状 1 2 1 相关技术及应用领域 1 伺服系统相关技术 ( 1 ) 新型拓扑结构功率变换器的研究与开发m 电力电子技术的发展促 进了变流技术的迅速发展和变流装置的现代化，它是弱电与被控强电之问的 桥梁和功率变换的接口电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展 决定和影响交流调速的发展电力电子元件经历了第一代半控式晶闸管、第 二代有自关断能力的半导体器件、第三代复合型场控器件以及上世纪9 0 年 代出现的第四代功率集成电路i p m 第四代电力电子器件模块化更为成熟， 模块化功率器件将是二十一世纪主宰器件一代电力电子器件带来一代变频 装置，性能价格比一代高过一代，这就为交流电动机的变频调速创造了条件。 提高变频器的输出效率是电力电子技术发展主要解决的重点问题之一，主要 措施是降低电力电子器件的开关损耗。具体解决方法是研制开发新型变频器 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 主电路 ( 2 ) 脉宽调制( p 喇) 模式的改进和优化脉宽调制技术的发展和应用 优化了交频装置的性能，为交流调速技术的普及发挥了重大作用。p w m 技 术的应用使交流电机定子得到了接近正弦波形的电压和电流，提高了电机的 功率因数和输出效率研 ( 3 ) 向全数字化系统发展目前国内外还很少采用全数字伺服系统，大 多采用模拟式的电流环和数字式的速度环和位置环相结合的数字模拟混合 式伺服系统嘲。伺服驱动系统全数字化的关键是实现高品质的电流调节，从 而提供快速的电流控制。数字化的电流调节需要尽可能小的采样周期，其主 要由微处理器的运算速度决定在现有技术的条件下，要实现包括电流调节 在内的全数字控制，必须采用d s p 等高性能微处理器芯片，具有高速处理能 力的d s p 比一般微机高1 砣个数量级川，能较好地满足电流环的要求。 由于d s p 具有极强的数字计算能力，很多新型的控制算法被用于伺服控 制，使“软件化”的全数字伺服驱动器成为可能，有效地提高了伺服系统的 动态和静态品质，如频率特性、移动速度、跟随精度和定位精度等。同时使 得伺服系统在智能化方面也取得了可喜的进步，系统的自动诊断、检测和参 数配置能力大大提高i s - t e l z h o uz h a o y o n g ，l i f i e c a i 等提出了一种全数字化 的基于电流矢量控制算法的交流电机速度伺服系统控制器的硬件设计方案， 并在一片现场可编程门阵列f p g a 中得到了具体验证和实现i n l 。电力电子技 术的发展，使得伺服系统主电路功率元件的开关频率又2 5 k l - i z 提升到 1 5 - 2 0 k h z ，提高了系统的平稳性，降低了系统的噪音的影响 2 应用领域 随着伺交流服控制技术的发展，过去由液压马达或者变频器进行定位的 设备，逐渐被控制精度更高的伺服控制系统所取代，不仅仅是因为技术先进， 更因为交流伺服控制系统故障率低、操作简单、控制定位精度高等优点。交 流伺服控制也成为传动和控制的主要方向1 1 2 l 。 4 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 图1 1 所示是安川m p 2 3 0 0 运动控制系统在间歇式印刷机上应用的系统 结构图，该控制器是一款集多种功能一身的高速高性能控制器，最多可以控 制鸺根轴，可以根据具体要求选用不同的控制模块以实现各种功能。可以 进行定位、恒速进给、插补、扭矩控制和相位控制安川m p 2 3 0 0 运动控制 器采用碉巳c h r o lm k 高速现场总线与各轴伺服电机进行通讯通过 r s 2 3 2 r s 4 8 5 接触的触摸屏作为人机界面，通过r s 2 3 独h 啪c t 等与上位机 进行通讯。整个系统的动作处理和逻辑运算都由m p 2 3 0 0 运动控制器完成1 1 3 1 图1 1 安川m p 2 3 0 0 在间歇式印刷机上应用的系统结构图 图1 2 所示是欧姆龙s m a r t s t e p 交流伺服系统在食品包装机中应用的 控制系统图。