（机械工程专业论文）基于arm的嵌入式可重构数控系统运动控制器的研究.pdf

摘要 数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是现代先进制 造技术的核心，对机电工业及国民经济的发展具有十分重要的作用。随着当今微 电子技术和计算机技术的发展，大量高性能嵌入式处理器应用于数控系统，从而 使数控技术的发展进入了嵌入式数控的阶段。嵌入式数控系统的开放性、模块化 和可重构设计是这几年数控技术领域研究的热点方向。 本论文首先从课题背景出发，研究了数控技术的发展现状和发展趋势，深入 探讨了嵌入式技术和可重构技术及其应用，并在此基础上提出了基于a r l v l 构建 嵌入式可重构数控系统，系统采用3 2 位a r m 嵌入式微处理器与运动控制芯片 s t m 3 2 f 1 0 3 + f p g a 的主从式双a r l v l 并行的控制模型。本文主要完成了系统的硬 件平台电路设计、硬件模块实现和板级调试，运动控制算法在f p g a 上的实现以 及搭建嵌入式l i n u x 数控系统软件开发平台等工作。本课题的主要研究内容有以 下几个方面： 1 、深入了解运动控制理论、运动控制方法，研究伺服系统控制过程及其结 构组成，并对机械进给驱动系统进行数学建模及m a t l a b 仿真，为进一步开发 数控系统运动控制器作理论基础。 2 、开发基于a r m 的嵌入式可重构数控系统硬件电路，分为三大部分：主 a r i v l 处理器电路部分、运动控制电路部分和两者之间通过双v i r a m 通讯的电路 部分。系统采用模块化设计方法，各功能模块可以根据不同的应用对象和加工需 要等条件进行裁减、组合，并利用s t m 3 2 的i a p 和f p a g 的i s p 技术，实现数控系 统软硬件可重构。 3 、研究运动控制模块在f p g a 中的实现，将运动控制按功能划分成各个运动 控制模块，采用i p 复用技术，将各个功能模块封装成i p 核，并对各个模块进行算 法研究、算法验证。 4 、搭建嵌入式l i n u x 数控系统软件开发平台，移植引导程序u b o o t 和l i n u x 操 作系统，并在此基础上进行数控系统软件开发。 关键词：a r m ，数控系统，运动控制，f p g a ，可重构，嵌入式l i n u x ，s t m 3 2 a b s t r a c t t h en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi st h eb a s eo fw h i c hm a n u f a c t u r i n gr e a l i z e st h e a u t o m a t i o n ，f l e x i b i l i t ya n di n t e g r a t i o no fp r o d u c t i o n ，a n da l s oi s t h ec o r eo fm o d e m a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , w h i c hp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e i nt h e m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a li n d u s t r ya n dt h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y n o w a d a y s ，a st h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h em i c r o e l e c t r o n i c sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , al a r g en u m b e ro fh i g hp e r f o r m a n c ee m b e d d e dp r o c e s s o r sa r eu s e di nt h en u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e m , w h i c hm a k e st h ed e v e l o p m e n to ft h en u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g y i n t ot h ee m b e d d e dc n cs t a g e r e c e n t l y , t h eo p e n n e s s ，m o d u l a ra n dr e c o n f i g u r a b l e d e s i g nm e t h o do ft h ee m b e d d e dc n cs y s t e mi st h er e s e a r c hf o c u si nt h ef i e l do f t h e c n ct