（机械制造及其自动化专业论文）转台伺服系统设计与仿真及自动装填装置程序设计.pdf

硕士论文转台伺服系统设计与仿真及自 动装填装置程序设计 ab s t r a c t p m s mh asb 彻 即 p li ed扔此 。 ( 。 始 l ons th at明u ir e 址 ghp n ”5 1 0 o ofc o n o . l a n d hi ghreliabi li tyfar 助 d wi deand it p l ays ani m pe比 姐 t p 时inac m o l o rsinm ode mti m e s . as th ek e m e 】 d e v i c eof con tl o l s y s te m ， p l cisw i d e l yu se din m 冈e r ni n d u s 川 a l p r odu c ti o n and d 侧 留w d l in血s fi 喇 ht hi s p 即 耽 ， a p m s mto m 怕 b l e s e 四 。 sy s t o nand p l ca u t o m a 6 clo a d ers y s 把 mare s t u d i edbyr n 口 s ofs y s t em d e s i gn， 解 目 c 而c an a l ysis 朋d c 0 lr lp u ter s l m u l ation. t h i s p a 户 沈 p utsfo ，田 月a p ms mtu m 一 扭 b l e s e r y o s y s t e mb as edonthe s tl u ctureof 护 ca n d m o t i onc on扛 勺 i c a 川. t 七 e s ys t e mr e li abili tyisi 兹 ip r o v e d evi d e n ily， 璐 i n g 而5 s truc tu re ， w h i c h h asth e s t ro n g abi li tyofl o gi calj u d g m c n t and i n fo nr叫 i on仃 e a t m e n t . 了 七 e h ar d w are d e s i gnand so ft w are i m p 1 e m e n t i s d e ta i 1 edi 们 权 odu c ed. the si mu】 a t e m edel o f p m s ms e r v o s y s t e mi s b u i l t withm甜a b j s l muli nkbyu s in g 功 t o r posi ti onorie n 抚 月 con tro1 s c h e m e ofv ect 0 r c o n tr 0 1 inthis p a p er . t b e 脚 u lationis d o n ewi t hthe p id andfee dfo侧 肚dc o n 仃 0 1 . ain le d atth e 山 发 目 v ant a g e ofg e l l e ra 】沪 p dc o n tl 1 ， a g e n er alslid ln g m 冈e s pe e d c o n 。 o 1 1 erb a 涨 对onequ iv ai ent c ontr o l isd esignedin而s p a per ， 明d s o 。 e n 姆 t h o d s of d e c r 明 in g c h a tt e ri ngisus比inth e sy s te ms i m u l ation. 丁 七 e 洲u ltss h o wt hat t h e sy s t e m ， h asg 以 记ro bus 切 e s s tol o a d 山 5 加 r b anc e and p 如 e t e isc h ange. withthe c o m b in ationofth e m 日 n tsofs m c即d neu 旧netwo rkc o n 仃 。 1 ， 山 l s p al 姆 r d es i gns th e slid i n g m ode posi ti onc o n t r o l 1 erb as e d onr b f n e tw0 rk. t 卜 e si m u l ationresu lts show th atthis con 扛 11 ercan e 月 贻 c t i v el y d e c r 已 眨 姆 c hatt e ri ng， 加s v e rygoed功 b u stnes s to 】 。 司di s 切 山 a n c e an d p aram e t er s chan g e 胡d a tt aj n s wonder 加 l positionp r e d s l onand 。 2 改i n g p r e c l s l o n f i n a l l y ， the s 。 