（控制理论与控制工程专业论文）多电机同步联动控制系统的设计与实现.pdf

硕 ? 论文多l 乜辍隧步联鹚控制系统弱皱计垮黛琏要本文以“| u 五”禁预讲课题多电机弼步联渤控制系统的程野制为背景，介绍了系统豹蘩舔设诗方寰。为满足大功攀豹鬟求，暴蠲藜惫疆联台瓤鹚受鼗。铃对多龟壤系统的特点，引入茇速熊反馈电路，实现蹭电机同步运行；弓i 入偏鬣力矩实现电消齿隙，消除落隙非线性对系统的影响。囟行设计多功能智能接口扳，带有单片桃、高精疫躁，著露支簿t c i 0 4 总线方便、控赣嚣葵瓿运谶。没诗开发了基予w n d o w s f的软件控制鬈统，实现了系统的测试、监控和通讯。为了实现礴速度、离加遽度和离精度伺服系统约设计，系统的位置环深璃智能p i d 控制。本文从实际系统调试蛾发，绘窭了一静嶷晓秘、交衩分豹智髭p 1 d 控露l 冀法，澈孬了系统酶调试与努疆，镬系统达到了很高的精度，满鼠系统的性熊揩标要求。关键词：伺服系统p c 1 0 4多电机联动电消齿隙智能p i d 控制蟹芝堡茎墨堡! ! 墅妻避黧墼墅墨堡塑塑塑：望塞墨a 毽s t r a c ti n t h i sp a p e r , ah i g hp e r f o r m a n c em u l t i - d r i v e r ss e l w o 。s y s t e mi ss t u d i e d ，i no r d e rt od r i v et h el a r g ei n e r t i a f o u rm o t o r sa l lu s e dt od r i v et h es y s t e mt o g e t h e r b u ti nf a c t ，f o u rm o t o r sc a n tw o r ka tt h es a m es p e e d s ot h ed i f i e r e n c eo ft h es p e e di sf e e d m b a c kt om a k et h em o t o r sl l a v et h es y n c h r o n o u sm o v e m e n t ，a tt h es a m et i m e ，an e ws c h e m eo fa n t i b a c k l a s hw i t ha n a l o g u ec i r c u i ti sp r e s e n t e dt b ff o u rd r i v e sm o d ew h i c hi sa d o p t e df o rt h ec l o s e d 。l o o pc o n t r 0 1 t h es c h e m eh a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha sq u i c k 。r e l i a b l ea n df e a s i b l e i tl a y sf i r mf o u n d a t i o nf o re l e c t r i ca n t i * b a c k l a s h f r o mt h i sw a y ，w ec h a n g et h i sn o n l i n e a rs y s t e mi n c l u d i n gg e a rc l e a r a n c e si n t oa l la p p r o x i m a t el i n e a rs y s t e r n w ea l s od e s i g na ni n t e r f a c ec i r c u i t ，w h i c hi si n t e g r a t e dw i t hm c ua n dh i 醢p r e c i s i o nd ac h i p s a n dp c 10 4b u si ss u p p o r t e d i no r d e rt or e a l i z et h eh i g hp e r f o r o l a n c e ，g o o dd e p e n d a b i l i t ya n dl o wp o w e rc o s t ，e r e ，s o m ec o n t r o lm o d u l e sb a s e do np c 1 0 4b u sp r o t o c o la n dt h ec o n t r o ls o f t w a r ea r ed e s i g n e d 。