欧姆龙公司的s m a r 姗p 交流伺服系统是基于传统的步进马 达的简单定位系统用途丽开发出来的脉冲输入型位置控制产品。它结合了步 进马达的简单易用特点，同时具有步进马达难以达到的一些特征，如：在高 速高转矩的情况下短时间内完成定位，在负荷急剧变化的情况下仍能保持状 态稳定等，是具有可靠性高的马达驱动器i 埔 随着技术的发展，交流伺服系统其它领域也得到了越来越广泛的应用。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 如图1 3 和图1 4 是全数字交流伺服系统分别在大型五轴联动落地铣床和塑 料机械中的应用 1 5 - t s l ；此外交流位置伺服系统在冷弯成型机和多色胶印轮转 机中都有应用案例1 1 7 - 1 s l 。 图1 2s m a r t s t e p 交流伺服系统图1 3 交流伺服系统在五轴联动 在食品包装机中的应用落地铣床中的应用 图1 4 交流伺服系统在塑料机械中的应用 随着微处理技术，高性能半导体功率器件等产品制造工艺的发展及性价 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 比的日益提高，交流伺服技术在机电设备产品中的应用也越来越多，由于交 流电机结构坚固、制造容易、运行可靠、维修方便等特点，使其具有良好的 发展前景，是未来伺服技术发展的方向 1 9 - 2 3 1 1 2 2 国内外研究现状 随着功率电子技术、微电子技术、计算机技术及现代控制理论的进步， 以交流伺服电动机为执行电动机的交流伺服驱动控制想系统由于其种种突 出优点，逐渐替代了直流伺服驱动控制系统。为了满足现代工业发展对高性 能交流伺服驱动控制系统的进一步要求，国内外的相关研究工作正围绕以下 几个方面展开1 2 4 - 2 9 1 ： 1 应用矢量控制技术及现代控制理论 交流电机是一个多变量、非线性的被控制对象，过去的电压，频率恒定控 制都是从电机稳态方程出发研究其控制特性，动态控制效果均不理想。1 9 7 1 年f b l a s c h k e 等人提出的交流电机磁场定向控制思想，用矢量变换的方法研 究电机的动态控制过程，实现了交流电机磁通和转矩的重构和解耦控制。为 了解决系统复杂性和控制精度之问的矛盾，提出了直接转矩控制、电压定向 控制和定子磁场定向控制，逐渐形成了一套比较完整的矢量控制理论体系 特别是计算机应用于实时控制后，使得模糊控制、神经控制、自学习专家系 统等智能控制理论得到了应用。 2 采用新型电力电子器件和脉宽调制控制技术 变频传动系统性能的改善与使用优良电气特性的电力半导体器件有直 接关系，电力半导体器件的性能直接决定着整个电力电子系统的成本、体积 和重量。目前，电力电子器件正在向高压、大功率、高频化、组合化和智能 化方向发展，尤其是新的可关断器件的实用化，使高频化p w m 技术成为可 能。另外为了提高整机的可靠性，集驱动、保护、功率变换于一体的智能功 率模块m m 广泛应用，从而为高性能的交流伺服控制系统的发展提供了物质 保证。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 计算机技术和微电子技术的应用 随着微电子技术与工艺的发展，数字式控制处理芯片的规模、运算能力 和可靠性得到了很大提高，使得以数字信号处理器( d s p ) 和高性能的单片机 广泛的应用于高性能伺服控制系统中。取代了以前的模拟器件控制系统。然 而，矢量控制算法的计算过程比较复杂，采用d s p 或高性能的单片机技术以 软件实现的方式，占用c p u 的时间比较多，有时不得不采用双d s p 等来提 高系统的性能，另外，其软件开发周期长，硬件结构较复杂等，使其不能进 一步满足高性能伺服系统发展的要求。此外计算机在控制用微机和数字仿真 及电子设计自动化( e d a ) 等方面得到广泛应用，方便了控制器的监视和控制 以及人机对话功能的实现。 