（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的多轴运动控制器的研究.pdf

堕堡篓矍三奎兰三耋堡圭兰竺兰塞 r e s e a r c ho nm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l l e rb a s e do h c a nb u s a b s t r a c t i no r d e rt os a t i s f 3 rt h er e q u i r e m e n t so fe v e r yw o r ko fl i f eo nm o t i o nc o n t r o l a s p e c t ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l l e rb a s e do nc a nb u s s e v e r a ls e r v om o t o r sa r ec o n t r o l l e da tt h es a m et i m eb yo n ee h i p t h ew h o l e d i g i t a lc o n t r o li sa d o p t e db yt h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m s oi tc a na v o i ds o m e p r o b l e m so f t e m p e r a t u r ee x c u r s i o na n da g i n g ，a sw e l la sm i n i s h i n gt h ev o l u m eo f t h es y s t e m t h e n ，t h em o t i o nc o n t r o l l e rh a sb e e nt h eh i g h l ya c c u r a t em u l t i a x i s m o t i o nc o n t r o l l e ro fh j 【g hd e n s i t y i nt h em o t i o nc o n t r o lo ft h i sp a p e r t h ed i g i t a li n f o r m a t i o n sb e t w e e nt h e c o m p u t e ra n dt h ed i g i t a lc o n t r o l l e ra r ec o n v e y e db yc a nb u sc o m m u n i c a t i o n t h eh a r d w a r ef u n c t i o nm o d u l e so fd i g i t a lc o n t r o l l e ra r em a d eu s eo ft h ew h o l e d i g i t a lc o n t r o lo p e r a t i o n s ，t h e nt h er e s p e c t i v ed r i v es i g n a lo fs e v e r a ls e r v om o t o r s c a l lb eo b t a i n e d ，a n ds e v e r a ls e r v om o t o r sc a l lb ed r i v e db yc o r r e s p o n d i n gp o w e r d r i v e r s c a nb u sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt l l ec o m p u t e ra n dt h ed i g i t a lc o n t r o l l e ri s p r o p i t i o u st ot h ec o n v e y so ft h er e a lt i m ec o n t r o ls i g n a l si ns y s t e m ，a n dw o r k s b e r e rf o rt h er e a lt i m ec o m m u n i c a t i o n t h et r a i to fm u l t i m a i nw o r k i n gw a y c a l l m a k ec a nb u sa p p e n dm o r eo t h e rc o n t r o l l e r sb a s e do nf p g a ，i ti sp r o p i t i o u st o u p d a t et h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m s v p w mt e c h n o l o g yi sa d o p t e da st h ec o n t r o l s t r a t e g yo fm u l t i - a x i sm o t i o nc o n t r 0 1 t h em u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l