t h e n ，t h ep a p e ra n a l y z e sak i n do fi n t e l l i g e n c ep i dc o n t r o lm e t h o da n dd e s i g nt h ei n t e l l i g e n c ep i dc o n t r o l l e rf o rt h es e r v os y s t e m + e x p e r i m e n tr e s u l ts h o wt h eg o o dp e r f o r m a n c ec a nb ea c h i e v e dw h e ni n t e l l i g e n tp i di sa p p l i e d k e yw o r d s ：s e r v o - s y s t e mp c 10 4m u l t i - - d r i v e r sa n t i - - b a c k l a s hi n t e l l i g e n c ep t dc o n t r o l l硕f ：论文多电机蚓步联动控制系统的设计与实现1 绪论1 1 工程背景伺服系统是应用领域非常广泛的一类系统，它的根本任务是实现执行机构对位置指令的准确跟踪，被控量一般是负载的空间位移，当给定量随机变化时，系统能使被控量准确无误的跟随并复现给定量。例如轧钢机压下装置的控制，在t & n 铆q 材的过程中，必须使上下两根轧辊之间的距离能按工艺要求进行自动调整；数控机床的加：l ：轨迹控制和仿形机床的跟踪控制；轮船上的自动操舵装置能使位于船体尾部舵叶的偏转角度模仿复制位于驾驶室的操舵手轮偏转角，以便按照航行要求来操纵船舶的航向：火炮群跟踪雷达天线或电子望远镜以瞄准目标的控制：以及机器人的动作控制。随着现代科学技术的飞速发展，从大功率设备的拖动机构到数控设备的精细定位，从雷达、导航机构的精确控制到为电子设备的精密加工对伺服系统都提出了越来越高的性能指标要求o ”。近十年来，交流伺服技术的得到了不断的发展，其优势不断得到显现，永磁伺服电机具有转子转动惯量小，响应速度快，效率高，功率密度高，电机体积小，消除电刷而减少噪音和维护等其他电机难以比拟的优点，在高性能位置伺服领域，出其为伺服电机组成的伺服系统应用越来越广泛。在军事上，随着各种高精尖端的武器迅速发展，特别是各种战术导弹、隐形飞机和武装直升机的迅速发展，其运行速度，命中精度。这对防空体系中的高炮武器系统提出了新的要求。目前，世界各发达国家均卜分重视各种高炮和大口径舰炮、地炮的研制和改造工作。现在反导高炮已有十余种之多，其中美国、意大利、荷兰、瑞士、俄罗斯等国走在前列。反导高炮大多采用“三位一体”( 即搜索器、火控跟踪器同时安装在炮架上) 或“二位一体”( 仅火控跟踪器安装在炮架上) 的结构，采用高射频、多管联装、转管式炮来获得高发射率。现在许多炮控系统的负载都是大惯量负载，普通的单电机控制系统其功率和精度已经难以满足大功率炮控系统的要求了。如意大利瑞士研制的米瑞德( m y r i a d ) 采用双“7 2 5 ”，发射率达1 0 0 0 0 发m i n ，大大提高了近程反导的效果。这些反导武器的随动系统均具有高速度、高加速度、高精度和大功率的特点，如美国通用电气公司生产的g a u 一8 a 型7 管3 0 m m 转管炮身管驱动电机的功率达6 0 k w 。美国1 2 7 口径m k 4 5 炮塔重量2 5 吨，驱动功率超过3 0 k w l 4 “。随着高炮技术的不断发展，现在的单电机伺服系统从功率、性能上已经很难满足炮控系统的要求。受技术条件的限制，单电机的功率难以做大，必须采取多电机联动才能满足大功率的需求。比如：英国海军将m k 8 型1 1 4 毫米口径舰炮作为2 0 0 0 年英海军主战舰艇的火炮，其方位采用了双电机联动。多电机联动的优点不仅在于提高炮硕士论文多电机同步联动控制系统的设计与实现控系统的功率，而且多电机联动可以消除齿隙非线性对系统的影响，提高系统的控制精度。1 2 多电机同步联动控制的方法随着现代科技的发展，在许多工业场合都提出了对大功率、大惯量、高精度交流伺服系统的需求，交流永磁同步机伺服系统是首选方案。但是由于单电机功率难以做大，必须采取多电机联动以满足大功率需求。然而简单的将两个或多个电机并联，共同驱动负载是不行的。因为在多电机联动控制过程中涉及到多电机同步工作，不能因为各个电机的各自性能的差异而导致控制性能的下降，因此需要采用一定的控制策略，此外多电机同步联动可以解决传动链齿隙的问题。在普通的单电机控制系统中，总是或多或少的存在着传动链齿隙，就算制造精度很高也会因为齿轮传动而存在齿隙。而多电机同步联动消隙是在双电机联动的基础上引入偏置力矩，使两电机输出大小相等、方向相反的力矩，使小齿轮以相反的方向紧紧咬住大齿轮，并作用于系统运行的全过程，达到消隙的目的。本课题所设计的系统选用四电机联动控制，四电机同步联动控制原理是通过将一台主电机与三台从电机的电流环指令信号并联，将主电机的速度环保留，从电机的速度环断开实现四电机联动；通过调整电流环部分的相应参数可保证四台电机动态响应特性的一致性，以保证最佳的联动效果，出于采用四电机驱动，所以将电机分为两组，两组电机之间引入力矩偏置信号可以实现电消隙，而通过引入差速负反馈来克服“伺服打架”现象。位置环采用基于p c i 0 4 总线的高性能微处理器，实现精确的位胃控制。1 3 本文的主要研究内容本文基于多电机同步联动控制系统，做了以下一些工作：第一章介绍了目前国内外伺服系统的发展和应用现状，并在此基础上提出了多电机同步联动系统。随着交流伺服系统驱动技术的不断发展，多电机同步联动系统的大功率、高精度的优点得以显现，将会得到越来越广泛的应用。第二章介绍了系统的电机、驱动器的选型和机械试验台架的设计，系统的四个电机采用对称卧式结构的布局，四电机经过减速器啮合到大齿轮上，通过大齿轮拖动负载运行。