4 开发新型电机和无机械传感器技术 新型永磁材料的迅速发展，使在小功率运动控制系统中广泛应用的永磁 同步电机得到发展开关磁阻理论及新材料的发展使开关磁阻电机迅速发 展而开关磁阻电机在加了转子位置检测后有效地解决失步问题，可方便的 起动、调速、点控另外，无速度传感器交流调速系统由于便于维护、成本 低、环境适应性强等特点也得到了快速发展 目前，国外最新推出的高性能交流伺服系统几乎全都实现了全数字化， 它们有美国的a m c 、c m c 和e m e r s o n 等公司，日本的安川、富士、三菱、 松下等公司，德国的西门予、b e r g e r 、i n d r a m a t 和m e t r o n i x 等公司，英国 的s e m 、c t 公司，西班牙的黝j g 0 暇公司它们都采用了1 6 位或3 2 位高 速信号处理器，有的采用了运算速度更快的m s c 芯片。目前我国交流伺服 系统产品也逐渐向全数字化方向发展，如高原数控的g y 二2 0 ，甫科的 a c 3 0 0 ，华兴数控的s p m 2 0 0 0 等交流伺服驱动控制系统都采用高性能高速 数字信号处理芯片( d s p ) 作为控制核心，实现了全数字化，但国内全数字交 流伺服系统的发展尚未成熟。转子磁场定向控制技术；位置环、速度环和电 流环全数字控制技术；实时位置和速度计算技术；交流伺服系统自适应控制 技术；w i n d o w s 环境下参数设定、监控和显示技术；各类诊断和保护技术等 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 是全数字交流伺服系统的技术难点所在 1 3 交流伺服控制系统的发展趋势 早期的伺服驱动控制系统的硬件构造一般为c p u + c p u + i p m ，双c p u 系统，其主要应用于直流伺服驱动器上，随着电力电子技术和高速数字信号 处理器( d s p ) 的出现，出现了c p u + d s p + 删m 硬件构造方案，a u 主要进行 系统管理，运用d s p 的高性能高速运算功能进行实时的计算，随着大规模可 编程门阵列器件的应用出现了c p u + f p 6 a + 口m 的硬件结构方案，交流伺服 系统体积不断缩小，功能不断完善，性能不断提高。 全数字化、微型化、高性能化和智能化将是交流伺服控制系统今后发展 的必然趋势随着新型电力电子器件向高压、大功率、高频化、组合化和智 能化方向的发展以及功率交换技术和传动控制技术的确立，以及用于控制的 d s p ，m p u ，a s l c ，f p g a 等电子设备的高速、低价格化，使得交流传动控 制技术应用了最新控制理论而取得了飞跃发展，在扩大应用领域和提高性能 等方面都有长足的进步其发展趋势主要有以下几点1 3 0 - 3 2 1 ： ( 1 全数字化：伺服系统硬件由模拟电路向以微处理器单片微型计算机 控制为核心部分的数字电路方向发展，微处理器由8 位至1 6 位再至3 2 位， 数字式控制处理芯片使得以单片机为控制核心的全数字化伺服控制系统成 为可能 ( 2 ) 微型化：伺服系统的逆变器从采用双极性大功率晶体管g t r 向 m o s f e t ，i g b t 新型功率集成模块( s m a r t p o w e r m o d u l e ) 方向发展不仅方 便了使用，提高了可靠性，而且缩小了体积。而超大规模、高速、低功耗的 现场可编程逻辑器件( f p g 砧随着工艺技术的发展不断推陈出新一代的 f p g a 可集成中央处理器( c i ，u ) 或数字信号处理器( d s p ) 内核，在单片f p g a 上进行软硬件协同设计，从而减少了元器件使用，缩小了p c b 板的面积， 为实现交流伺服驱动控制系统的微型化提供了硬件支持。此外，电机永磁材 料由铁氧体向钕铁硼永磁材料发展，使电机的体积减小。使整个交流伺服系 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 统不断的向微型化发展 ( 3 ) 高性能化：近些年来，国际上对无传感器矢量控制的研究热情较高， 使之有了长足的发展但是其性能却比有传感器系统差，尚处在研究阶段， 有待于实用化。该方式需要很多复杂计算，但是如果采用高速微处理器，便 可使用能够改善速度控制特性的新方法而使应用范围急速扩大此外，由于 采用了位数更高、速度更快的微处理器，使得最新控制理论在交流伺服系统 中的应用有了硬件基础负荷转矩观测、自适应、滑模变结构、状态反馈、 h 。