刀 c 切 r e 曰 l d p n n c i p l e ofauto lt la 石 c lo a d e r s y s t em is i n tl 劝 d u c edand the p lc p rd g n ” n ofel 伙 tri c c o n tl l sy s t e mis d 既gned. then面s p a per putsfo rw田 d a aut o m a ti on scb e m e and the test sho w s i ts丘 汾 s ib ility. k e y ， lo r ds: 引 叹 ， 。 即 s t e nl ， 目 1 到 恤 g m o d e con tr o l ， 砚盯目n e 幻 即 份城p l c n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在本 学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外， 不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名 . 栋 叫 年 了 月 伊 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容， 可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: ” 7 年 7 月 于 日 硕士论文转台伺服系统设计与仿真及自 动装填装置程序设计 1绪论 l l工程背景 交流伺服技术发展至今，技术日 臻成熟，性能不断提高，现已 广泛应用于数控 机床、机器人、自 动化生产线等自 动化领域。同时，在许多高科技领域也有广泛的 应用，如激光加工、大规模集成电 路制造、办公自 动化设备、雷达和各种军用武器 随动系统、以及柔性制造系统等等。 目 前在伺服系统领域内 有两大变化趋势:一是数字控制系统逐步取代模拟系 统;二是交流伺服系统逐步取代直流伺服系统。由于计算机处理信号能力强、外围 接口 功能多、综合控制算法灵活多样，在保留模拟式伺服系统的某些特色的同时， 将计算机用于伺服系统，实现数模混合的控制系统，其所能达到的性能将优于单一 的模拟式伺服系统。由 于交流调速和交流伺服驱动技术己日 趋成熟，在高性能的调 速领域内， 交流调速己 达到甚至超过直流调速，而交流调速和交流伺服驱动的可靠 性和可维护性更是直流伺服驱动所无法比拟的。采用高性能模块化嵌入式计算机控 制系统进行控制己成为伺服系统发展的趋势，而选择高性能交流伺服驱动装置，有 利于控制精度的进一步提高.同时，先进的控制策略的应用可保证系统达到工程要 求的性能指标。 由于以dsp 为代表的高速高性能专用微处理器的出现和pc机的广泛普及，开放 式运动控制器的发展趋势是以 璐p芯片作运动控制处理器，以 pc 机作为主处理平 台，运动控制器以 插卡的形式嵌入 pc 机，即 “ p c+运动控制器”的模式，具有信息 处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制能力强、通用性好的特点。 随着柔性制造技术、计算机集成制造技术和信息技术的发展，当今世界制造业 即将进入全盘自 动化的时代。在工业自 动化领域，可编程控制器和工控机是大多数 自 动化系统的基础设备。 可编程控制器 (pl c) 由于综合了计算机和自 动化技术，其 发展日新月异，大大超过出现时的技术水平。它不但可以很容易地完成逻辑、顺 序、定时、 计数、数字运算、数据处理等功能而且可以通过输入输出 接口 建立与各 类生产机械数字量和模拟量的联系，从而实现生产过程的自 动控制。 特别是超大规 模集成电路的迅速发展以及信息、网络时代的到来，扩展了 p l c的功能，使它具有 很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。p l c在工业自 动化控制特别 是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 硕士论文转台伺服系统设计与仿真及自 动装填装置程序设计 i j 研究现状 i j .1 交旅伺服系统棍述 1 么l l 文流伺服系 统的 发 展 20 世纪 60 年代以 前，伺服系统主要以步进电 机驱动液压伺服马达或者以功率 步进电机直接驱动，伺服系统的位置控制多为开环系统。20 世纪六、七十年代，直 流伺服电动机诞生并快速发展，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能 驱动装置采用了直流电动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系 统。 20 世纪 70 年代末以来，由于伺服电动机结构及其永磁材料、微电子技术以及 控制技术的突破性进展，出现了 无刷直流伺服电动机 ( 方波驱动)、交流伺服电动 机 ( 正弦 波驱动) 等新 型电 动 机13 ， 伺服系统进入了 伺服技术的交流化时 代，并广 泛应用于运动控制，在相当广泛的范围内，取代了步进电动机和直流伺服电动机驱 动系统。 