第三章介绍了多电机同步联动控制系统的电气控制系统的设计，主要包括控制计算机的选择，多功能智能接口扳、轴角编码板和4 0 0 h z 激磁板的设计，以及系统动力电源控制的设计。第四章介绍了系统的速度调节器的设计以及差速负反馈和电消齿隙的设计。速度调节器采用常规p i 调节器，差速负反馈用于实现四电机同步联动，电消齿隙可以实醺圭沦文多屯静k 嗣步联动控制系统豹皱秘与实璃现消除系统齿隙非线性，消除空程误熬对系统的影响。最后通过速度环的调试验证系统的四电机阔步联动性能良好。第五章介缮了多电帮l 阉步联动较翻系统霞萋舔豹没诗帮诞试，蓦先晓较了霉蕊p i d 控制和锣能分区p i d 控制算法，讨论了一种工稷【：= 十分有效的智能分区p i d 控制方法。在系统中控制软件由c + + b u i d l e r 编写，在软件中嵌入了错能分区p i d 控制算法。通过系绞熬调试，骏疆智能p i d 斡谯点，实现了系统裹程熊浆链墨翔鞣较潮。硕： 论文多电机同步联动摊制系统的设计与擞现2 多电机同步联动控制系统机械结构2 。 驱动方案设计长期以来，由于受技术条件的限制，武器伺服系统均采用赢流驱动方案，即采用直流电动机作为执行元件，采用交磁放大器、可控硅整流装置等作为功放部件。虽然鑫凌毫动概基骞控摹l 方囊、调速栏戆好、过载笺力谶等往点，懿_ 踅漉电动掇熬交流穰构机械换向却有着敬命的缺点：一是换向器表筒线速度及换向电流、电聪宥一极限允许值。趣过这一极限时就只能采用更复杂的方案，这就增加了电机制造的难度和成本以及调速系绞豹复杂性。有些特赢转速、特大功率靛场合则报本无法用纛流电机驱动方案求实现：二是螽 子要照颥羧囱器瓣可靠工 玺，电枢及捩淘器静妻径般都傲的比较大，因此电机的转动惯量就大，这对系统的快速性不利；兰是机械换向器、电刷等，必然有换向火花，使其应用环境受到了某些限制，同时潞经常清洁憝流子，更换邀羁。霹撼，镬蠲蠢溅邀动辍，其安全蛙、冒缭沪瞧较差， | i l 速经琵难予逡多提高。人们长期以来一直在寻找用没有换向器的交流电机调速来取代直流调速1 1 7 i 。近二1 十+ 年来随着科学技术的不断发展，新的控制策略如矢墩控制的应用，使得交流电机饲暇系统麴性熊墩褥了长足的发展，具各了宽调速范围、蔫稳速精溲、快速动态性能及图象限运行等懿好的技术健熊，其动、静态响应完全可以与直流瞧劝梳伺服系统相媲美。交流伺服驱动已成为现代伺服驱动的发展方向和热点。随着电力电子，微处理器和新型材料等技术的飞速发鼹，永磁( p m s m ) 交流伺服系统以其优良的性能日蕴藏为交溅镯浆系绞串磷究器痤瑷兹蘩要内容”7 j 0 藏汝远豹发袋寒看，交溅镧黢系统将由以采用模拟电子器件为主转向采用数字电路、微处理器、数字信号处理器，实现半数字化或全数字化，进而由硬件伺服技术转向软件伺服技术。出于软件伺服技术的发展，极大懿增强了交流髑鼹系统设谤与使翊弱柔牲，嗣对提供了+ 分丰富弱自动诊断、保护、漫示等功髓。撤据运行妥求，可醵很方馑的设餮参数，增强了与上位控制机的通讯能力。由于微机用于交流伺服系统，在控制上由通常所采用的p 1 1 ) 控制转向应用现代控制理论，注意将人工智能、模糊控制、神经元网络等耩成果用于交流伺服系统孛，极犬豹扩兖交滤数字秘辍系统豹控秘方法。一般交流数字伺服系统的结构框黼如图2 1 i 所示，其主鼷由以下部分组成：数字信号发生器、位置控制器、驱动器、驱动电机、齿轮传动链、速度反馈和位嚣反馈缱成。4硕l ：论文多电机同步联动控制系统的设计与实现图2 1 交流伺服系统结构框图本课题研究采用四台电机共同驱动。即：图2 1 中虚线框内的部分是由四台电机共同组成一个驱动机构，其中四台电机分别由四个驱动器控制，四个驱动器的组成则是按照同步联动控制的要求进行连接。按照系统总体设计方案，多电机同步联动控制系统采用了基p c 1 0 4 总线的嵌入式计算机控制系统。该系统由控制计算机、多功能智能接口板、同步联动及电消隙控制板、轴角编码器、双通道旋变以及多电机同步联动试验台架组成，实现全闭环控制。美国、日本、德国等发达国家对交流驱动技术研究早、技术成熟，其交流传动技术居世界领先。目前，德国西门子公司、美国k o l l m o g e n 公司、同本松下公司、日本安川公司等都有交流永磁式同步电动机产品销售。但是德国公司、日本公司的产品主要是针对工业应用而设计的，与电机制成一体的角度测量装置大多采用光电码盘，而不是抗震性能好的旋转变压器，而且电机应用的温度范围也只是常温0 。c 4 0 。c 。相比较而言，美国k o li m o g e n 公司的产品功率密度更大、体积更小、可选用旋转变压器作为角度测量元件，与电机一体化制造，抗冲击振动能力更强，且应用的环境温度范围大，达- - 4 0 。c 5 0 。c ，更适于军用。该公司的产品长期提供给美国国内武器制造商，并已大量用于美式武器装备上。k o l l m o g e n 机电产品也为我国海军武器首选。此外，美国k o l l m o g e n 公司在天津成立了中外合资企业一一天津k o i | i n o g e n 工业驱动有限公司，生产相应的电机产品正在实现国产化，这也为将来的国内产品制造提供了可靠的元件来源。经过比较，决定选用k o l l m o g e n 公司的g o i 。d i ，i n e 系列交流变频永磁同步电动机及其配套的新型s e r v o s t a rc d 系列功率放大模块。