控制等最新控制理论正被应用到交流伺服系统中来，以期提高系统的性 能。 ( 4 ) 智能化：近年来，国内外关于智能控制的研究十分活跃。智能控制 就是将人工智能与控制理论结合起来，完成定的控制功能，主要是应用专 家系统、模糊逻辑及神经网络理论来实现自学习或自组织控制。因而，实现 智能控制有三条途径，即基于专家系统的专家控制，专家系统是年代发 展起来的人工智能的一个重要分支，它是一个以知识为基础的计算机控制系 统，1 9 8 4 年a s t r o m 正式把它引入实时控制领域，并首次提出了“专家控制” 的名称；基于模糊集合理论的模糊控制，自l a z a d e h 于1 9 6 5 年提出模糊学 概念以来，模糊集合理论正逐渐在自动控制领域得到了推广：基于人工神经 网络的神经控制，由于神经元控制器具有结构简单，自学习、自组织能力强， 可以调和动态和稳态性能之间的矛盾，对对象模型精度要求不高以及抗干扰 能力强等特点，使其在高精度伺服系统中的应用具有广阔的前景其中，专 家控制擅于使用逻辑性知识，模糊控制能对模糊信息处理和决策，神经控制 更符合人的直觉式思维过程。目前智能控制主要应用于过程控制领域，将其 应用于交流伺服电机控制系统的研究还刚刚开始 以上对交流伺服系统的发展趋势傲了介绍和分析，从中可以看出，它的 发展与控制理论、电力电子技术、微电子技术和计算机等相关技术是密不可 分的。随着这些相关学科的日新月异，交流伺服系统也将不断的发展 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究工作 本文研究的主要内容是：设计基于a t m e g a l 2 8 l 交流伺服控制系统，课 题研究的内容如下： ( 1 ) 交流伺服系统总体方案的设计。根据实际系统性能的要求，对交流 伺服控制系统进行了总体方案的设计 ( 2 ) 交流伺服电机的建模与仿真。建立了交流异步电机的数学模型，利 用m a t i a b s i m u l i n k 仿真环境对电机模型搭建，并进行了仿真，为系统选 择电机提供了理论依据。 ( 3 ) 控制系统的硬件和软件设计。对交流伺服控制系统的硬件和软件进 行了设计 ( 4 ) 实验。采用d s p a c e 半物理仿真平台，对各个自由度速度、位置环 进行了优化实验且对实验结果进行了实时性能的分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章总体方案设计 一个完整的控制系统，应该包括精密的机械传动系统和高效的电气控制 系统两大部分这两大部分相互关联并制约和影响着彼此之间的设计性能和 可实现性本章针对一种专用物料输送系统设计了交流伺服控制系统，阐述 了交流伺服控制系统的工作原理、机械结构和总体控制系统的设计，同时， 对驱动电机的选择做了详细的介绍。 2 2 交流伺服系统总体方案设计 2 2 1 伺服系统总体机械结构介绍 本课题研究的物料输送系统如图2 1 所示，它主要包括3 个转动机构、3 个推动机构、1 个提升机构以及2 个摆动机构，可以实现同种外形不同种类 的物料输送，实际使用中，可以根据物料的需要选择不同的物料库进行输送 供料速度要求达到每分钟3 2 件，物料库有两种不同的结构，其中一种能够 装载2 0 件物料，另一种能够转载l o 件物料物料库的平均更换时间为2 s 物料输送系统需要将物料快速稳定地输送到指定的位置，图中箭头方向为供 料轨迹。每次供料过程都是按转动、推动、提升和摆动这四个动作顺序来完 成 物料输送系统各部分功能如下： ( 1 ) 转动机构：转动机构的作用按照固定的角度转动物料每次转动 的角度有1 8 。和3 6 。两种情况。 ( 2 ) 推动机构：推动机构的作用主要是完成物料从物料库中到提升机构的 移动。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 提升机构：提升机构的作用是将物料从下层快速而准确的输送到供 料结构的上层 ( 4 ) 摆动机构：摆动机构的作用是将提升机构输送过来的物料转运到指 定的地方 物料库 电机 摆动机构一 图2 1 物料输送系统机械结构图 2 2 2 驱动方式选择 系统的驱动方式是实现系统主要功能的重要环节。