l e ri sm a d e u po fd i g i t a lc o n t r o l l e ra n dp o w e rd r i v e r 1 1 l ef p g ao ft h ed i g i t a lc o n t r o l l e ri s f r o mx i l i n xc o m p a n y , i t sn a m ei ss p a r t a ni i e x c 2 s 3 0 0 e ，a n di ti st h ec o n t r o l c h i p ，t h et e c h n o l o g yo fi pc o r e su s e dt o g e t h e ra n dt i m e u s e dr e p e a t e d l ya r e a d o p t e db ya l lf u n c t i o nm o d u l e si nt h ec h i p ，t h ec o n t r o lo p e r a t i o n sa r ec o m p l e t e d b yt h ef p g aa n dt h ep e r i p h e r yc i r c u i t so ft h ed i g i t a lc o n t r o l l e rt o g e t h e r t h e p o w e rd r i v e ro fe v e r ya x i so ft h em u l t i - a x i sm o t i o nc o n t r 0 1 i ss e v e r a lr e s p e c t i v e p o w e rd r i v e r s ，a n dt h ed i g i t a ld r i v es i g n a lo f e v e r ya x i s ，w h i c hi so p e r a t e db yt h e 窒尘堡至三奎兰三兰矍圭兰堡篁圣 d i g i t a lc o n t r o l l e ri su s e dt oc o n t r o lt h ep o w e rs w i t c h e so f e v e r yp o w e rd r i v e r t h et e c h n o l o g yo fi pc o r e su s e dt o g e t h e r , t i m eu s e dr e p e a t e d l ya n dc a n b u si sa d o p t e di ns y s t e m ，t h er e a lt i m ep e r f o r m a n c ea n dt h ed e p e n d a b i l i t yh a v e b e e ni m p r o v e d ，i tb r i n g sd o w nt h ec o s to fp r o d u c t i o n se f f e c t i v e l y , a n da d v a n c e s t h ed y n a m i ca n ds t a t i cs t a t e sp e r f o r m a n c ei n d e x o ft h ep r o d u c t i o n sr o u n d l y m u l t i a x i sh i g h l ya c c u r a t em o t i o nc o n t r o lo fh i g hd e n s i t yi st h eb a s eo fa d v a n c e d m a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , i th a so b v i o u sa d v a n t a g e so nt e c h n o l o g y , p e r f o r m a n c e ， p r i c ea n d s oo n k e y w o r d s m u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l l e r ；c a nb u sc o m m u n i c a t i o n ；d i g i t a l c o n t r o l l e r ；f p g a 哈尔滨理工大学硕上学位论文原创性卢明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于c a n 总线的多轴运动控 制器的研究，是本人在导师指导f ，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期1 1 日j 独立 进行研究工作所取得的成果。