因本课题在实验室进行预研，电动机功率不宜过大，单电机功率选为2 5 k w ，负载的惯量按双3 5 火炮惯量的1 3 确定为4 0 0 0 k g m 2 ，负载最大加速度指标按炮控系统设计要求1 0 0 0 s 2 计算，选用4 台k o l l m o g e n 公司生产的m - 4 0 3 一b 型号中惯量无刷交流伺服同步电动机，以及与之配套的伺服之星c d s 系列新型驱动器c r 0 6 2 5 0 。电动机技术数据如表2 1 。硬盘论文多电视两步联铀控制系统鼬澄谛岛实现梅最参魏最猕蕈静* 一4 0 3 8 摩髑搠_ 声硝f 窜千瓦( k w )2 5。颧定转速转分( r i m )3 0 0 0连缕缕转转篷( 4 0 )拳寒m )要垂连续堵转转矩( 2 5 y ：)牛束( n m )7 4连续线电流蜜墒( a ，有效德)6 4峰餐辏楚l | 二- 米( n tm 霉8避整凌窀蔑赣壤强；密敲馥)i 8 ，8煅犬理论加速艘弧艘秒2 ( r a d s 8 )6 9 0 0转矩系数牛米安( n m a )1 1 l援篷魂势系数钱，手转，势露k r p 辩鑫芋2最大线电箍伏( v )2 5 0d c 线间电阻( 2 5 )欧姆( o h m s )2 6线闻电感毫亨躺l 5 0赣予褒曼乎巍+ 寒2 ( 繇* 舻)0 0 0 2 嘉9重量千克( k g )1 0 5静摩擦力嬲牛张( n m )o 。2 4憋麓疑譬鼗势耱；n 2 2粘性摩擦系数仁水干转( n m i ( i i p m )0 0 1 5伺服之星( s e r v o s t a r ) c d s 繇列驱动器c r 0 6 2 5 0 是集憾震环，速度邺和电流环先一体麴运裁整毒l 嚣，装餍k o l i m o g e n 公曩黪”转疑惫控裁”专聪接拳篷邀麟避簿正弦渡驱动捺涮。它集躐壤藏、可维秽稳好，i 虿靠谶糍、垂弱紧凑，毫魂输密转矩大，转矩脉动小；低速性能好。调速范围绕；过载能力大，动态响成快。随驱动槠附有一套较 牛，饿溺该软l 牛可以逶_ 遘串口对瓣穗器进行熬激配置，可以竣鬟电枫为转炬输出模式，转速辕囊辏式等簿。瑟萎滚较箨哥薤整整彀凝运蓊获态，遴蘧囊翡嚣霹滚蓑霪亳机电流、电机速度蹲一系列运行数据。驱劫器c r 0 6 2 5 0 舄电机m 一4 0 3 - b 的连接原蠼如图2 。2 所爆。_”_m”。“w”。_w”一6硕士论文澎电机同步联动拄制系统的设计与擞蟪且器璜蹩澡一b 嚣魂籍袁编码暑馨反馈图2 2 驱动器与电桃涟接原理瞬在图2 。2 中，动力啦源首先提供给驱动器，褥经过驱动器剿迭t t t , ) l , ，作为电机游驱凄毫源。由髭，可潋睡 鞋凌器来控潮毫裁匏二电与否，这稃簸露戳逶过较律寒控制电机的工作。因此在将来的容锗控制中，可以浦避软件的方法h 柬控制电机的使能，当控制器判断电机发生敞障的时候，缴送一个关使熊的指令给驱动器，而驱动器就可越接鼙邀瓠靛凄妻电源。男一方垂，鞑动爨接受辩鄹输入夔控秘臻令僖号，羧铡绩号为一个瞧聪信号，在本燕统孛为速度摈令信号，输入范霭受一l t o v ，驱动器蒋根据控制措令信号驱动电机运行。驱渤器通过监视信号输出口邋刚电机的转遮，这个电蘧值的输如范围为一l o v + t o v ，对应电机的转速为- - 3 0 0 0 转+ 3 0 0 0 转。由于驱动器疆镶了转速输i 驽擦号，一鸯露可蔽逶过转速辘蠢售号羲摁电参运孬状态，显示电机的当前转速；另一方蕊，在系统的故障诊断中对以利用转滤输出信号刿峨电机是否正常运行，为系统的敞障诊断提供必要的参考信息。2 。2 多毫魏嚣步联动实验台檠戆橇槭设计根据本课题的研究内容及技术指槲，需要研制漪隙可调的大功率同步联韵嶷验台架，并在此硬件平台上进行相关技术的研究。为满足高性能指标的要求，同步联动实验台蘩采孀交涟鼗字陵动系统魏疆究方案，驱囊元棒采籍转动臻爨，j 、靛，臻率密度大，过载能力强的起甫裁憾熊好盼交流变频同步电动梳和裙应的交颁功能模旋缀成速度环。荛毽多魄挺同步联韵控剁系统实验台桨工终稳定、结构紧凑、瘦子操 謦、兼颧安装躲藏便犍及霹维护缝，。陵美露实艨，蹰拿毫飘聚耀对稼垂 式续梅戆布鼹，实验鑫粱传动结构如图2 3 和图2 4 所示。以前的火炮伺服系统般都是采用半闭环控制，剐位置反馈怒从电机经礴糟度小模鼗交轮健凌链饕穰委终感器嚣量蓊褥，整嚣嚣控制并没莓考虑动力筵动鸯轮带来翡误差，困i 谶会影响炮管的指向精度。由图2 3 和图2 可以看到，系统中每螽电视都是先经过减速器的减速之后，再通过犬齿轮啮合柱起的。在大齿轮的中心轴二装有一m”_h_w_w_”“_一h一7硕士论文多电静t l n j 步联动控制系统的设计与实现旋转变压器，用于检测大齿轮的位置。由于位置信息是从大齿轮输出轴传过来的，位置环控制的时候可以把齿轮传动造成的齿隙非线性考虑进去，因此可以在很大程度上提高系统的控制精度。图2 ：j 试验台架传动结构示意图口桨图2 4 试验台架正面视图为提高机械系统工作的安全可靠性和传动精度，减速器采用住友重机株式会社高刚度、高精度的同轴式摆线针齿少齿差行星传动机构。该减速器结构紧凑，小齿轮与电机轴可直接联接，从而使机械传动装置轴向尺寸大为减小，也有利于提高系统的传动精度。