交流伺服系统按其采用的驱动电 动机类型来分，主要有两大类: 永磁同步电动机 ( p m s m ) 交流 伺服 系 统 和 感应 式异步电 动机 ( i m) 交流伺 服系 统14 。 其中， 永磁同 步电动机交流伺服系统在技术上已趋于成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实 现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。并且随 着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自 动化领域中的应用将 越来越广泛，目前己成为交流伺服系统的主流。感应式异步电动机交流伺服系统由 于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景。 但由 于该系统相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，低速性能欠佳，目 前并没有得到普遍应用。 20 世纪 80 年代以 来， 微电 子技术、电机技术、 微处理器以 及控制理论等的快 速发展，使得交流伺服系统朝着数字化、高度集成化、智能化和高性能方向发展， 直接推动了 交 流伺服 技术的发 展1251。 高速微处理器的出 现， 为在交 流伺服系统中 应 用现代控制理论， 实现复杂的控制算法和故障诊断，提高工作的可靠性与柔性提供 了强有力的技术手段，并使伺服技术由硬件伺服进入了软件伺服的新时代。 i j .1 j 交笼 伺服系 统的 结 构形式 1 )半闭环位置伺服系统是具有位置检测和反馈的闭环控制系统。它的位置检测 器与伺服电动机同轴相连，可通过它直接测出电动机轴的角位移，进而推知当前执 行机械的实际位置。由于位置检测器不是直接装在执行机械上，位置闭环只能控制 电机轴为止，所以称之为半闭环，它只能间接地检知当前位置信息，且也难以随时 硕士论文 转台伺服系统设计与仿真及自 动装填装置程序设计 修正、消除因电机轴后传动链误差引起的位置误差。半闭环交流伺服系统在它的闭 环中非线性因素少， 容易整定，还可以比较方便地通过补偿来提高位置控制精度， 此外，半闭环的结构使它的执行机械与电气自 动控制部分相对独立，系统的通用性 增强。 2 )全闭环位置伺服系统将位置检测器件直接安装在执行机械上，从而可以获取 执行机械的实际位置精确信息， 通过反馈闭 环实现高精度位置控制。从理论上说， 这是一种最理想的 位置伺服控制方案。但是，在当采用全闭环时，机械传动链也被 包含在位置闭环中， 伺服的电气自 动控制部分和执行机械不再相对独立，传动的间 隙、摩擦特性的非线性、传动链的刚性等都会影响控制系统的稳定，使系统容易产 生机电共振和低速爬行。同时执行机械上的负载变换也会对系统的摩擦特性、机械 惯量等产生影响，给系统的整定造成困难。此外，由于机械传动部分的引入，使位 置伺服系统通用性设计带来困难，也不利于降低成本。 3) 混合闭环位置伺服系统综合了半闭环和全闭环位置伺服系统的优点，在系统 中同时出 现，在系统工作时，半闭环起主要控制作用。由于半闭环中电气自 动控制 部分与执行机械相对独立，可以 采用较高的位置增益，使系统容易整定、响应快、 跟踪误差小;而全闭 环只用于稳态误差补偿，位置增益可选得较低以保证系统的稳 定性。两者相结合可最后获得较高的位置控制精度和跟踪速度。但由于系统中同时 存在两个闭环，使系统的控制复杂程度大大增加，它们之间的配合、增益调整等都 必须仔细整定，位置伺服系统也不再具有通用性。 1 2 .1 3 交沈伺 服 系 统的 控制 策略 1) 针对交流电机数学模型的控制策略，即传统的控制策略，如: p id 反馈控 制、矢量控制、直接转矩控制等。其中 p id 控制算法蕴含了动态控制过程中的过 去、现在和将来的 信息，而且其配置几乎为最优，是交流伺服系统中最基本的控制 方式，其应用广泛， 与其它新型控制思想相结合，形成了许多有价值的控制策略。 在对象模型确定、不变化且为线性，以及操作条件、运行环境确定不变的条件下， 采取传统控制策略是简单有效的。 2) 基于 现代控制理论的控制策略 15 ， 如: 自 适应控制、变结构控制、鲁棒控 制、预见控制等.现代控制策略考虑了对象的结构与参数变化、各种非线性的影 响、运行环境的改变以 及环境干扰等时变和不确定因素。 3) 基于智能 控制思想的控制策略 【 101 ，如: 专家控制、 模糊控制、 神经网 络控 制、遗传算法等。 智能控制策略具有不依赖于对象的数学模型、鲁棒性强的优点， 能够很好地克服伺服系统中模型参数变化和非线性等不确定因素的影响。 硕士论文转台伺服系统设计与仿真及自动装填装置程序设计 i j j 滑棋变结构概述 变结 构控制理论 在20 世纪50 年代末由 前苏联学者叶 米里亚诺夫倡导， 其后由 乌特金等追随 研究。 70 年代， 变结构系统以 其独特的 优点 和特性引 起了西方学者的 广泛重视，并进而被众多学者从不同的理论角度，运用各种数学手段对其进行了深 入的研究，使得变结构控制理论逐渐发展成为一个相对独立的研究分支。 变结构 控制 ( v 硕ables 。 ” c t o r e c ontl ” 1 ， v s c) 本质上是一类特殊的非线性控制， 其非线性表现为控制的不连续性。