e c h n o l o g y f i r s t ，s t a t i n gf r o mt h eb a c k g r o u n do ft h es u b j e c t ，t h ep a p e rs t u d i e dt h ec u r r e n t s i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h ec n ct e c h n o l o g y , d e e p l yd i s c u s s e dt h e e m b e d d e da n dr e c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ea p p l i c a t i o n ，a n dp r o p o s e dt ob u i l d a r mb a s e de m b e d d e da n dr e c o n f i g u r a b l ec n cs y s t e mo nb a s eo fi t ，w h i c hu s e dt h e m a s t e r s l a v ep a r a h e ld o u b l ea r mc o n t r o l l i n ga r c h i t e c t u r eo f3 2 一b i ta r me m b e d d e d p r o c e s s o ra n dm o t i o nc o n t r o lm i c r o c o n t r o l l e rs t m 3 2 + f p g a t h et h e s i sm a i n l y c o m p l e t e dt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no ft h es y s t e m , t h er e a l i z a t i o no fh a r d w a r e m o d u l e s ，t h ec o m m i s s i o n i n g ，t h ea l g o r i t h mr e a l i z a t i o no fm o t i o nc o n t r o lb a s e do n f p g aa n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h ee m b e d d e dl i n u xn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m , e t c t h em a i nr e s e a r c ht o p i c si nt h ep a p e r w e r ea sf o l l o w s ： 1 、t h em o t i o nc o n t r o lt h e o r ya n dm e t h o d s ，a n dt h es e r v os y s t e mc o n t r o lp r o c e s s a n di t ss t r u c t u r ew e r er e s e a r c h e d a n dam a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nf o r t h em e c h a n i c a lf e e dd r i v es y s t e mw a sm a d et ob et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to f t h ec n cm o t i o nc o n t r o l l e r 2 、t h eh a r d w a r ec i r c u i to fa r mb a s e de m b e d d e da n dr e c o n f i g u r a b l ec n c s y s t e mw a sd e s i g n e d ，w h i c hi s d i v i d e di n t ot h r e ep a r t s ：t h em a s t e ra r mp r o c e s s e r c i r c u i t t h em o t i o nc o n t r o lc i r c u i ta n dd u a l r a mc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e m m o d u l a rd e s i g nw a su s e da n de v e r yf u n c t i o n a lm o d u l ec o u l db ec u ta n dc o m b i n e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n to b j e c t sa n dm a c h i n i n gn e e d sa n do t h