本课题采用住友熏机株式会社生产的同轴式、高速、高刚度行星齿轮减速器f i c - - a 3 5 8 9 ，其输入转速可达3 0 0 0 r p m ，传动比i = 8 9 ，输出扭矩5 5 3 n m ，输入功率2 3 9 k w ，该减速器传动效率高达8 2 ，可作逆向传动( 即低速级输入，高速级输硕士论文多电机同步联动控制系统的设计与实现出) ，其允许的瞬间最大输出扭矩为3 6 5 0n m ( 是额定输出扭矩的6 6 倍) 。小齿轮与电机轴都可直接与减速器联接，不用夕 加联轴装置，从而使整个轴系部件结构简单、尺寸紧凑、传动链较短、精度高、抗震、抗冲击性能好，完全可以适应多电机联动实验的需要。系统主视图如图2 5 所示。图2 5 实验台架系统装配图经过实际的运行验证，实验台架能够进行多电机同步联动的凋试，运行良好，为进行下一步的调试创造了一个功能齐全、结构坚固、灵活实用、紧凑美观的试验环境。2 3 本章小结本章主要介绍了多电机同步联动控制系统的机械结构。实验台架是整个系统的基础，用于固定电机、减速器和大齿轮，只有实验台架的设计满足要求时才能保证系统的运行稳定。经过实际的运行与调试，多电机同步联动控制系统的机械结构满足项目要求，从而能够在此基础上完成系统的集成，为今后的调试奠定了基础。9硕士论文弗电机i 司步联动控制系统的设计与实现3 多电机同步联动电气控制系统3 。 控制系统电气缩构概述多电机同步联动控制系统是一个集电流环、速度环、位置环控制为一体的同步联渤控制系统，速度环采用控制，位鼹环采用智能i ) i d 控制，落度环是以模拟电路豹方式迸嚣羟裁戆，整嚣舔则采蠲豹数字逮夔豹方式。系统先惩翻位萋墓惑，褥由主控计算机计弊出控制量，最后由d a 模块将控制量转换成电压信母作为电机的控制信号。图：j 1 憝多电机同步联动控制系统的系统框图。电图3 。1 多电机i 司步联动系镜框图熟图3 i 黪示，强步联魂控刳系统出挝蓬繇调节器、1 6 位d a 模块、速度调节嚣、变频驱动器、轴角编码辍、4 0 0 h z 激磁板、电机、旋转变压器、负载组戚。系统通过连接在负载主轴上的旋转变压器，可以获得负载的精确的位鼹反馈信息。轴角编粥板上的轴角编码芯片将旋变产生的位鼹反馈信号转换成1 6 位的数字量，经p c 1 0 4 憨线蒋鼗据传送给谴萋调警游。4 0 0 h z 激磁扳蔫予绘旋转交歪器霉謇蠢角编码板提供4 0 0 t 1 z 的激磁储号。该位鬣调节器采用智能p i d 算法，控制量由多功能智能接口板上的d a 芯片转换成模拟爨后输出。速度环采用常用的p l 控制，将速度控0硕上论文多电机同步联动控制系统的设计与实现制量发给四个电机的驱动器，实现精确的伺服控制。由系统的控制计算机实现位置调节器，该控制计算机是一块配有p 一儿【处理器的p c | 0 4 模块。针对本系统的实际需要，专门设计了带有1 6 位d a 的智能多功能智能接口板。多功能智能接口板上带有个1 6 位的m s p 4 3 0 系列的单片机，两路1 6 位d a ，网路a d 输入，并且支持p c 1 0 4 总线。具体设计将在后面介绍。速度调节器采用工业上最常用的| ) j 调节器，针对伺服系统的自身特点，对i ，i 调节器进行了一些改进，加入了积分退饱和电路可以实现更好的控制。负载侧角位置信号的检测采用1 1 0 x f s w 0 0 8 ( 1 ：3 2 ) 无接触式多极双通道旋转变压器作为位置传感器。该旋转变压器采用同一铁芯两套绕组的“共磁路式”结构，当其转子旋转一周时，副方同时输出周期不等的两种正弦波电压，构成精粗双通道系统，其主要特点是：精度高、灵敏度高；用电气结构代替机械变速，提高系统精度，简化系统结构。上面只是从大体的框架上简单的介绍了一下同步联动控制系统的电气部分的结构组成，在下面各节中将重点介绍l 个主要的部分。3 2 控制计算机本系统的控制计算机采用盛博公司的s c m s p t 4 ，s c m s p t 4 是一款基于p c 1 0 4总线的“a l i i n o n e ”的高性能、低功耗的c p u 模块，它采用l r a n s m e t at m 5 8 0 0 处理器，c p u 速度达8 0 0 m h z 。相对于i n t e l 的p e n t i h m 处理器的大功耗来说，l 、r a n s l n e t a7 f m 5 8 0 0 的功耗非常的低。在通常的嵌入式系统中，采用i n t e lp e n t i d m 处理器的电路板都需要加装散热风扇而t r a n s m e t a1 m 5 8 0 0 只需要加散热片就可以满足需要。此外，在盛博公司的s c m s p t 4 板上集成了c & ，i v g a 6 9 0 0 显示控制器、8 2 5 5 9以太网控制器，由s o d i m m 插槽提供2 5 6 ms d r a m ，采用a w a r db o i s 可方便的对系统及外设进行配置。s c m s p t 4 的主要性能有：( 1 ) x 8 6 兼容6 4 位微处理器，支持m m x 指令集扩展，速度高达8 0 0 m h z( 2 ) 带有s v o a 显示器接口( 3 ) 平板显示器接口支持所有类型l c d 及t f t 平板显示器( 4 ) 内存可扩展至2 5 6 m( 5 ) 支持软驱、1 d e 硬盘( 6 ) 两串一并接口( 7 ) 一个u s b 接口琰。l 。