掘本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做 矗贞献的个人和集体，均己在文中 以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：教 五 r 期：拶6 年；月，召日 ， 哈尔滨理工大学硕上学位论文使用授权书 基于c a n 总线的多轴运动控制器的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期i 日j 在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理【大学关于保存，使用学位论文的规定雕意学校保留沣向有关部门提交论 文和电子版本，允许论文被查i 列和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公铈论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权千弓。 ， 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：秀久 文 导师签名： 闩期：口，年；月，5 同 f 1 期：衫年罗y j s f l 第1 章绪论 1 1 课题背景及选题的意义 运动控制系统( m o t i o nc o n t r o ls y s t e m ) 是指以电动机为控制对象，以控制器 为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下所组成 的电气传动自动控制系统，从而来实现转矩、速度等机械运动的控制。运动控 制作为自动控制的一个重要分支，在军事国防、工业生产、消费生活等众多领 域有着极其广泛的应用。如军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导 航；工业方面的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人，以及 工厂自动化中的各种其它控制设备；计算机外围设备和办公自动化中的各种磁 带机、软盘驱动器、硬盘驱动器、数控绘图机、传真机、打印机、复印机的控 制等；家用电器中的空调机、洗衣机、c d 机等的控制。总之，只要存在对运 动机构进行精确控制的任务，就离不开运动控制系统，运动控制技术得到了各 个国家的重视，已经成为一个专门的技术领域。 运动控制系统的核心是运动控制器，随着工业控制的不断发展，在传统的 运动控制器的基础上，又提出了全数字化运动控制器，而发送数字指令的上位 机与接收数字信息的运动控制器之间交换数据的通道在整个全数字运动控制系 统中就起到了桥梁作用。随着c a n 总线在工业、国防等方面的不断应用，其 技术也得到了不断的提高。c a n 总线以其系统的实时性、可靠性、经济性和 多主工作方式倍受工业、国防领域的青睐。 本课题是以c a n 总线作为多轴运动控制系统的通信系统，以p c 机及其 + 应用软件作为发送数字控制指令的上位机，通过c a n 总线通信系统，把数字 控制指令发送到多轴运动控制器，并且接收多轴运动控制器返回的数字信息到 p c 机。多轴运动控制器以f p g a 为核心控制芯片，根据接收到上位机的数字 控制指令，通过各种功能模块的控制运算，如空间矢量脉宽调制模块，完成多 轴的运动控制。课题研究的意义如下： 1 提高了多轴运动控制系统中通信的实时性和可靠性。运动控制系统应 用在许多高精度场合，上位机发送指令后，要使伺服电机得到快速、正确的响 应，除了多轴运动控制器的动态响应快之外，上位机与运动控制器之问通信的 实时性和可靠性至关重要。 略尔滨理t 大学t 学够卜学位论文 2 多轴运动控制器的全数字控制。传统的运动控制系统中，依靠模拟控 制，不可避免地产生温飘，加入了偏差，使运动控制的精度受到了很大的影 响。而全数字运动控制器的输入是给定的数字量，反馈量是数字量，控制器的 输出也是数字量，从而使整个控制运算实时、精确地完成。 3 单芯片的多轴运动控制。随着微电子技术的深入发展，内部资源丰富 的f p g a 芯片的功能和性能得到了大幅良的提升。充分利用芯片的功能和性 能，使单片的f p g a 芯片合理分配其资源，来对多台伺服电机进行控制，从而 提高了性价比。 4 上位机与多轴运动控制器之间采用c a n 总线通信，其多主的工作方 式，便于多轴运动控制系统的升级，可在c a n 总线上挂接多个多轴运动控制 器。 1 2 运动控制与运动控制器概述 1 2 i 运动控制的发展 运动控制是由电力拖动发展而来的，电力拖动或电力传动是以电动机为对 象的控制系统的通称。随着电力电子技术、微电子技术的迅猛发展，原有的电 力传动控制的概念已经不能充分地概括现代自动化系统中承担第一线任务的全 部控制设备。因此，二十世纪八十年代后期，国际上开始出现运动控制系统 ( m o t i o nc o n t r o ls y s t e m l 。运动控制系统是指在复杂条件下，将预定的控制方 案、规划指令转变成期望的机械运动。按照使用动力源的不同，运动控制主要 分为以电机作为动力源的电气运动控制、以气体和流体作为动力源的气液控制 和以燃料作为动力源的热机运动控制等。随着微电子技术和电力电子技术以及 微型计算机控制技术的发展，在这几种运动控制中，电气运动控制因其具有易 实现与计算机接口等明显优点而成为运动控制的主流，大多数中小功率的运动 控制系统都是采用电气运动控制。电气运动控制就是以电机作为动力源，通过 对电动机的控制来对执行机构运动的位置、速度、加速度实现精确控制。本文 所研究的运动控制，就是针对这种电气运动控制中的电机控制来开展的，本课 题中的运动控制也就是指电气运动控制“。 