这种控制策略可以在动态过程中，根据系统当前 的状态 ( 如偏差及其各阶导数等) 有目的 地不断变化，迫使系统按照预定 “ 滑动模 态”的状态轨迹运动，所以又常称变结构控制为滑动模态控制 ( s liding m ode co n trol ， 翎c) ，即 滑模 变结构 控制 门 。 由于滑动模态可以进行设计且与控制对象的参数及系统扰动无关，就使得滑模 变结构控制滑模变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在 线辨识、物理实现简单等突出优点。对于复杂的交流调速系统，可以建立一个简单 的线性化模型，系统的复杂部分可以当作是对系统的摄动。 滑模变结构控制方法存在的突出问题是抖振问题。当状态轨迹到达滑模面后， 难于严格地沿着滑模面向 着平衡点滑动， 而是在滑模面两侧来回穿越，从而产生颤 动。 针对滑模变结构控制的研究主要集中在以下方面: 1) 滑动模态面的 设计 滑模面的设计主要是解决运动点到达滑模状态后的收敛速度，即动态快速性问 题。 2 ) 滑模变结构控制系统抖振的削弱 抖振问 题是阻碍 滑模变结构控制广泛应用的突出障碍，解决抖振问题实际上是 解决系统稳态的稳定性和精度问题。随着研究的不断深入，有效抑制抖振的技术不 断涌现，以满足高性能伺服系统所要求的动静态性能。 3 ) 滑模变结构控制与其它控制理论的结合 将预见控制、 模糊控制、神经网络控制、遗传算法等其它控制理论与滑模控制 相结合，相互取长补短，以解决变结构控制器固有的抖振对实际应用带来的困难， 这也是目 前滑模控制研究的方向之一。 i j j 神经网 络概 述 人工神经网络 ( a n i fi c i aln e u ra l n e 彻o rk s ， 八 洲) 是模拟人脑思维方式的数学模 型11 0 。 人工神经网 络是在现 代生物学 研究人 脑组织成果的基础上提出的， 它从微观 结构和功能上对人脑进行抽象和简化，是模拟人类智能的一条重要途径。 硕士论文 转台伺服系统设计与仿真及自 动装填装置程序设计 神经网 络具有一些显著的特点:具有非线性映射能力;不需要精确的数学模 型:擅长从输入输出数据中学习有用知识: 容易实现并行计算;由于神经网络由大 量简单计算单元组成，因而易于用软硬件实 现。 神经网络的应用使控制系统具有相 当 程度的智能，利用网络的学习能力和任意非线性映射的能力，通过对样本的训 练， 神经网 络可以实 现 对复杂系统的 辨识和 控制9 . 神经网络的特点表明它在解决高度非线性和严重不确定系统的控制方面具有巨 大的潜能。 从1 9 87年以 来，神经网络的 理论、 应用、实现及开发快速的发展，己 经 涉及神经生理科学、认识科学、数理科学、 信息科学等多学科交叉、综合的前沿科 学。 20 世纪 50 年代以来，神经网络和控制控制技术相结合，发展为自 动控制领域 的前沿科学，神经网络控制技术，为解决负载的非线性、不确定的系统的控制问题 开辟了新的途径，其在自 动化领域的主要应用有以下几个方面: 1) 系统辨识神经网络具有非线性和学习能力，基于神经网络的系统辨识，是以 神 经网络作为被辨识对象的模型，利用其非线性，来建立非线性系统的静态或动 态模型。 2) 神经网络控制器神经网络具有很好的自 学习和自 适应能力，可对难于建立精 确数学模型的控制对象进行实时控制，使其达到所要求的动态、静态特性。 3) 智能检测和诊断智能检测是指对干扰量的处理、传感器输入、输出特性的非 线性补偿、零点和量程的自 动矫正以 及自 动诊断的功能。随着智能技术的提高，神 经网络己 在复合检测、特征提取及识别方面，对综合指标的检测技术上逐渐渗透应 用，来完成数据的智能检测和分析。 神经网络控制理论与其他比较成熟的控制理论相比， 在控制系统方面的应用研 究，应着重解决以下几个方面的问题: 1) 目 前神经网络模型的通常采用 “ 离线学习、在线修正”的方法，而理想的训 练样本提取困 难。 如何直接在线建立对象的 模型一直是神经网络神经控制的一个热 点问题，需要寻求一种具有良 好的辨识精度且可以实时应用的神经网络在线辨识方 法。 2) 目 前神经网 络控制的基本应用模式是将神经网 络作为模型或控制器加入控制 回路中 ，通过学习实现对非线性系统的 控制。如何在实际中实施这个控制思想，是 控制系统必须研究解决的课题。同时 对于这种控制模式的稳定性、可控性等方面 理 论依据不足。由 于非线性系统的多样性、复杂性，以 及神经网络本身的非线性，更 使得问题的解决更加困难。 3 ) 必 须解决神经网 络快速学习速度较慢的问题，以满足控制实时性的要求。 4) 在逼近非线性函数的问题上， 现有的理论只解决了存在性问 题。 对于不同的 被控 制对象，如何选择合适的神经网络结构，目前还缺乏理论指导。 5- 硕士论文转台伺服系统设计与仿真及自 动装填装置程序设计 5) 复杂系统中常常存在大量不确定 性因素，神经网络要在复杂系统 控制中取得 成功应用，必须设法提高神经网络控制器的适应能力和控制系统的鲁棒性。 6) 寻求可全局收敛的快速学习算 法，以 满足系统实时控制性能的需 要。 7) 神经网络的大规模并行处理能力需要通过硬件才能解决， 所以 应当注重神经 网络硬件的研究，以便真正发挥神经网络的巨大潜能。 