德吏多瑰瓿弼步联霸控制系统嚣设诤每实壤( 8 ) 1 谯板lo l o o b a s e t 以太网接髓( 擎) 与p c t 0 4 p l u s ：蒸容，5 v p c i 总线( 1 0 ) 只, - y ：9 0 r a m x 9 6 m n - t x1 5 r a m控制计算机用1 ：擞现系统的位鼹环控制。在位鼹环的控制中，当控制计算辩l 判断5 m s 控制髑期开始螽，宠从轴受编鹦援申读取受裁往麓蕊惑，袋矮簿缝p 捞繁法鞠“冀窭瓣要绘魄瓿瓣霾未登，杂多葫怒馨戆绶曩馥避行静嬲转换，完成撩潮蠲朝。在系统中s c m t s p ”1 4 将外接一个液菇髭示器，用于最示系统运行状态，方便系统调试。控制程序则存储在一个多卜挂i 麓j 4 0 g 的移动硬盘上。3 。3 多功靛譬鼗攘蜀板多功熊帮能接口檄是钳1 时多电机同步联动控黼系统的特殊鼹求提出来的，张本系统中电枫的彼器反馈德号w 以透过旋变釉轴角编码器获褥，1 6 位的经置反馈糖魔可以潢是系绫豹瑟袋。爨海经鬟垮是数字灏，登然鼗聚鲻强转换，隽了绦诞蘸绕懿螽赣壤控率l ，鬻求采瘸1 6 黻的d a 蕊片。由予速度环燕模锨懿，考纛至褥来速壤环的蕈独调试和容错掩制的需鼷，系统中又必颁嚣带有精度黎求不高的a f t ) 电路。围此t 实际装绞慰多磅蕤餐辘接嗣嫒鹣嚣求塞| l 变或了a d 戆壤发甄露d 玲熬藕麓整，嚣在枣绣- 二，丈罄癸熬数撰慕囊毫路零麓a 蛰疆壤囊器您耩度稳，这撵熬簿台p c t 0 4 溪蕊熬产麓足孚没有。因此我们针对慧毓的实际需求设计了多功能错能接口板。静且在接口授j 二，我们集成了t l 公司的m s i ，4 3 0 聚绞的擎片桃。睦l 子单膀秽t 抟采题，霹激软传编裁，篌疆毯投变藏个勰貔教、瀵璃馥，这赣海褥寒系统罄镶筏秘、毫撼鹣敷簿诊繇撬珙了一个耱翻豹警台。褥加上粼弼了p c 1 0 4 勰范，使褥羧翻叛w 以和主控板交换数撼，实现了蠲能数据采集转换控制的功能。3 ，2 。 p c 0 4 。戆绫觏楚p c 1 0 4 怒种专门为嵌入式控捌丽定义煎工渡靛翩总线。1 9 9 2 年j e e e 协会将它定义为l i 洲卜p 9 9 6 1 ，很明鼹p c 1 0 4 实碰上就是一种紧凑型的i e e e p 9 9 6 ，其信号怒义秘弼躁羊基本一熬，毽锻气释雾穰麓魏帮嵬垒不溺，蹩一耱臻纯靛、枣墼、壤棱式缝稳豹嵌天式辍翻系统。家鹃褥患是1 2 3 1 ：一、小尺、f 结构：标准模块的机械尺寸是3 + 8 3 6 英寸，b 1 1 9 6 x 9 0 m m 。二、壤援式连接：去簿您线鸳檄巍缓蔽浮邋，憨线竣“钱”秘“魏”形式繇鼗连接，帮p c 1 0 4 总线摸浃之潮总绫翡连接燕逶避主瀑麴键秘”f 藩稳魏秘嚣痰秘捆逡，这种艨癫封装有极好的抗震性。三、轻松总线驱动；减少元件数壁釉电源消糕，4 m a 总线驱动帮可使模块瓣鬻工佟，每个辏莰卜2 琵鸯l 耗。旦堂：! 翌，童童墼壁壁塑篓篓墨堕塑堡盐墨塞垫一它采蠲赢发缓块纯结构，体积夺，功耗低，无需散热，便于密封，连接方式觅可靠，与p e 规兼容，支撑软譬# 多辩级羧代费蹋低。经过多年的发餍，现在市场上已经有了缀多p c 1 0 4 的产品，产熙静系列缀全，从p c 1 0 4 c p u 板，到i o 输入输出奄路，到多路a d 、d a 转换等等，各辨产熬都凑嚣应，因此在妇今提倡模块偬靛嵌入戏控制系统中，p c 1 0 4 产黯占有很重要的地位。虽然p c 1 0 4 模块的扩展和应明是灵遗蛇，但还是毒二萼孛基本方法在嵌入式系统中使用p c 1 0 4 。( 1 )独立的模块堆栈：如在图文3 魇示，p c 1 0 4 模块是鑫我堆找式。这方式中，模块是被用作全兼容的总线底板，但是不需要背板溅搔槽囊成的。每个模块壁如0 。6英寸间距。图3 2l c 1 0 4 的基本尺寸( 8 ：i ) ：)图：j + 3 模块自我堆栈图3 4 作为赢度集成的元 f l ：使朋( 2 )作为元件应用：另外一个方法使用i ，c 1 0 1 模块是在图3 。4 显示的一样在这方式下。模块作为用一个高度集成元件，插入一个定制的母板上，母枚上包含有应闱援门羊总线逻辑，它的臼我堆栈方式，可以在一个位鬣上安装几个模块。这种方式允许在系统调试威者测试时，f 黼时更换模块，同时有利于我们将n 束的产品升级或者坝l ：论文多电轨j i i j 步联础批制系境的设计崎实现殳按选倒：。| i j i 卅宙嬲个敝术，h 德带il b 位，分剥与l 屯和斛辎对蕴。p c i 0 4 i l u s 刘与m i 总线棚对应，在p c i 0 4 总线的两个版本q 1 ，8 位p c i 0 4 欺有卅个总线僭脚，单列烈排插针和插扎，1 、l ：6 d 引，p 2 ：4 0 针，含计1 0 4 个总线信号，p c 1 0 4 瞠丑此得名。当8 能攘获鞫1 6 位搂块连接瓣，1 6 位模浇必籁在8 谴摸块籀下酒( 觅戮隧2 ) 。p 2 慈线连绱在8 能元模块中是可选的，这样谴这些模块无论何处郡可在堆栈中使用。| i i 于p c i 0 4 的管脚定义与1 s a 、i c l 的规范究全兼容，所以用户在产品内部用l c o d 模块时，也可以鹰矗已的霰要殴计尘产受多的专业嶷j f = lp c 1 0 4 模块种类。可以翱信，嵌入式i c 羽韬漪的工l p 控制计算# t 体系产生了税搬的影晌，丽；1 将在许多应丌j 领域形成主流格硒。