e rc o n d i t i o n s a n dt h ei a p t e c h n o l o g yo fs t m 3 2a n dt h ei s pt e c h n o l o g yo ff p g aw e r eu s e dt or e a l i z et h e r e c o n f i g u r a t i o no fc n cs y s t e m h a r d w a r ea n ds o f t w a r e 3 、t h er e a l i z a t i o no fm o t i o nc o n t r o lm o d u l e sb vf p g aw a ss t u d i e d a n dh e r e e v e r ym o d u l ed i v i d e db ym o t i o nc o n t r o lf u n c t i o nw a se n c a p s u l a t e di n t oi pc o r e ，f o r w h i c ha l g o r i t h m sr e s e a r c ha n dv a l i d a t i o nw a sm a d e 4 、t h ee m b e d d e dl i n u xc n c s y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mw a sb u i l d ， a n dt h eb o o tp r o g r a mu - b o o ta n do p e r a t i n gs y s t e ml i n u xw e r et r a n s p l a n t e d ，a n do n t h eb a s eo f w h i c ht h ed e v e l o p m e n to fc n cs y s t e ms o f t w a r ew a sc a r r i e do u t k e y w o r d s ：a r m ，c n c ，m o t i o nc o n t r o l ，f p g a ，r e c o n f i g u r a b l e ，e m b e d d e d l i n u x ，s t m 3 2 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 数控技术是机械制造技术，信息处理传输技术、传感器技术、伺服驱动技术、 自动控制技术等多种学科的交叉集成，在整个现代化制造系统中处于核心地位， 对机电工业及国民经济的发展具有十分重要的作用 1 。2 。数控技术是当今先进制 造技术的核心技术，数控技术的发展已成为衡量一个国家制造技术水平和工业发 达水平的重要指标【3 】。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各 国加快经济发展、提高国家综合国力和地位的重要途径 4 】。因此，作为世界制造 业大国的中国，必需大力发展数控技术 5 。 我国的数控技术起步于1 9 5 8 年，经历了从封闭到引进再到产业化的过程 6 。 目前，国产数控系统已经占领了一定的市场份额，出现了一批具有一定生产规模 的企业，如华中数控、航天数控、广州数控、凯恩帝数控等企业已形成具有一定 知名度的自主品牌【7 。虽然部分实力较强的国产数控企业已推出了高档数控系 统，但与国际先进水平尚存在一定的差距，国产数控系统还主要装备于中低档的 数控机床 8 。当前世界上应用最为广泛的数控系统仍然是德国西门子公司和日本 f a n u c 公司的数控系统。 数控系统是高端装备控制的核心【9 。10 1 ，为了振兴我国装备制造业，突破核心 技术，提高重大技术装备研发设计水平，我国在十二五规划中明确要重点对高档 数控机床及数控系统进行攻关j 。根据国家中长期科学和技术发展规划纲要 ( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) ，高端数控机床的发展将被提高到国家战略的高度f 1 2 1 。 当前，数控技术正在发生深刻的变革，高速高精加工、多样化的控制对象和 控制平台以及越来越复杂的加工要求是未来数控技术的发展趋势，这对数控系统 的开发提出了更高的要求，传统的设计方法已不再适用，模块化，开放式，可重 构设计等概念相继被提出并实施，数控系统的开放性、模块化和可重构设计方法 对此提供了优秀的解决方案，是近几年数控技术领域研究的热点方向【1 3 - 1 4 。 1 2 数控技术及其发展 白1 9 5 2 年第一台数控机床在美国诞生起，数控系统经历了数控( n c ) 禾t l 计算机 第一章绪论 数控( c n c ) n 个阶段的发展【l5 i 。同时在硬件架构上，数控系统也在不断更新换代， 从第一代采用电子管起，历经了采用晶体管、小规模集成电路、小型计算机技术， 到1 9 7 4 年左右发展到采用微处理器的专用n c 阶段。9 0 年代初期，p c 机的性能已 经发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求，数控系统从此进 入了基于p c 的阶段。