对上述问题的解决，一方面有待于神经网络理论研究的不断深入和发展，随着 非线性理论及优化方法的进一步提高不断的完善改进。另一方面，依赖于神经网络 系统实现的手段，硬件技术的不断提升，如利用具有快速运算能力的 璐p数字信号 处理芯片，并与控制理论相结合予于解决。 1 么4 pi 尤概迷 可编程控制器 (pl c) 是以微处理器为核心的工业控制装置，是在顺序控制器和 微机控制的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制 的专用计算机11 。 20 世纪 7 0年代由 于超大规模集成电路的出现，使 p lc 向大规模、高速性能方 向发展，形成了多种系列化产品。这时面向 工程技术人员的 编程语言发展成熟，出 现了工艺人员使用的图形语言。在功能上，p lc 已 可以代替某些模拟控制装置和小 型机的 d 戊 系统。进入八九十年代后，p lc 己发展成为一种可提供诸多功能的成熟 的控制系统，能与其它设备通信、可诊断自身故障及机器故障。上世纪 80 年代至 90 年代中期，是p lc 发展最快的时期，在这时期，plc在处理模拟量能力、数字运 算能力、人机接口 能力和网络能力得到大幅度提高，p lc 逐渐进入过程控制和运动 控制领域。 可编程序控制器总的发展趋势是向 高集成度、小体积、大容量、高速度、易使 用、高性能方向发展。具体表现在以下几个方面: 1) 向小型化、专用化、低成本方向发展 2 )向大容量，高速度方向发展 3 ) 在功能、 结构、编程语言等方面与计算机的联系愈发密切 4) 模块化发展迅速，使得功能进一步增强，设计进一步简化 5) 与计算机及p lc之间的通讯能力不断增强，网络应用普遍化 6 )产品标准化，技术标准化 7) 相配套的 工业软件发展迅速， 可靠性、易用性提高 硕士论文转台伺服系统设计与仿真及自 动装填装置程序设计 表1 .2. 1 工 控 机 与p l c 性 能 比 较 一 览 表 2 工控机i p c p l c 操作性对于硬件的一些编程较为复杂，但可 以借助软件功能扩充 采用面向 用户的指令， 编程方便，主 要以 梯形图为主， 程序有通用性 可靠性工控机能在恶劣环境中工作，故障率 低， 可维修性好， 抗干扰性不如p lc 抗干扰性特别是抗电源干扰能力较 高，系统软件具有很好的可靠性 移植性受其自 身限制，可移植性质较差适合多种工业现场，有较好的移植性 工作方式多为中断处理串行通道顺序控制，循环扫描 实时性由于 代 机的采用，实时性明显优于 p 比 p 比 大多都是晶体管输出类型实时性 不高。要受每步扫描时间的限制 接线接线涉及到板卡，所以较为复杂，容 易出错 接线较为简单，配置 u o模块非常清 晰 扩展性具有强大的输入输出功能，能与运动 卡和其他外设、板卡等相连 要增加一个功能只要增加相应得模块 和修正对应的程序，比较方便 故障诊断利用看家狗技术能在系统出现故障时 迅速报警，并在无人干预的情况下， 使系统自 动恢复运行。但很难诊断出 故障元件及元件，使维修周期增加 本身有很强的自 诊断功能，一旦系统 出现故障，根据自诊断很容易诊断出 故障元件，减少了出事故后的故障恢 复时间 多种控制可以充分发挥计算机的多任务性特 点， 从而非常好的实现各种控制 可以实现过程，运动控制，顺序控制 等，最大优点还是逻辑控制 i j 本文的内 容安 排 第一章为绪论， 简要地介绍了交流伺服系统与 plc的发展，归纳了 滑模变结构 与神经网络的控制策略研究现状。 第二章进行了转台伺服系统的总体设计，详细介绍了硬件的组成与软件的实 现。 第三章分析了 p m s m的数学模型，采用转子位置定向的矢量控制方法，在 m a t l a bl s i mull nk环境下构建了p m s m 伺服系统的 仿真模型， 并应用常规p id控制与前 馈控制进行了仿真。 第四章引入了 滑模变结构控制方法，并针对p m s m 系统设计了一个滑模速度控制 器，并给出了仿真结果。 第五章针对滑模变结构控制的抖振问题，设计了 咫f神经网络滑模位置控制 器，在提高原有性能的情况下，进一步削弱了抖振。 第六章介绍了自 动装填装置的组成和工作原理，设计了电控系统 p lc 程序，根 据实际 运行需要， 提出了 一套自 动化解决方案，并进行了 测试。 硕士论文转台伺服系统设计与 仿真及自 动装填装置程序设计 线设置， 所有资源均自 动配置，并且所有的输入、输出信号都用光电隔离，提高了 控制卡的可靠性和抗干扰能力。 在软件方面运动控制卡一般都提供了丰富的运动控制函数库，以满足不同的应 用要求。用户只需根据控制系统的要求编制人机界面，并调用控制卡运动函数库中 的指令函 数，就可以 开发出既满足要求又成本低廉的多轴运动控制系统。 将运动控制卡插在工控机的is a或pci 扩展槽上， 就可以组成高精度运动控制 系统，位置反馈信号的采集、闭环控制计算及控制量的输出均由 运动控制卡完成， 极大地提高了运算速度和控制响应速度。卡上专用 c p u与 代 机c pu 构成主从式双 cpu 控制模式。 pc机c p u 可以 专注于人机界面、实时监控和发送指令等系统管理工 作;卡上专用c p u 用来处理所有运动控制的细节，无需占 用pc机资源。 