驱动系统要求快速完 成预期的动作，要求它的响应速度要快，动态性能要好：此外，动作灵敏度 要高，便于集中控制，应具备效率高、体积小、质量轻、自控性强、可靠性 高等技术特点。当前驱动系统正朝着标准化、系列化和智能化方向发展1 3 3 1 驱动方式一般可以分为液压驱动、气压驱动和电气驱动 ( 1 ) 液压驱动：采用液压驱动系统可以在运行过程中实现大范围的无级 调速，调速范围可达1 - 2 0 0 0 。操作控制方便、省力，易于实现自动控制、中 远程距离控制、过载保护，除此之外，液压传动突出的优点还有单位质量输 出功率大。在同等输出功率条件下具有体积小、质量轻、运动惯性小、动态 性能好的特点。在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低，而且由 哈尔滨工程大学硕士学位论文 予振动介质的可压缩性和泄漏等因素的影响，不能严格保证定比传动。液压 传动性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油及液压油作传动介 质时还需注意防火问题嗍。 ( 2 ) 气压驱动：气压驱动系统的工作介质为压缩性大的气体。这种能源 供应方式简单，非常适合用于空间要求严格和重量限制苛刻的场合，系统没 有回收管路，可做到体积小、成本低、操作方便和容易保养；还适合于那些 温度高，温度场变化较大的环境或对防火、防爆等有严格要求的场合l 弼。其 缺点是捧气时有噪声，不适合精度要求高的驱动控制 ( 3 ) 电气驱动：电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩。直接或经过 减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中闻环节，直接获得要求 的机构运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便， 信号的监测、传递和处理方便，成本低廉、驱动效率高、不污染环境等诸多 优点对直流有刷电动机来说，其缺点是电动机换向有火花，对环境的防爆 性能比较差而对交流电动机来说，其缺点是不允许阻转，阻转容易造成电 机烧坏 电气驱动已经成为最普遍，应用最多的驱动方式，9 0 年代后生产的机器 人大多数采用这种驱动方式。由于本文介绍的控制系统驱动负载比较大，响 应速度要求快，系统的控制精度要求高，所以选择了电气驱动的方式，针对 系统负载比较大，对稳定性要求比较高，本系统选用交流伺服驱动 2 2 3 驱动电机选择 驱动电机选择的好坏直接影响着整个控制系统的性能。选择一套合适的 驱动电机，可以降低系统的成本本系统拥有9 个自由度，采用的都是交流 伺服电机控制，且需要根据实际负载、供料速度和转动的角度来选择不同功 率和转速的电机。本文仅以转动机构的电机选择为例，详细介绍一下电机的 选择过程。具体选择过程如下： 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 速度及加速度的计算 计算过程中，由于转动机构每次转 过的角度是1 8 。，将其折算成弧度 0 1 8 n 1 8 0 0 3 2 t a d ，需要的时间是 o 6 s 。假设，按0 2 s 加速时间加速，加 速的行程是0 1 l r a d ，如图2 2 所示： 则加速度为： 气- 7 2 0 - 百2 x o u 一5 5 t a d s 2气。7 。百。r 角速度为： i 1 om l 眈0 30 4 ”0 6 以 图2 2 转盘时间速度 如km e l fb i t 5 5 x 0 2j a r l l r a d s 转角的校验： ， 0 - i 1 0 + 啪4 - i 1 f 鼻 = i x 5 5 0 2 2 + 1 1 0 2 + 1 x 5 5 x 0 2 2 22 = o 4 4 t a d 0 3 2 r a d 因此，在规定的时间内能够走完预期的行程 2 电机、减速器的选择 假设选择减速器的传动比为- 4 0 ，型号为p l l 2 0 ，转动惯量为 j l - 1 6 3 x 1 0 - 4 k g m 2 经计算，转动机构的转动惯量l - 3 1 3 k g m 2 ；大齿轮的转动惯量 以- 1 0 6k g - m 2 ；每件输送物料的转动惯量为，- 0 4 5 2 k g - m 2 ，转动机构满载 时物料的个数为2 0 ，所以输送物料的总转动惯量j 一2 0 x o 4 5 2 - 9 0 4 k g - m 因此，负载总转动惯量： j l - j ，+ j t + j ci 4 1 4 k g - 对 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3 转动机构基本模型 如图2 3 所示，将转动惯量折算到电机的输出轴为； j - - j l + 睾+ 鑫= 1 6 3 x t 矿+ 等+ 丽4 ：1 。4 5 2 = 1 2 2 x 1 0 - 4 i 唔- m 2 式中： 减速器的转动惯量 小齿轮的转动惯量 负载的转动惯量 j 齿轮传动比 折算到电机输出轴，加速度为： - 编气- 4 0 x 5 x s 5 - l l o o m d s 2 电机转速为： n ，- 一编吐- 4 0 x 5 x 1 1 - 2 2 0 t a d s = - 2 1 0 0 r m i n 选择总传动效率叩一6 0 ，则需要电机的最大转矩为： 盗1 2 2 x 1 0 。x 1 1 0 0 2 2 4 n - m 一 灯06 一 功率为： ， 匕- z 。吨一2 2 4 x 2 2 0 - 4 9 2 8 w 因此，预选择m i n a sa 4 系列交流伺服电机，其额定电压2 2 0 v ，空载转 1 6 啥尔滨工程大学硕士学位论文 速3 0 0 0 r r a i n , 额定功率7 5 0 w 。减速器选择德国m o t e c 精密行星齿轮减速 器a p e - 1 2 0 ，传动比为一柏 3 电机，减速器的校验 由传动关系可知减速器输出轴的最大转矩为； r 一单二- 4 0 x 2 2 4 - 8 9 6 n - m 即选择型号为a p e 1 2 0 系列减速器，具体参数如下： 额定输出扭矩：r - 2 4 0 n m ； 传动比：f 一4 0 ； 输入端的转动惯量：，- 1 6 3 x 1 0 4 k g m 2 满载效率；t ，- 9 4 ； 重量：m - 8 k g ； 最大径向力：2 0 0 0 n | 最大轴向力：2 8 0 0 n ； 平均寿命：2 0 跳； 最大输入速度：6 0 0 0 r m i a ； 额定输入速度：3 5 0 0 r m i n 按m i n a sa 4 特性曲线校验，由图2 4 可知，工作点位于功率曲线的下 方，故所选电机满足要求 3 e o o 曦 1 2 0 0 6 l illl ；上体属 ；i 、jl i ：；i 一躲 i ll l ：ln il l i ：、jl l ；ilil ； i ； li | 、 # = = j 二# ：# ：j 三奉 n m 图2 4 电机机械特性曲线 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 因此，选择m i n a s a 4 系列交流伺服电机，具体参数如下： 最大连续转矩2 5n - m ； 堵转转矩2 0n 1 1 1 ； 额定电压2 2 0 v ； 空载转速3 0 0 0 r m i n ： 额定功率7 5 0 w ： 电枢电阻r 0 7 q ； 电枢电感厶- 3 1 x 1 0 4 h 4 减速器回程间隙对末端精度的影响计算 由于减速器间隙通过一级齿轮减速再传递到负载端，所以间歇对末 端精度的影响为： 刮8 ，5 1 3 如菩x 嘉一0 5 2 4 m m 式中：气末端间歇 $ 减速器回程间隙 f 齿轮传动比 d 转动机构转盘的直径，为1 0 0 0 m m 5 传感器的选择 根据末端要求的精度l - ：l ：l m , m ，求得传感器的精度； a 0 ! 曼x 3 6 0 。l x 3 6 0 0 1 1 5 。 蒯3 。1 4 x 1 0 0 0 折算到电机轴： a 巳一a 0 屯- 0 1 1 5 x 5 x 4 0 - 2 3 。 传感器的脉獭 薏- 罢1 5 7 根据实际需要我们选择5 线制增量式光电编码器，其分辨率为2 5 0 0 p r 依据此电机减速器的选择方法，各自由度电机、减速器及编码器的选择 如表2 1 所示。