口前，基于p c 的数控系统主要有以下几种类型1 6 。1 8 】： ( 1 ) p c 嵌x n c 型 该类系统是把p c 嵌入至i j n c 内部，n c 与p c 之间通过专用总线连接，可以实现 计算机的部分软硬件资源共享，但计算机仅作为人机界面的运行平台。由于这种 数控系统的n c 部分由厂家自行开发，专用性较强，只在共享p c 软件和硬件资源 的层面上实现了开放，无法实现运动控制核心模块的接口开放。这类系统结构复 杂、功能强大，价格昂贵，如f a n i7 c1 6 0 i 1 8 0 i 2 1 0 i 系统、s i n u m e r i k8 4 0 d 系 统等。 f 2 ) n c 嵌入p c 型 这是完全采用p c 机作为硬件平台的数控系统，通常采用“p c + 运动控制卡” 的结构模式，p c 为系统的核心，运动控制卡插入至i j p c 机的扩展槽中完成数控系 统的功能，结构如图1 1 所示。p c 为上位机，主要完成数控代码译码、动态显示、 程序编辑、输入输出等弱实时性任务，运动控制功能由下位机运动控制卡完成， 主要完成插补计算、位置控制、速度控制等强实时性任务，运动控制卡与p c 机 通过总线方式或双口通信方式进行通信。总线形式上主要有i s a 接口、p c i 接口、 p c i 0 4 接口、v m e 接口幂u u s b 接口等。其典型系统如深圳固高科技有限公司用 “p c + g t 系列运动控制器”实现的开放式数控系统等。 j 惫甑甑乞孬习 一7 ，厂币酾荪闲 数控机床控制卡设备驱动歹丁l 二 图1 1n c 嵌入p c 型数控系统 ( 3 ) 全软件( s o f t ) 型 基t s o f i 型的数控系统给用户提供了很大的灵活性，所有的数控功能( 包括 插补、位置控制等) 全部都是由计算机软件来实现的，用户可以灵活地组态c n c 功能模块，也可以利用系统提供的r t 具软件定制自己需要的特殊功能，以满足从 第一章绪论 普通机床、) j n - c 中心到各种特殊类型机床的复杂控制。而硬件部分仅是p c 与伺 服驱动和外部i o 之向的标准化通用接口，如图1 2 所示。这是目前最具生命力的 开放体系结构数控系统，是未来基于p c 数控系统发展的重要趋势，其性价比较 高，一般基于w i n d o w s 系统，使用简单，操作方便。其典型产品有美国m d s i 公 司的o p e nc n c 、德匡1p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 工业控制计算机 i p c jl 数控内核模块内核 灾件 接口卡驱动程序 】调度 1r t 彳 弋夕 ji p c i 接口板卡1 接口 t 么 更件 弋7 知 伺服系统及硬件设备 1 图i - 2 全软型数控系统 层 到9 0 年代未，随着电子技术的飞速发展，计算机技术开始进入后p c 时代，其 突出特点是计算机以嵌入式的形式开始渗透到我们工作和生活的各个角落。数控 系统也不例外，正逐渐朝嵌入式方向发展【19 1 。嵌入式系统或技术，目前还没有统 一的定义，但一般可以认为是“以应用为中心，以计算机技术为基础、软硬件可 裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专 用计算机系统” 2 0 - 21 ，其是近几年发展最快的技术之一。经过这些年的发展，嵌 入式系统已由8 位、1 6 位单片机发展至1 j 3 2 位、6 4 位处理器【2 引。以3 2 位嵌入式处理 器为核心的嵌入式系统具有体积小、功耗低、结构紧凑、功能完备、集成度高、 可靠性好等优点，其应用方面已相当广泛，而成本方面却比p c 机低很多。因此， 最近几年嵌入式数控技术开始在数控领域崭露头角1 2 3 | 。 1 3 嵌入式数控系统国内外发展现状 在国外，美国、曰本、德国以及荷兰等发达国家都在进行嵌入式数控产品的 第一章绪论 研究与开发 2 4 - 2 5 ，这里以德国e c k e m a n n 公司研发的嵌入式数控产品 e e n c 5 5 为例。这是一种新型高性能模块化的数控系统，硬件结构上采用基于 微处理器a r m + d s p 架构，采用高性能的3 2 b i tm p g 5 5 5 控制器，系统人机界面是 基于嵌入式w i n d o w s 系统，且完全向用户开放。该系统可编程范围广，并支持用 户添加的白定义指令；为用户提供1 2 个数控加工轴接口通道，可同时进行6 轴联 动插补；集成完善的p l c 模块，支持多种编程语言，遵循i e c 6 1 1 3 1 3 标准【2 6 | ， 提高了系统的编程能力和适用范围。同时利用t c p i p 以太网协议、p c m m i 技 术以及c a n 现场总线技术，该系统可与多台数控加工设备相连，实现数控设备 的分布式控制。与传统的数控系统相比，该系统完全独立于p c ，是一种真正意 义上的高性能的嵌入式数控系统【27 | 。 与国外相比，目前国内嵌入式数控技术的研究n u 网t 起步，主要还处于预研阶 段【28 1 。但是已经有一些企业与高校以及相关科研机构合作，进行嵌入式数控产品 研究工作的探索，如广州数控有限公司与北京航空航天大学智能技术与装备实验 室于2 0 0 3 年合作开发了的一款嵌入式数控系统。