本系统选用d a s 公司型号为p i s 于ps3 00 的基于p cl 总线的可编程三轴运动控制 卡13 9 ， 其结 构如图 2. 3. 1 所示。 图 2 3. 1 运动控制卡结构框图 其主要特点有: . 可控制3 轴步进和伺服电 机 . 3 2 位pcl 总线，即插即用 . 最大输出脉冲频率i mhz . 多轴同时 起停， 运动中 可实时变速 . 全部1 /0 口 光隔离， 耐250()v r ms电 压 . 具备软/ 硬件方式紧急制动，极限开关保护功能 . 使用硬件数字微分解析技术 ( d d a )实现精确位置控制 . 缓存有延时功能，适合win ix)叨 5 操作系统应用 硕士论文转台伺服系统设计与仿真及自 动装填装里程序设计 支持矶nd，sgx/z ooo/nt应用开发 高集成度，高可靠性 : 2 月 班动器与伺服电 机 该系统的驱动器 ( 包括电源模块)与电动机部分均选用 kol l m o r g e n公司 gol d l ine 系列交流伺服电动机和与之相适应的b 咙5 系列全数字交流调速驱动器。 永磁同步电机具有下列优点:无电刷和滑环、低转子损耗，较高运行效率。同 样体积下可输出更大的功率:转动惯量小，可获得较高的加速度;转矩脉动小，可 得到平稳的 转矩， 尤其在极低的速度下能满足有高精度位置控制的要求;零转速时 有控制转矩，可做到高速运行，效率、功率因数高。 执行电机型号为 m-4 03b-b i 一 b3，是中等惯量的永磁同步无刷伺服电 动机。它采 用高能烯土材料钦铁硼作为永磁材料，具有体积小的特点。电动机具有卓越的连续 力矩和峰值力矩特性，且能在严酷的工业环境中可靠地运行。电动机采用h级绝 缘，绕组寿命较长。其轴承预先加载，使轴承工作寿命更长。电动机设计在正弦波 电流放大器驱动下工作，因而能提供最平滑的低速性能。另外，电动机绕组内装有 热保护器，能有效地防止过热现象的出现。 驱动器型号为b d s s a-2 4 0 一 0 0 0 1 0 6 0 5 c 一 2 ，相应的电源模块型号为p s r 4 / 5 a-2 2 0 - 0003。主要用来给 b d s s驱动器提供 3 25v的直流总线电 压和 18v的直流及 i o v的 直流逻辑电 源。电 源模块的输入为线电压 230 v的三相交流电，每相输入电流最大 为 1 2a。 此电源模块己 经ul认证，具有软启动电路、输出故障继电器保护和再生熔 断 器 或 过 载 继电 器 保 护 阅。 碑 b dss系列为 全功能、高性能的 无刷位置控制伺服驱动器， 它集成度高、 体积 小，是同类产品同等功率中体积较小的一种，且功能全，把位置控制器、伺服放大 器、输入/ 输出接口、串行通信等集成在一个系统中，代表了当代永磁交流伺服系统 驱动器的 最新水平。如图2. 4. 1 所示， 它的主要组成单元有: . 高性能的16位微处理器。 . 单片12位 ( 可选14位/ 16位)的旋转变压器一 数字转换器 ( 即c )。 . 配有犯kxs 位非易失性r a m 存储器。 . 装有砚k 沈 8 位已固化的系统管理、通信及控制程序的e p rom 存储器。 . rs一 232串行通信接口，也可跳接成rs一 4 2 2/4 85接口。 . 5 位1/0( 标准)，可扩展至32位1 /0接口。 . 电 流环补偿模块。 . ig bt 晶 体管组成的功率单元。 硕士论文转台伺服系统设计与仿真及自动装填装置程序设计 l 滋 b dss 驱动器的主要特点有: 1 ) 具有多种操作模式。既可通过微机和它进行交互式操作，又可上电后自动执 行己有的调转指令集，还可通过模拟量输入口 把它作为模拟驱动器来使用，并可通 过改变内部两参数 g e 冉 r l / gea ro 的值来改变系统的驱动能力。本系统就是用其模拟 量输入口来完成驱动电机的伺服动作的。 2 ) 超级伺服回路控制。 b dss提供平稳、高分辨率的速度和位置控制，其定位 回路彻底消除了通常系统所具有的数字抖动现象，长时间工作速度稳定度可达 0 01% 。 不仅如此， 还可通过对内 置参数kv、 kvi 及kprop 的调整， 来调整系统的响 应带宽和阻尼比。 此外，通过内部设置参数a c c ， d e c 可以使系统的启动加速度和制 动加速度在零和最大值之间变化。 3 )自 诊断功能。b d s s提供全套的出 错诊断过程。当系统出错时，如果处于交 互状态，则会在计算机屏幕上显示出错信息并终止系统的运行。如果在上电时出现 故障，则可以通过 c pu 指示灯的闪烁次数来判断故障类型。它还提供了在运行过程 中的全而保护措施，如过电流、过电压、超温、超速等，使系统运行更加安全可 靠。 2 占 植洲元件 检测元件主要用于轴角编码反馈， 通常由 旋转变压器、 旋转变压器一 数字转换器 ( r 戊) 或自 整角机、自 整角机一 数字转换器 (soc)组成，以完成数字伺服系统输出 轴位置的 测量并将其转换成二进制码， 实现系统位置反馈。 一1 2- 硕士论文转台伺服系统设计与仿真及自 动装填装置程序设计 旋转变压器是一种输出电压随转子转角成一定函数关系的控制微电机，主要用 于坐标变换、三角运算和角度数据传输。按输出可分为正余弦旋转变压器 ( xz)、 线性旋转变压器 ( x x) 、比 例式旋转变压器 ( xb)。 