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 表2 1 各自由度电机、减速器及编码器选择型号 电机减速器编码器 功率额定转速分辨率 型号型号减速比 ( w )( r n f i i n ) ( p r ) 转动1m c d u l 3 5 2 0 7 5 03 咖a p b l 2 04 02 如0 转动2 m c d r 3 5 2 0 7 5 03 咖 a p e 1 2 04 02 5 转动3m c d d b 5 2 0 7 5 03 0 a p e 1 2 04 02 5 0 0 推动1 m b d d t 2 2 1 0伽3 0 a p b 82 5 0 0 推动2 m b d d l 2 2 1 0 4 0 0 3 0 0 0a p b 加8 2 5 0 0 推动3 m b d d r i _ 2 2 1 04 0 03 0 0 0 p b - 6 082 5 0 0 提升1 m c d d i _ 3 5 2 07 5 03 0 0 0a p e 8 0 8 2 5 0 0 摆动1 m c d u t 3 5 2 07 5 03 0 0 0a p e - 1 2 08 02 5 0 0 摆动2 m c d u i _ 3 5 2 07 5 03 0 a p i 1 2 02 5 2 2 4 伺服系统总体控制方式设计 对于一个机电一体化系统，可能有多种控制方案来实现同一个控制功 能通常使用到的控制方案有分级控制和集中控制两种 ( 1 ) 分级控制：它的特点是功能分散、任务分散、维护容易、可靠性高， 适用于回路较多的控制系统上位机用于命令及数据输入、状态显示，并接 收下位机反馈回来的信息，经过轨迹规划、控制算法，向下位机发送控制命 令。复杂的系统可以采用工控p c 、p c i 0 4 等系统机；简单系统可以采用d s p 或单片机。下位机接收上位机发来的信息并向上位机反馈工作状态下位机 一般采用单片机、d s p 或者专用控制器。 ( 2 ) 集中控制：集中控制的特点是轨迹规划、系统管理、伺服控制都由 一台计算机完成，实时性好、接口功能强，一般采用工业p c 机等系统机或 者d s p 本课题系统采用工控p c 机和单片机组成的上、下位机分级控制系统 主要包括工控p c 机、显示器、键盘、单片机a t m e g a l 2 8 l 、交流伺服驱动 卡、交流伺服电机、电机编码器及行程开关等。利用工控p c 机负责系统的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 管理、状态显示、人机对话、以及实时监控被控对象的运动状态，利用单片 机的实时处理能力实现交流伺服电机的运动控制。由于在实际应用中被控对 象常常需要准确的位置控制以及稳定的速度控制，因此，方案中采用位置闭 环和速度闭环双闭环控制。位置闭环主要由a t m e l 公司的a t m e g a l 2 8 l 来 完成，而速度闭环则由交流伺服电机提供的伺服驱动卡来实现总体控制 系统如图2 5 所示 2 3 本章小结 图2 5 总体控制系统图 本章设计了交流伺服控制系统的总体方案。简单介绍控制系统的机械结 构及驱动方式的选择，详细介绍了控制驱动电机的选择，包括电机、减速器 及编码器的选择，并进行了减速器间隙对末端精度影响的校正，最后确定了 整个系统的控制方式。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章交流异步电机矢量控制系统的建模与仿真 3 1 引言 交流电机变频调速在近2 0 年来得到越来越广泛的应用，尤其是电力电子 技术、计算机技术以及自动控制技术的迅猛发展使得交流电机变频调速开始 直接代替直流调速，且随着其应用领域的不断拓宽，对电机控制系统的设计 要求也越来越高w , - 勰1 本章在分析交流异步电机的数学模型基础上，借助于 m a t i a b s i m u l i n k 强大的仿真建模能力，构造了基于矢量控制的交流异步电 机控制系统其中矢量控制的原理是；以产生同样的旋转电动势为准则，通 过坐标变换，将异步电机等效成直流电机