该系统软件平台采用p c o s i i 实时操作系统加p c g u l 人机界面，硬件部分采用a i 蝴+ f p g a 架构，以嵌入式 a r m 微处理器为核心，f p g a 实现外围接口电路。 由此可见，将嵌入式技术与数控技术结合起来，研发嵌入式数控系统是2 1 世 纪数控技术发展不可阻挡的趋势之一【2 们。 1 4 可重构技术 3 0 - 3 6 在传统的设计方法中，数控系统的设计主要是针对固定的产品进行设计和性 能优化，属于封闭式架构 3 。这样设计出来的数控系统虽然具有一定的适用性， 但在面对更高性能的设计和在更新功能的设计中，后期会有很多重复性工作需要 进行。而且为了应对更多控制环境，数控系统内部往往集成了大量冗余的功能。 这样不但浪费资源，也很难保证高可靠性。针对这些问题，模块化设计，开放式 设计，可重构设计等概念相继提出并实施。可重构数控系统这种新兴技术对于实 现数控系统的高性能，多功能和高可靠性等方面能够提供了优秀的解决方案，将 具有良好的应用前景 3 8 - 3 9 。 可重构技术按照字面理解是系统具有能够进行重新配置的能力，即在不改变 系统硬件架构的前提下，根据用户的各种要求，灵活地改变自身体系结构的设计 方法。可重构系统一般具有如下特点【4 0 ： 1 、具有快速重新配置的能力； 2 、采用了模块化的设计； 4 第一章绪论 3 、具有规范的接口； 4 、根据需求可修改、增加、减少系统功能； 5 、能够实现资源的重复使用。 数控系统的可重构包含两个方面，即软件系统的可重构和硬件系统的可重 构。对于数控系统的硬件可重构，为保证底层硬件的开放性和模块化，应可以容 易地对系统硬件进行重新配置，从硬件底层上为构建具有层次化结构的数控系统 提供结构基础，以适应不同需求 4 1 1 ，目前比较热门的是对以现场可编程门阵列 f f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 为代表的硬件逻辑的可重构技术研究；对 于数控系统的软件系统而言，目前研究方向主要是软件复用技术，即采用中间件 等支持技术对软件功能模块进行不同粒度的封装，实现软件系统的模块级重构， 使同一系统根据不同的应用需求配置相应的软件模块，从而可面向多种设备使 用。在嵌入式数控系统的开发过程中采用可重构的设计方法，既可以满足嵌入式 数控系统的模块化、可扩展、可集成等要求，又缩短了数控系统的开发周期，减 少了开发投入，同时也提高了数控系统的可靠性 4 2 1 。 1 5 课题研究概述及论文的主要内容 1 5 1 课题研究概述 本课题研究的目的是在数控系统中应用嵌入式和可重构技术【4 钔，采用3 2 位嵌入式a r m 微处理器与运动控制芯片s t m 3 2 f 1 0 3 + f p g a 构成的主从式双 a r m 并行的控制模型，两个a r m 功能上相对独立，各自执行相应的任务，这样 设计可以降低系统对主a r m 的性能要求，提高系统并行设计能力，缩短开发周 期，同时双a r m 在一定程度上也提高了系统的整体性能。主a r m 运行嵌入式 l i n u x 操作系统，并在其上运行数控软件，主要负责完成数控系统的弱实时控制， 包括数控代码和机床参数的输入、译码、刀补计算、轨迹规划以及人机交互等功 能；从a r m 运动控制芯片s t m 3 2 f 1 0 3 通过双1 3 r a m 与主a r m 进行通讯，接收主 a r m 处理器的实时插补数据，完成位置控制、误差控制等实时功能，并反馈数 控机床的工作状态信息给上位机主a r m ，如机床位置坐标、主轴运转速度、伺 服进给速率以及机床故障信息等，同时从a r m 内部集成了一个软p l c ，主要负责 数控系统外部i o 点的实时控制和扫描，以实现数控系统的辅助功能以及机床操 作面板的控制等，同样，这些i o 点的状态信息也需要向上位机进行反馈，以使 数控系统能够对机床中使用的i o 设备进行实时监控；f p g a 作外部接口扩展，完 成系统的多轴速度控制、精插补、编码器反馈信号处理等。系统采用模块化的设 第一章绪论 计方法，各功能模块可以根据不同的应用对象和加工需要等条件进行裁减、组合， 同时利用s t m 3 2 f10 3 芯片的i a p ( h a - a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g ) 和f p a g 的 i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m i l l g ) 技术【4 5 】，通过开放的i a p 和i s p 接口，实现数控系统 软硬件的可重构，从而给用户带来更大的灵活性和自主性。这是为实现数控系统 低成本、高性能、控制对象多样化方案的一个新的尝试。 1 5 2 论文主要内容 全文共分为六章，各章的内容安排如下： 第一章：绪论。综述了数控技术的重要性和发展历程，分析了嵌入式数控系 统国内外发展现状，研究了可重构技术和嵌入式技术的应用，提出了本论文的研 究意义及主要内容。 第二章：运动控制理论研究。这一章主要研究了运动控制理论及方法，研究 了伺服系统控制过程及其结构组成，并对运动控制系统进行数学建模及仿真。 第三章：基于a r m 的嵌入式可重构数控系统硬件平台的设计与研究。