b dss驱动器内 置的旋变可在调 试阶段实现半闭环控制。 自 整角机是一种用于无机械连接的转角传递的交流控制电机，其输出电信号是 转子角度的函数或转子角度是输入电信号的函数。广泛应用于交流伺服系统中作为 角度数据的远距离发送、接收和变换。自 整角机常见的是控制式和力矩式。前者用 于随动系统的误差测量装置，后者用于带动仪表指针刻度盘等轻微负载实现同步数 据传送。 在伺服系统中，一般自 整角机以 变压器方式工作，用于检测误差角信号。这时 它有两个输入信号和一个输出信号，两个输入信号代表两个机械上不相连接并且可 以相距较远的转轴转角。如果忽略自 整角机所产生的微小相移，则输出误差电压的 相位与电源电压的相位相同，幅值与输入信号的角度差成正弦关系，当角度差小于 30 度时成比例关系。故作为误差测量元件的变压器式自整角机的作用相当于比例器 和比较器的结合。 自整角机也可以用于检测伺服系统的绝对角位置。当转子与伺服系统的输出轴 相连接，则转子的 位置就代表克输出 轴的绝对位置。自 整角机的定子上装有空间上 互成 1 20 度夹角的三相绕组。 三个绕组感应电压的大小在空间角度上相差 1 20 度， 而在时间相位上并无差别，是同相的。在转子两端接上励磁电源，当转子转过一个 角度时，三个定子绕组上就会感应出电 压， 把这三个电 压送入 s oc 模块，由后者进 行模数转换和处理就能得到转轴的数字式绝对角位置。 为了提高测量精度，在伺服系统中通常采用两个自整角机通过粗精组合组成双 通道轴角编码装置，它们之间的速比可以通过粗精两转轴之间的减速齿轮来调节， 速比一般在20一 0 之间。 2 石 转合伺服系统软件实现 转台伺服系统软件由 工控机软件与运动控制卡软件组成，以 前、后台程序的方 式运行。 前台程序是一个实时中断服务程序，后台 程序是一个非实时循环程序。在后台 程序循环运行的过程中，前台的实时中断程序不断定时输入，二者密切配合。程序 一经启动，经过一段初始化程序后便进入后台程序循环。同时开放定时中断，每隔 一定时间间隔发生一次中断，执行一次实时中断服务程序，执行完毕后返回后台程 序， 如 此 循 环 往 复 ， 共 同 完 成 全 部 功 能 tzll。 工控机软件是对应于操作系统的通用性应用软件，在 windos环境下可完成下 硕士论文 转台伺服系统设计与仿真及自 动装填装置程序设计 列非实时任务:系统运动指令的设置;在线调整系统的可控参数 ( 如 p id 参数的自 整定);系统动态响应分析和运动轨迹的显示;系统运行模式选择 ( 手动/ 自 动)和 常规操作 ( 启动、文件处理和紧急停机等):人机界面管理。这些任务可以利用 叭ndos 多 任务 和中 断 技 术实 现， 并 采用高 级语言 编 程完 成1221。 多任务是通过在不同 任务中共享 c p u时同时运行一个以上的 程序或任务，这是 wind佣5操作系统的 一个特性。多进程、多线程是抢占 式操作系统的 重要特征，所 有犯位的w indo”操作系统都支持这种特性. 在实际应用中， 可以 将不同的 任务放 在不同的线程中进行通过线程间的同步机制来达到高精度定时的目的。 windows操作系统是基于消息机制来工作的，消息响应函 数可以 用来实现需周 期性完成的事件。但作为一种低优先级的消息，在消息对列中总被放到最后，在系 统忙时，这种消息发生的频率是不固定的，甚至出现丢掉该消息的问题，因此不能 满足系统实时性的要求。采用虚拟驱动对硬件进行中断，实现准确定时，可得到 1 0kh z的准确时间。但其编程较为复杂，涉及对内存的操作，容易导致内存泄漏， 出错几率增加，从而影响系统的稳定性。暇n do” 的多媒体扩展还包括一个高精度 的多媒体定时器，它不依赖于 w i nd佣5的消息。由于多媒体定时器能得到底层 a p i 支持，获得精确的系统时间，可用它来周期性地执行一个事件。另外，应用多媒体 定时器编程简单，开发系统时采用多媒体定时器来解决实时性问 题时间间隔最小值 为 l m s o 运动控制卡软件是依板卡构成编制的专用软件，按预先设定的中断时间周期地 执行各种运动控制指令， 如图2. 6. 1 所示。 图 2. 6.1运动控制卡工作流程图 硕士论文转台伺服系统设计与仿真及自 动装填装置程序设计 3转台伺服系统建模与仿真 1 1永右同 步电 机的 致学 摸型 永磁同步电机 ( 四sm)的定子和普通电励磁三相同步电动机的定子是相似的。 如果永磁体产生的感应电 动势 ( 反电动势)与励磁线圈产生的感应电动势一样，也 是正弦的，那么p m s m 的数学模型就与电励磁同步电动机基本相同。 普通永磁同步电动机的定子上有 a 砚 三相对称绕组，转子上安装有永磁体，定 子和转子通过气隙磁场，存在电磁祸合关系。 转子 企q同步旋转坐标系是分析永磁同步电机数学模型常用的坐标系，如图 3. 1 . 1 所示。图中假定了定子电流的正方向，正向电 流流进相绕组产生的正弦分布磁 通势波的轴线就是该相绕组的轴线。 图 3 . l l 永磁同 步电 机转子坐标系 a ，一 相绕组轴线bs一b 相绕组轴线cs一c 相绕组轴线 凡 ， f 厂 一 空间矢量a x 一a 相线圈b 卜一 b 相线圈cx一c 相线圈 假定相绕组中反电动势的正方向与电流正方向相反，取转子反时针旋转方向为 正。