3 2 2m s p 4 3 0 x 1 4 9 单片机枉彩功能智能接u 扳，h 选捌7 公司潲m 系列绱帮片槲。作为智熊控制单元。m ”4 3 0 系列是个15 位的、具打槠饷指令集f f j 、超低功耗的混合型单片机，在1 9 9 6年问啦，d i 下它具有擞低的功耗、：l ! 南的片 上j 讣蛙耶方便灵灞的歼发法手段，已成为众多单，；嘭i 系嬲。p 灏耀疆洄| 爨疆。m 洲： ( j x i g 单片机足超低功牦的微理控制器，采用l 6 位的3 j i i 简指令撩体系结构，1 2 5 n s 的指令周期，具有强大的外部模块功能，提供弗行在线可编程功能，调试简单龙癯。黔p 4 3 0 静体系筹i 秀l 堤鞋充分野l 台了控制系统f l 实簿废耀需求，提缓了壤多先进的外嘲模块，摘溅荦片、功能强人的控制器一i 。m s i ，们i ) 系列巾”机的迅速发展和应_ l ! i 范喇的不断扩大，主要取决于以下的特点。( ) 姒火蚋处媸能，”裕；列，p ”桃芷- 一个他嘏荦j 确l ，采埘了精简指令集( r s c ) 臻构，具霄丰帘的爿址方式、简浦f ：1 2 7 条内核指令以及大精的模拟指令；大量的寄存器以及片内数捌存储器都可参加多利，运算：还订黼效的查表处理方法；有较高的处理速度，在8 川z晶体驻动下，搓令瓣甥为1 2 5 u s 。这些特点保羲e 了西编潮爨菇效率欧源稷澎。m s p 4 3 0 系列单片帆的中断溯较多，并且i 】_ 以任意嵌套使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用i | 断漪求将它唤酶只需6 u s 。( 2 ) 趣低功耗m s l q 3 0 单行机之所以有超低的功耗，屉闲为其在降低芯片韵电源电蕊及灵活丽可控的运行h j 钟方而都有其独到之处。首先m s i ，4 ：系列l 社片机的 b 源电压采用的足1 8 3 6 v 电压。因而可使其在i m l l z豹时镑蘩纷f 运行嘲，芯片豹l h 流会在f l 4 0 0 u h 之翊。其次，独特的系统时训系统的墩计。神：m ”4 3 0 系列叶i 有两种不同的系统1 1 , ：1 7 1 , 系统：预i ：论文多电机同步联动控制系统的设计与炭现基本时钟系统和锁频环( f l l ；f i i f l i 。十) 时钟系统。有的使用一个晶体振荡器( 3 2 7 6 8 1 t z ) ，有的使用两个晶体振荡器( 一个为3 2 7 6 8 h z ，另一个为高频振荡器) 。由系统时钟系统产生e ，u 秘锫功能模块聪鬟的对镑。并艇这些辩铮霹以在指令豹羧制下，季j 开秘关闭，靛而实现对总体功耗的控制。( 3 ) 丰富的片上外围模块m s n 3 0 系列单片机的各成员都集成了较丰窝的片内外设。它们分别是看门狗( 鞋p 1 ) 、模数魄较器a 、怒嚣器a ( t i f i l e f a ) 、定时l i m b t i m e r b ) 、串v l o 、1 ( u s a r t o 、j ) 、硬件乘法器、1 2 位a d c 、端口0 ( p o ) 、端u i 一6 ( p 6 ) 、基本定时器( b a s ic l i m e t )等的一些外围模块的不同组合。可实现异步、同步及多址访问的串l i - 通信接口，可方便地实现多枫遗售等疫用；其有较多麴势行蠛日，激多达6 8 条 。口线： ) ( ) 、p l 、p 2 端日能够接收外部上升沿或下降沿斡中断输入；1 2 位硬件a 1 ) 转换器有较随鹣转换速率，最高可达2 0 0 k b p s ，能满足大多数数据采集应用。m s p 4 3 0 系列举片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。( 4 方硬蘸效懿舞发强缓目前m 洲4 3 0 系列有0 r | j 型、h a s i l 型和r o m 型三种类型的器件，这些器件的歼发手段刁i 同。对于o f p 型i d r o m 型的器件足使用仿真器了_ i ：发成功之后爵烧写或掩膜芯片；对予f l a s l l 型则莠十分方便瓣开发调试臻境，因为嚣绺筠内套h a 6 溯试接强，还蠢霹电擦写的f i 。a s t l 存储器，困戴采用先下载程序至i j i ：l a s 肉，再在器佟海通过软件控傣程序的运行，由j t a g 接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行卅发。这种方式只需要一台阢帆鄹个j t a ( ；调试器，而4 i 辫要仿真器和编程器。开殷语言有汇编语言和c语言。( 5 ) 适应工业级运行环境m s 4 3 0 系列器件均为工业级的，遮行环境温度为4 0 + 8 5 。c ，所设计的产品适合运毒亍予王避玮境下。综合i s p 4 3 0 系列荦盼桃的臣j 二优点，考虑至i m s p 4 3 0 系列单片枫应用的，泛性和成熟性，我们在设计多功能智能接口板中的智能控制单元决定采用l l t s p 4 3 0 系列单片机。并且由于m s t 4 3 0 x 1 4 9 单片机内部带有个1 2 位糖发豹a d 转换模块，凼此只黼要在外部添蕊一垫模撅转换电鼹，将模攘信骛由一i o + i o v 转换弱0 2 5 v 藏可鞋实璇a 蛰转换的功能了。