这一章 详细介绍了数控系统硬件平台的硬件构造，采用双a r m + f p g a 的硬件架构，并 详细介绍了外围电路的实现，以及系统抗干扰的方法。 第四章：基于f p g a 运动控制模块的设计与研究。这一章介绍了在f p g a 上实 现与c p u 通信接口模块、编码器接口模块、速度控制模块和精插补模块等，并对 其中的主要模块进行了算法研究、算法验证和综合仿真。 第五章：基于嵌入式l i n u x 的数控系统软件平台的搭建与实现。这一章研究 了基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器的引导程序u b o o t 的移植；嵌入式操作系统 l i n u x 的移植及优化配置；并介绍了在嵌入式l i n u x 软件平台上进行数控系统软 件开发与研究工作。 第六章：结论与展望。 第二章运动控制理论研究 第二章运动控制理论研究 运动控$ 1 ( m o t i o nc o n t r o l ) 是指在复杂条件下，通过对以电机驱动的执 行机构进行精确控制，以实现预定控制方案和预期规划轨迹的机械运动【4 6 i 。 随着电机驱动技术、电力电子技术、微处理器技术以及机电一体化技术的不 断发展，运动控制技术已经被广泛应用到各行各业，从数控加工、木材加工、机 器人控制，到大规模集成电路焊接等。一个典型的运动控制系统在结构上主要由 上位机、运动控制器、驱动器、电机及位置反馈装置等几部分构成，结构如图 2 1 所示。 这里我们着重探讨数控系统中运动控制技术的应用。对于数控机床来说，数 控系统是整个运动控制系统的中枢神经，作为上位机，其根据用户的加工要求发 出相应的位置控制指令，运动控制器接收位置控制指令，并根据指令发出各种控 制信号，驱动器接收这些控制信号，并将其变成驱动电机的电信号，从而驱动各 轴电机的运动，电机运行的实际位移通过位置反馈装置反馈给运动控制器，运动 控制器根据位置误差再次发出位置控制指令，循环上述过程，直至位置误差为零， 最终实现零件轮廓的精确进给加工运动。 图2 - 1 运动控制系统结构图 运动控制技术是数控系统的运动核心，是实现数控系统高性能、高可靠性和 多功能的关键技术，其性能直接关系到数控系统的性能优劣，因此，对运动控制 系统的研究显得十分重要。 2 1 运动控制系统分类 数控机床按照对被控量有无检测反馈装置将运动控制系统分为开环和闭环 两种。在闭环系统中，根据测量装置安放的位置又可以将其分为半闭环、全闭环 第二章运动控制理论研究 两种。为进一步提高系统的控制精度，半闭环和全闭环又可以进行组合，形成复 合闭环。 2 1 1 开环控制系统( o p e n l o o pc o n t r o ls y s t e m ) 开环控制是指控制系统的输出端与输入端没有反馈，系统的输出对整个控制 系统的控制不产生任何作用。在数控机床中，开环控制很常见，一般使用步进电 机作驱动元件，所以也叫开环步进驱动系统，进给轴按照用户预先指定的程序来 进给加工零件，在整个运动过程中并不涉及进给轴位置的检测。开环控制步进驱 动系统的结构如图2 2 所示，数控装置根据输入指令，经过运算发出一定数量的 脉冲给步进电机驱动系统，然后步进驱动器的环形分配器或脉冲分配软件对输入 脉冲进行分配，并经过驱动电路进行功率放大，最终驱动步进电机旋转一定的角 位移。步进电机一般还需要经过变速传动装置进行速度调节，最后经过滚珠丝杠 螺母副等传动机构，实现机床的进给运动。因此，在开环步进驱动系统中，机床 的加工精度是由步进电机角位移和速度控制的精确度保证的。 采用开环控制的数控机床具有结构简单，制造成本较低，工作稳定可靠，容 易实现等优点，因而应用相当广泛。但由于开环系统对机床移动部件的实际位移 并不进行检测，没有使用反馈对机床工作台的位置误差进行检测和校正，系统也 就不具备自动纠偏能力。而且步进驱动系统中传动部件存在各种不可避免的误 差，如步进电机的步距角误差、齿轮与丝杠的传动误差等，在负载转矩超过步进 电机输出转矩时，还会产生“丢步”现象，这些都将影响驱动系统的传动精度， 如果这些误差产生积累，最终将影响待加工零件的3 h q - 精度。因此，开环控制仅 适用于加工精度要求不高，负载较轻且变化不大的经济型数控机床。 如图2 2 所示，开环控制中，运动控制器发出信号的流程是单向的，所以不 存在系统稳定性问题。也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位 置不做检测，所以整个系统的精度直接由步进电机、滚珠丝杠等传动装置组成的 进给系统的精度来保证。 摔制系统u 脉冲分配- 功率变换_ 步进电机l l _ _ 二二l 蚌j 下 二 ：1b 厂_ i 型2 - 2 丌川：摔制j 莎进驱动系统结构幽 第二章运动控制理论研究 2 1 2 闭环控制系统( c l o s e l o o pc o n t r o ls y s t e m ) 闭环控制系统可以定义为由信号前向通路和反馈通路构成闭合回路的自动 控制系统，系统输出信号对控制作用具有直接作用的控制系统，又称反馈控制系 统。在数控机床中，可以解释为：这是一种自动控制系统，其中包括功率放大和 反馈，使输出变量的值相应输入变量的值。 同开环控制系统相比，闭环控制具有抗干扰能力强、控制精度高、对外部扰 动和系统参数变化不敏感、改善系统动态响应特性等优点。