用固定于转子的参考坐标系描述和分析它们的稳态和动态性能是十分方便的。 此时 取永磁体 基波磁 场的 方向 为d 轴，而q 轴顺 着旋转方向 超前d 轴9 00 电 角度， 就建立了固定于转子的参考坐标系，由于其固定于转子，所以 坐标系的旋转速度即 为转 轴 速度. 转子参 考坐 标系的空间 坐标以q轴与固定轴线间的电 角 度来确定。 在 不同 坐标系下产生的 磁势相等的原则下， 可以 将电 机的三相绕组等效为 d 一 q坐标系 下的两相绕组。 在以 下推导中，建立如下模型假设: 一1 5- 硕士论文 转台伺服系统设计与仿真及自 动装填装置程序设计 1) 忽略饱和效应; 2 )电动机气隙磁场均匀分布，感应反电动势呈正弦波状; 3) 磁滞及涡流损耗不计; 4 )励磁电流无动态响应; 5 ) 转子上无励磁绕组。 从固定坐标系到旋转坐标系的转换如下: s i n ( 口 + c o s ( ( 3 。 1 ) ，lesesesesweesj .几，枯.ic res.ee.性11.eel 门.lselesj 汤一内j如一3 2一产:2一. +一通一 内，0!们， 8夕!划， .姗05 sc sins耐厂行 厄朽 一 ，.1.esl 勺肠与 resesse，eslj 以转子参考坐标系表示的电压方程为: “ ， = r 、 + 鲁一 衅 、 = * “ + 争一 、 。 ( 3 2 ) ( 3 . 3 ) 磁链方程为: 妈 = 几几 + 妈 ( 3 . 4 ) 甄= 气 几 式中: ud，叮一 d 轴、 q 轴电 压: 玩 牙一 d 轴、 q 轴电 流: r 一定子相电阻; 。 、 - - 电机转子电角速度; 犷一 永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的 磁链。 电磁转矩方程为: ( 3 。 5 ) 兀= p 。 娇几 +(与一 气)i.1， ( 3 . 6 ) 代入磁链方程有: 飞= 几 竹枯 +(与一 乓)i. 切 ( 3 . 7 ) 电机运动方程为: 硕士论文转台伺服系统设计与仿真及自动装填装置程序设计 : 一 : 十 、十 ， 鲁 ( 3 。 8 ) 式中: pn-一 电 机极对数; t . ee 一 负载转矩; b 一粘滞摩擦系数; 。 口 一 一 电机机械角速度; j-一 电机转子以及负载折算至电机上的总转动惯量。 机械角速度与电角速度之间的关系为: 吸 =p ， 此 ( 3 . 9 ) 由以上四s m的电 压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程，且假设转子为圆筒 形 ( 玩 = 绮)， 得d 一 q 坐 标系 上的pmsm状态方 程为: 十 乃胜.1!ij .马.与口 rlesl.1.lesl 一r/ l p 。 口 1 .5 夕 ， ， 黔i j 一p ， 口 一ri l 0 一 外/ l 0 一b/ j一 p ， 双/ j ( 1 0) -一 leeleeesesj 肠.如山 干.1几.wel 3 2 永磁同 步电 机矢 里 控制 矢量控制思想是由 德国学者与 1 卯2年提出的，首先应用于感应电动机 ( i m ) 中。矢量控制的原理和方法同样可应用于永磁同步电动机 ( 即s m) ，同时由于永磁 同步电 动机中不存在转差频率电 流， 参数敏感性低等原因， 使矢量控制在pms m中更 容易实现。由于在p m s m定子侧的各物理量 ( 电压、电 流、电动势、磁动势)都是交 流量，其控制矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算均不方便。因此，需 借助坐标变换使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，使控制矢量都变成 直流量，对直流量进行控制，最后再经过坐标逆变换将直流量还原成交流量。 在他励直流电动机中，励磁磁场和电枢磁通势间的空间角度由电刷和机械换向 器所固定。通常情况下，两者正交。因此电枢电流和电磁转矩间存在线性关系。通 过调节电枢电流就可以直接控制转矩。对于永磁同步电动机，由于励磁磁场与电枢 磁通势间的空间角度不固定，随负载变化而变化，这将引起磁场间复杂的作用关 系，因此不能简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩。如果通过电动机外的 控制系统，即通过外部条件能对电枢磁通势相对励磁磁场进行空间定向控制，就可 以直接控制两者间空间角度，将此称为磁场 “ 角度控制”。若对电枢电流的幅值也 直接控制， 将此称为 磁场 “ 幅值控制”。 就可将永磁同步电 动机模拟为 厂台他励直 流电动机，且可以 获得与直流电动机同样的调速性能。由于既需要控制定子电流空 间向 量的相位，又需要控制其幅值，所以 称为 “ 矢量控制”。 一1 7- 硕士论文转台伺服系统设计与仿真及自 动装填装置程序设计 在角度控制中， 一 个特殊选择是使电枢磁通势与励磁磁场间的角度为 卿。 ( 正 交)，这种情况称为“ 磁场定向”。通过磁场定向， 可以 获得良 好的去祸特性， 使 每安培电 枢电 流产生的电 磁转矩最大，实现了 对直流电 机的严格模拟。 三相永磁同步伺服电 动机的模型