从电力拖动开始，经历四十多年的发展过程，运动控制已成长为一个以自 动控制理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领域，例如电机 与控制技术、电力电子技术、微电子技术、传感器技术、自动控制理论和微型 竺竺篓至三奎耋三兰堡圭兰堡丝兰 计算机技术等，如图l 一1 所示，运动控制技术是这些周边技术的有机结合体。 随着功能齐全的微型计算机、超大规模集成电路( v l s i ) 、功率集成电路( p i c ) ， 以及先进的计算机辅助制造( c a m ) 等技术的出现和发展，运动控制技术的面貌 为之一新，其前沿不断地扩大。运动控制作为一门多学科交叉的技术，每种技 术所出现的进展都使它向前再迈进一步，其技术进步是曰新月异的。 图1 - 1 运动控制的体系结构 f i g 1 1s y s t e ms t r u e t l l r eo f m o t i o nc o n t r o l 典型的运动控制系统主要由指令控制系统、运动控制器、驱动装置、伺服 电机、执行机构和反馈装置构成，如图1 2 所示。其中反馈装置将运动没备的 位置信息提供给运动控制器，运动控制器响应闭环信号和接收控制系统的定位 请求信号并将其转换为命令信号提供给驱动装置，由驱动装置将命令信号转换 成电流或电压，以驱动伺服电动机“”1 。 图1 - 2 典型运动控制系统的构成 f i g 1 - 2c o m p o s i n g o f t h e t y p i c a lm o t i o nc o n t r o ls y s t e m 1 2 2 运动控制器国内外发展现状 运动控制器是通过对电机驱动的执行机构进行运动控制，以实现预定运动 轨迹目标的装置。可以说，只要有伺服电机应用的场合，就离不开运动控制 器，它以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力，使许多工业生产设备焕 哈尔演理工大学 _ 学硕十学位论文 发了生机“1 。 德国贝加莱公司于1 9 9 4 年首先提出了“p c c ( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e r c o n t r o l l e r ) 可编程计算机控制器”的概念。奥地利b & r 工业电子公司于1 9 9 4 年投放欧洲市场的p c c 产品作为新一代工业自动化产品，被认为是代表了当 今工业控制技术的一大趋势，它将要融合c n c 并最终替代传统的c n c 。其特 点是：系统的分析运算能力越来越强，系统的智能化及操作简单越来越重要， 分布式控制是p c c 系统基于现场总线的新型控制思想。美国d e l t at a u 数字系 统公司推出的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) 为可编程多轴运动控 制器，它是1 9 9 0 年推出的基于工控p c 机和w i n d o w s 操作系统的多轴运动控 制器。它能同时控制1 胡个轴，既可以单独执行存储于控制器内部的程序，也 可执行运动程序和p l c 程序，还可进行伺服环更新以及以串口、总线两种方 法与上位机进行通信，自动对任务优先级进行判别，从而进行实时多任务处理 0 1 。 1 3c a n 总线的概述与应用状况 1 9 9 2 年，在欧洲成立了c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) ，在c i a 组织的努力推 广下，c a n 总线技术在汽车电子控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、 医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的应用。现已有4 0 0 多家 公司加入了c i a 组织，c i a 已经成为全球应用c a n 技术的权威。 c a n 总线在组网和通信功能上的优点以及它的高性能价格比决定了它在 许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。大型仪器设备系统复杂，要对多种 信息进行采集、处理、控制、输出等进行操作。如医疗器械c t 断层扫描仪， 为保证其可靠工作，在数据通信上要求功能块间可随意进行数据交换，通信能 以广播方式进行，要求硬件接口简单经济，通信线尽量少，抗干扰能力强，可 靠性高，并能自动进行故障识别和自动恢复。但是，这些要求长时间未能得到 很好的解决。直到c a n 总线技术出现了，才提供了一个较好的解决方法。测 控系统中的各类数字传感器，以数字形式输出，可以方便地与计算机直接相 连，从而简化了系统结构，提高了精度。这些传感器与计算机相连的总线仍属 于现场总线。在广泛的工业控制领域，c a n 总线可作为现场设备级的现场总 线，与其它总线相比，具有很高的可靠性和性价比。这是c a n 技术开发应用 的一个主要方向。在以往的国内测控领域，由于没有更好的选择，大多采用 b i t - b u s 或r s - 4 8 5 作为通信总线，其不足主要有：一主多从，无冗余；数据 ：垒堡耋三奎耋：兰竺：兰竺竺耋 通信为命令响应，传输率低；错误处理能力弱。采用c a n 总线技术后即可解 决上述问题。c a n 网络节点的信息帧可以分出优先级，这对于有实时性要求 的控制提供了方便。c a n 的物理层及数据链路层有独特的设计技术，使其在 抗干扰以及错误检测等方面的性能均大大提高“。 