但反馈回路的引入增 加了系统设计的复杂性，使得系统结构复杂，成本较高，调试维护困难，因此主 要应用于对精度要求较高的场合。 闭环控制一般采用伺服电机作为驱动元件，根据数控机床中位置检测元件所 在位置的不同，一般将其分为半闭环、全闭环两种。为进一步提高控制精度，半 闭环和全闭环又可以进行组合，形成复合闭环。 1 、半闭环控制 半闭环控制是我们最常用的控制方式之一，如图2 - 3 ( a ) 所示，位置检测元件 ( 一般是数字编码器) 安装在伺服电机轴上，检测伺服电机的角位移，将检测到 的位置信号反馈到位置控制器中，位置控制器根据计算位置与实际位置之间的位 置差值进行闭环控制，从而精确控制电机的角位移，然后通过滚珠丝杠螺母副等 传动机构，实现待加工零件轮廓的精确进给加工运动。半闭环控制主要应用在精 度要求适中的中、小型数控机床上。 和开环控制系统一样，半闭环伺服驱动系统的动态性能稳定，不易振荡，不 受机械部分诸如负载、温度、环境等因素而引起的机械变形的干扰，因而，系统 便于校正、调整，比全闭环伺服系统经济、实用。但所驱动的机械传动部分的定 位精度却受到滚珠丝杠、齿条的螺距和节距误差以及机械系统的间隙等因素的影 响。 为了提高半闭环伺服系统的精度，通常有两种解决办法：一是采用高精度的 滚珠丝杠、齿条等零部件，使螺距和节距误差以及机械间隙减小在一个脉冲当量 之内，但这样做会增加机械部分的制造成本；二是采样补偿的方法，在控制器中 增加螺距和节距误差补偿器和机械间隙补偿器，在进给之前进行补偿，即可消除 螺距和节距误差以及机械间隙，提高机械的定位精度，使机床设备的电气控制部 分的控制精度和机械部分的运动精度相一致。 2 、全闭环控制 由图2 - 3 ( a ) 可知，半闭环控制系统一般采用精密的滚珠丝杠加数字编码器的 形式来实现，优点上文已经提及，这里不再累赘，但其也有其局限性，如机床传 9 第二章运动控制理论研究 动机构所产生的传动误差、高速运转时传动机构所产生热变形误差以及加工过程 中传动系统磨损而产生的误差等动态误差得不到很好的控制，而这些误差累积将 会严重影响到数控机床的加工精度及工作稳定性。而全闭环方式可以彻底解决这 些问题，如图2 - 3 ( b ) ，全闭环方式一般采用线性光栅尺直接从机床的移动部件上 获取位置的实际移动值，中间并不经过机床的传动部件，机床工作台的实际位移 值直接反馈到位置控制器中，因此全闭环中位置检测精度不会受机械传动部件传 动精度的影响，从而从根本上消除了上述机床传动机构的动态误差，提高了机床 的定位精度、重复定位精度以及精度可靠性。 机械传动机构是全闭环环路中的重要组成部分之一，全闭环的闭环特性与其 密切相关。在作全闭环设计时，为了保证系统的加工精度，系统的静态和动态特 性因素都要列入考虑范围，如机械传动部件的刚性、惯性以及油的粘度、滑动面 摩擦系数等。因此我们不能认为采用全闭环方式就可以降低对机床传动机构的要 求，恰恰相反，采用全闭环控制方式时必须增大机床的刚性，改善滑动面的摩擦 特性，减小传动间隙。全闭环控制方式主要应用在精度要求比较高的大型数控机 床匕。 h j 半闭环控制 【b j 全闭环控制 位置指令一园碎一厂面磊百 j 日竭晕詈 编码器转速泓量伺服电机 广_ 主， ，一一一， 直线位移检测 位置指令一l 立置控韦! l 一 速度控制 一丑l 嘣睦喜面斟阿碡 位置指令 c i 复合闭环控制 转速测量伺服电机 l 一 一 i 盲蝗付； 倦一拉置控制一 速度控制且蠛匝4 一：一 编码器转速测量伺服电机 图2 - 3f j j 环控制系统结构框图 第二章运动控制理论研究 3 、复合闭环控制 为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制，即 前馈控制，将其作为反馈控制的补充而构成复合闭环控制系统，如图2 - 3 ( c ) 所示。 复合闭环控制能显著减小扰动对系统的影响，因而具有很高的控制精度。复合闭 环方式主要应用于重型、超重型精密数控机床中。 2 2 运动控制系统的建模 对运动控制系统进行建模，首先根据物理关系对系统各环节进行数学分析， 得到各环节的数学关系式，然后由拉斯变换求出整个系统的传递函数。这里首先 分析伺服控制系统的结构组成，然后对机械进给传动系统进行数学建模和 m a t l a b 仿真，获得机械进给传动系统耦合后的静动态特性，为运动控制器的 设计作理论基础。 2 2 1 伺服控制系统的组成 伺服系统结构上主要由位置控制器、伺服驱动单元、位置检测单元和伺服电 机等几部分组成，位置控制器、伺服驱动单元和位置检测单元构成伺服控制系统， 伺服电机为被控对象，如图2 5 所示。伺服控制系统由三个闭合回路组成，分别 为位置环、速度环和电流环。其中位置环构建于伺服运动控制器的外部，一般由 数控系统做位置控制。位置环中的位置控制器由全软件编写而成，引入位置控制 器的信号是由指令发生器所发出的位置指令与从位置检测单元所引出的位置反 馈信号之差，根据反馈信号的来源可以分别半闭环和全闭环两种。位置环的输出 直接进入速度环，作速度设定值，速度检测单元测出伺服电机的实际运转速度， 然后将其与速度设定值作差后进入速度控制器，对伺服驱动单元进行速度控制。 电流环是最内环，此环在伺服驱动器内部进行，电流环主要控制伺服电机的转矩。 