3 ，2 。3 多功熊智能接糊板的设计多萌熬鬻能接墨板豹智能控潮模块采用t s p 4 3 0 x 1 擎片穰，该单片辊为 q a s h 型单片机，片内带有6 0 k b 的程序存储器和2 5 6 字节的储息存储器，1 2 位精度的a d 转换模块以及串口通信、定时器、看门狗等模块。图3 5 为多功能智能接口板的系统框图。硕士论文多f 毡壤曩步联动控制系统鹩设诗与实现勺q一黧总线圈3 5 多功髓智能接口板系筑框甏多功能智能接口板的o a 模块采用i m 公司的1 6 位d a 芯片d a c 7 1 4 。d a c 7 1 4 的1 6 位数据采用同步窜行输入方式，可以有效的节省单片机的接口；芯片采用1 5 v 或1 2 v 电濂供毫，覆蕊片模攘毫蓬簸窭蔻銎爻圭i o v ，5 7 稳0 + i o v ，霹潋逶遗调整蕊片癸部的引脚接线和外部的可调电位器来改变模拟电压的输出范围；芯片的工作温度范围为一4 0 。c + 8 5 。c 。驱动嚣瘦馈题载电辍逮发信号是一1 0 v + i o v 戆邀篷信号，代表电攫豹转遮为一3 0 0 0 + 3 0 0 0 转。然而m s p 4 3 0 单冀秘静a 1 ) 转换模块所允许的模缀墩压输入范溺为o 2 5 v ，所以需骤在单片机外部采用模拟电路将驱动器的电机速度信号的一l o v + l o v缩小为单片帆可以接受的o 2 5 v 电压藏圈。因此在魄路板上设计了四路输入调整电鼹藤应圈令繇确器豹辕入。在板上设计了r s 2 3 2 串口通讯，用于和驱动器通讯传输电机运行信息，修改驱动器的运行参数。通过串口邋讯，系统可以自由的在线配置驱动器参数，可以随时获得邀投戆运行参数，霉加上攀片掇麴运募按期，这藏为穆寒豹容疆按铡提供一令臻馋乎螽。m s p 4 3 0 x 1 4 9 片内带有串口通讯模块，但是因为零片视驱动熊力徽弱，而氨输出电胍只有3 3 v ，因此在中间添加了m a x 2 3 2 芯片用于增强驱动能力，m a x 2 3 2 芯片是个专门用于r s 2 3 2 通讯的芯片。通过m a x 2 3 2 的驱动，串弱通讯的输出电蕊上升到i o v ，驱潞黥力褥到缀大静鸯珏强。试验中诚明，在只有一个电机工作的情况下，电机也能拖动负载运行。因此多电机同步联动系统就为系统的容错控制提供了机械上的冗余，使容锚控制成为了一种可栽。在察糖按涮中，当系绕判鞭电援发熊敬障霹，藏巍该切薮鞠液弱一组邀投，镬数6硕士论文多电机同步联动控制系统的设计与寓媲障电机变为负载，另一组电机仍然能撒动负载运行。k o i l m o g e n 公司在驱动器上提供了一个远程使能配置输入端i = 1 ，用于控制驱动器给电机的j 二电使能。这是一个开关量，当浚入为低魄乎瓣露谈塌予关甄邀枧嫒戆；当输入为裹电乎融打露电规使麓，这时毫祝才能正常王作。因诧当系统翔断电机发生故障时，系统会给该输入端口低电平，切断电机使能使电机停止工作，这样电机就变成负裁，而不影响负载主轴的转幼。这个使能控制信号是通过一缀达林顿管实现的，达林顿管的作用也是增强驱动熊力。在整个系统巾，采爰p c t 瓣憨线 _ ! 为数据交换瓣逶遂，毽魏，在接目蔽中波毒 。了t ： c 1 0 4 总线，用于单片机与主控板上的c p u 进行通讯。如前面所介绍的，p c 0 4 总线其实是一个艇新定义了的l s a 总线，它的引脚定义撼本l 和i s 总线类似，区别张于采羯了捶聿 式麴缝掏，提高了魏震性戆，慰 j e 适会予嵌入式系统，露越 屯i f ) 4 总线也可以扩展为类似于p c i 总线的p c 1 0 4 p l u s 。板上采用c p t 。d 作为总线控制器，用于处理单片机与p c 0 4 之阃的握手信母。本系统中采用一片m a x t 0 0 0 系列的c p t j i ) 一- - e p m 7 0 6 4 s i 。c 4 4 1 0 来实现所有逻辑。通过a i ，i e r公司先进豹蕊片开发软传m a x p l u si i ，薅户可疆任意穗对m a x t 0 0 0 系列芯片逶行编程、加密、以软件代替硬件，实现自己的设计需求。当用户需要更改设计时，又可以轻易地将以前的配置擦除，煎新进行配置。这不仅大大地提高了设纠。速度，而且与舱i c( 专翊集或魄鼹) 程比较，授姿蹶验瞧大为簿羝。劳嚣m a x p i ，u s i i 撬珙图形纯缡程方式，用户只需要简单的拖确图标，连接接线就可以蜜现片内软件的设计，更符合数字逻辑电路的设计习惯，可以有效的提高软件的设计滤度。m s p 4 3 0 x 1 4 9 肇片规和控制计算机通讯瓴括三部分内容：( 1 ) 由荸片撬提供系统静5 m s 定薅功藐在控制计算机中采用的是w i n 9 8 操作系统，w i n 9 8 操作系统是一个基于消息响应机制的操作系统，因此在w i n 9 8 操作系统中无法实现精确的5 m s 定时，只有将精确定时的任务交由多功能智囊接翻投中豹蕈冀瓿寒实魏。醚s p 4 3 0 x 1 4 9 荦冀撰内罄豢毒琵令定越器：定时器a ( t i m e r a ) 、定时器bf r i m e r b ) 。本系统中采用定时器i j 用于5 m s 定时，单片机内部浆用中断方式，当定时器到达5 m s 时产生定时器中断，单片机就套通过p c 10 4 总线发送定时至g