根据国内外资料，c a n 技术己应用于家用电器和智能搂7 以及小k 建设 中，如安防系统、抄表系统、家电控制等。它投资少，每个节点呵以随机访 问，通信速度完全满足要求，且在这类应用中数据交换量很少。适当的网关 ( 如c a n 与t c p i p 协议) 的转换，可以使一个居室或一幢大楼的现场c a n 信 息转变为i n t e m e t 的形式外传，或反过来通过这类网关把外部州传束的信息转 换为c a n 的形式，这就实现了所谓的远程控制”。 1 4 课题来源及本文的主要研究内容 本课题依托于深圳国际技术创新研究院的来自解放军总装备部的“离密度 精确运动控制组件的研究”，本文的主要研究内容都足围绕：参与多轴运动控 制器的设计及调试、运动控制系统中c a n 总线的通信开发束展丌的。本文主 要做了以下研究内容： 1 查阅大量与课题相关的中外文献，并深入了解课题的相关研究内容： 学习单片机的编程语言，掌握其开发工具软件； 2 熟悉电机控制中的控制电路、驱动电路与保护电路的原理与设计：了 解s v p w m 调制的原理及其f p g a 的实现： 3 利用测功机，对研究院自主设计的永磁同步机的机械特性、性能的测 试分析，为其性能优化提供参考数据； 4 对设计的数字控制器电路、功率驱动电路进行调试，在保证功能和性 能的情况下，实现多轴运动控制器体积的减小； 5 研究c a n 总线通信，设计出上位机与下位机的通信系统，使之完成上 位p c 机与数字控制器之间实时、可靠的数据交换。 哈尔滨理工大学t 学硕卜学位论文 2 1 引言 第2 章多轴运动控制器的研究 在本文中，p c 上位机、c a n 总线通信、以f p g a 为核心的数字控制器、 多个功率驱动器构成了基于c a n 总线的多轴运动控制器。而数字控制器和多 个功率驱动器就构成了多轴运动控制器。p c 上位机以其应用软件，通过c a n 总线串行通信，向以f p g a 为核心的数字控制器发送运动控制指令。多轴运动 控制器的数字控制器通过给定的指令信号和反馈信号，经过控制运算处理，得 出各功率驱动器开关的控制信号( p w m 信号) ，使各功率驱动器输出满足相应 轴运动控制要求的交流电压( 或电流) 给各轴伺服电机，来完成运动控制指令的 任务。 2 2 多轴运动控制器的硬件设计 本文所设计的运动控制系统中的多轴运动控制器，包括数字控制器和多个 功率驱动器。美国i r ( i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r ) 公司运用其自主研发、生产的专用 集成芯片( a s i c ) - - i r m c k 2 0 1 ，来作为单轴运动控制的核心控制芯片，并拥有 自主的知识产权( i p ) 。i r 公司推出的i r m c k 2 0 1 芯片，一般只用于单轴运动控 制，即运动控制系统的运动控制器只适合驱动控制一台伺服电机，这在一定程 度上限制了运动控制的需求。随着上百万门的f p g a 的出现，x i l i n x 公司生产 的f p g a ( s p a r t a n i i ) ，集成了一个微控制器，并带有不同密度的可编程逻辑、 存储器和外围器件，可实现在线可编程，并且资源比较丰富，可满足高性能、 高精度的运动控制的需求。因此，只用单片f p g a 来驱动控制多台永磁同步伺 服电动机的思想油然而生。整个运动控制系统的结构框图如图2 一l 所示，p c 上位机通过c a n 总线通信模块发送运动控制指令到数字控制器，数字控制器 经过控制算法运算，输出各功率驱动器开关的控制波形( p w m 波) ，得到相应 的各台伺服电机的驱动电压( 电流) ，各台伺服电机最后通过电流采样反馈和码 盘反馈，把各伺服电机的相电流信号送到数字控制器中，再通过控制算法运 算，实时地作出控制调节。 呤尔涉理t 人学丁学硕i 学惶论文 图2 1 多轴运动控制系统结构框图 f i g 2 - 1s m a c t u r ef l a m ef i g u r eo f m u l t i - a x i sm o t i o nc o n t r o ls y s t e m 2 2 1 多轴数字控制器的硬件设计 在本文的整个多轴运动控制系统中，采用全数字控制。p c 上位机通过发 送数字指令到数字控制器，伺服电机的相电流经过传感器和a d 转换器，把采 样得到的电流模拟量以数字量的形式反馈给数字控制器。同样，编码器通过 a d 转换器把转速脉冲量转换成数字量，反馈给数字控制器；霍尔传感器把伺 服电机的转子的位置参数通过a d 转换器转换成数字量，反馈给数字控制器。 多轴数字控制器的硬件构成，主要包括：f p g a 芯片，转速编码器和位冒霍尔 传感器的反馈电路，伺服电机相电流反馈电路和母线保护电路“”“”“”。 2 2 1 1f p g a 控制芯片及外围电路模块的联接 在多轴运动控制系统中，数字控制器是多轴动控制器的关键部分，f p g a 芯片是数字控制器的核心部分。f p g a 芯片接受p c 上位机发送过来的运动控 制指令、伺服电机反馈过来的实时信号，然后通过大量的控制算法的运算，分 别输出各控制信号给多个功率驱动器，从而让各台伺服电机按照给定的运动控 制方式工作。 美国i r 公司推出的运动控制芯片i r m c k 2 0 1 ，是一种高性能数字交流伺 兰兰耋登三奎兰：兰堡：兰竺篓兰 服控制集成芯片，但由于知识产权问题，其为用户提供的运动控制芯片对f 用 户的各种用途来说不够灵活，并且价格相当昂贵。