望些堑l 矗夏磊i 垡重堑王丽 圭围堡一全闭巧 图2 - 5 伺服系统结构图 第二章运动控制理论研究 2 2 2 机械进给传动系统数学建模及仿真 典型的数控系统机械进给传动系统一般由伺服电机，联轴器，轴承，导轨， 滚珠丝杠，限位开关，工作台等组成，其结构如图2 - 6 所示。 工作台 图2 - 6 机械进给传动系统 伺服电机目前主要有直流伺服电机和交流伺服电机。直流电机的调速范围 宽，机械特性强，过载能力强，动态响应性能好，更重要的是控制简单，因而在 数控机床上得到广泛应用。到了8 0 年代以后，由于交流伺服电机在材料、结构、 控制理论及方法等方面都有了突破性的进展，以交流异步电机和永磁同步电机为 基础的a c 伺服驱动系统有逐渐取代d c 系统的趋势。a c 系统的最大优势是a c 电机几乎不需要维修，制造简单，无换向火化，动态特性好，适应较恶劣的环境 中使用。为不使问题复杂化，建模时以直流伺服电机建模。这样既不影响模型与 实际系统的性能一致性，又能使数学模型公式得到简化。 图2 7 机械进给传动简化模型 图2 7 是经过简化后的机械进给传动系统数学模型，其中： l ，伺服元件产生的扭矩： b 。，伺服元件阻尼： 第二章运动控制理论研究 臼。伺服元件驱动角位移； 瓦滚珠丝杠等传动装置传递的转矩； k 。滚珠丝杠等传动装置的等效弹性模量； b 滚珠丝杠等传动装置的等效阻尼； l 负载力矩； b ，负载阻尼： 0 ，负载的角位移。 在机械进给传动系统中，伺服电机作为执行元件通过滚珠丝杠传动装置来向 伺服进给系统传递力矩，由图2 7 ，分别对伺服电机、滚珠丝杠传动装置、负载 三个部分进行力矩平衡分析，可得 乙小厶争城等 一t b = - b b ( 等一百d o l ) - k b ( o m o l ) 瓦一正= j l 万d 2 0 l + 眈i d o l ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中，。伺服元件轴上的转动惯量； ，负载的转动惯量： 竺；肇、孥伺服元件驱动的角加速度、角速度； a t 。a t 竺拿、掣负载的角加速度、角速度。 d t d t 为简化机械进给传动系统的数学模型，考虑理想情况下机械进给传动系统静 态特性，即b 。= 眈= 0 ，疋= 0 ，带入式( 2 1 ) n ，可得 。瓦吐，争 t b = b 。( 孥一百d o l ) + k h ( 0 - 0 。) 瓦叫粤 a t 一 ( 2 2 ) 由于转速( ，) 与角位移臼之间关系是( ，) ：_ d o ，x 寸a ( 2 2 ) 作l 印l a c e 变换， d ， q ( s ) = s o ( s ) ，可得 第二章运动控制理论研究 l ( s ) 一 b ( s ) = j 。s 1 2 。( s ) 瓦( s ) ：( 吃+ 笪) ( q 。 ) 一q 。0 ) ) s 瓦( s ) = j s q ( s ) 式( 2 3 ) 中o m 伺服元件角速度的拉斯变换： q 移动负载角速度的拉斯变换。 由式( 2 3 ) 可进一步推出伺服元件输入转矩与输出角速度的传递函数为 乙( s ) j p s 2 + b 6 s + k 6 ( j 。+ j l ) s ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 式( 2 - 4 ) 中护兰，又直流电机电枢绕组中的电流与磁通相互作用， 产生电磁力和电磁转矩。直流电机的转矩可表示为l = k t i ( t ) ，经l a p l a c e 变换为 l ( s ) = j | ，( s ) ，将其带入式( 2 4 ) ，可得伺服元件输入控制电流与输出角速度的传 递函数为 g 小) = 等= jl s j 十b b s 七k b k t j ，s 2 + bb s + k h ( jm + jl 、) s 此即为机械进给传动系统的传递函数，方框图如图2 8 所示： ( 2 5 ) 图2 8 机械进给传动系统的数学模型 现对机械进给传动系统模型进行仿真分析。仿真时使用的相关参数及对应数 值如下：伺服电机转动惯量j 。= 8 0 x 1 0 由k g m 2 ，电机电磁转矩常数k ，= i n m a ，电 机额定扭矩z ，= 4 5 n m ，负载惯量，= s x l 0 4 k g m 2 ( 设为电机轴转动惯量的1 0 倍) 、 传动刚性k 。= 4 0 0n m r a d ，阻尼系数b h = 0 0 1n m s r a d 。将其带入式( 2 5 ) 中即可得 到机械进给传动系统的传递函数，并在m a t l a b 下作系统传递函数的b o d e 图， 结果如图2 9 所示。 1 4 第二章运动控制理论研究 f n c p j e n e yo i z ) 图2 9 机械进给传动系统数学模型的b o d e 图 由图2 ，9 可以看出，机械进给传动系统的b o d e 图有两个峰值点，分别对应着 相应系统传递函数的零点和极点，这是电机和负载( 包括联轴器、滚珠丝杠等传 动装置) 耦合的结果。在1 1 3 h z 处，b o d e 图遇到了第一个转折点，幅值在该点减 小，相位在该点出现正偏移，其对应系统传递函数的零点，该点频率对应了机械 进给传动系统耦合后的堵转频率，其决定了系统