冈此，用户自己选择合适的 f p g a 芯片，自主设计i p ( 知识产权) 核，就可以灵活地满足用户的不同用途的 需求，并且降低了价格。本文选用的f p g a 芯片是x i l i n x 公司生产的 s p a n a n l l e x c 2 s 3 0 0 e ，芯片外观如图2 2 所示，其内部拥有9 7 2 个逻辑单元 ( l o g i cc e l l s ) ，6 个随机存储块( r a mb l o c k s ) ，2 4 5 7 6 个块随机存储 , 7 ( b l o c k r a mb i t s ) ，最大用户输入输出为1 3 2 个，最大系统时钟频率达3 3 3 m h z ”。 根据s p a r t a n i i 2 s 3 0 的i o 管脚的功能定义，把相应的外围电路模块联接起 来。 图2 - 2x i l i n x 公司的f p g a 芯片s p a r t a n i i f i g 2 - 2f p g ac h i ps p a r t a n - i io f x i l i n xc o m p a n y 如图2 3 所示，f p g a 的外围电路模块为：j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o n g r o u p ) 编 程下载模块，把硬件描述语占编译后生成的可执行代码通过p c 上位机和 j t a g 数据下载线下载到f p g a 的存储器中；c a n 通信模块，从p c 上位机的 应用软件操作界面发送运动控制指令给f p g a ，并且把实时反映电机被控情况 的参数反馈给p c 上位机：多轴编码器转速反馈模块，多台伺服电机备自的编 码器把实际转速通过a d 转换电路，以数字量反馈给f p g a ；多轴电流反馈模 块，多台伺服电机的相电流通过采样电阻得到相电流电压形式，再通过光祸隔 离电路和a d 转换电路，把电流的数字量反馈给f p g a ；多轴霍尔转子位胃反 馈模块，通过霍尔传感器和a d 转换电路，把转予位置的数字量反馈给 f p g a ；i g b t 门极关断保护模块，把逆变器的直流母线中的电流通过采样电阻 得到的电压与保护电压的上限值进行比较，当直流母线中的电流大于保护值 时，电压比较器发出一信号，经过a d 转换成数字量给f p g a ，使f p g a 的输 出p w m 信号关断i g b t 门极，从而保护直流母线电源：多轴各自的六路 p w m 输出模块，f p g a 通过控制算法运算，输出多轴各自的六路p w m 信号 给多个功率驱动器，来控制多台伺服电机。在多轴运动控制系统中，数字控制 器的f p g a - - s p a r t a n i i 2 s 3 0 通过各输入信号，经过控制算法的运算，得到相 应的p w m 输出，从而完成精确的多轴运动控制“”“”。 - s - 哈尔滨理丁大学t 学硕士学位论文 多轴编码 器转速反 馈模块 多轴电流 反馈模块 c a n 通ilj t a g 下 信模块ii 载模块 x i l i n x s p a r i a n l i 多轴六路 p w i v l 输出 模块 i 多轴霍尔l ii g b t f i i 转子位置| i 极关断保i l 垦望茎鉴ll 芝堡垫i 图2 - 3f p g a 与外围电路模块的联接框图 f i g 2 3c o n n e c t i n gf r a m ed i a g r a mb e t w e e nf p g aa n dp c r i p h e r yc i r c u i tm o d u l e s 2 2 1 2 单轴光电编码器的转速和位置反馈电路 位置测量，在运动控制中是不可或缺的要素，通常用增量式光电旋转编码 器来完成伺服电机转子运动情况的测量。一般直接把编码器安装在永磁同步伺 服电动机转子的同轴上，编码器的码盘跟随转子同步旋转。所谓编码器是将转 子的物理量( 转速、位置、方向) 转换为数字量的装置。码盘随着被测轴的转动 使得透过码盘的光束产生间断，通过光电器件的接收和电子线路的处理，产生 特定电信号的输出，再经过数字处理可计算出位置和速度的信息”1 。 增量式光电旋转编码器的码盘上分布有很多很细的窄缝和线条，码盘的分 辨率以每转计数( c r c c o u n t e r sp e rr e v o l u t i o n ) 表示，即码盘旋转一周在光电检 测部分可产生的脉冲数1 。在码盘上，还安排另一个( 或一组) 特殊的窄缝，用 于产生定位( i n d e x ) 或零位( z e r o ) 信号，可利用这个信号产生回零或复位操作。 光电器件输出的电信号是三角波，但是由于运动部分和静止部分之间的间隙所 导致的光线衍射和光电器件的特性，使得到的波形近似于正弦波，而且其幅度 与码盘的分辨率无关，经放大整形后输出矩形脉冲信号。在信号的传输中，一 定会有不确定的外界信号产生干扰，所以采用r r l 差分驱动，电流对于电缆 的电磁场作用为零。当伺服电机转动的时候，产生4 个在相位上依次相差9 0 6 的矩形脉冲信号，分别称为a + 、b + 、a 一和b 一。编码器转速位置反馈电路 图如图2 - 4 所示，接口j o 与光电编码器的整形电路输出线联接，伺服电机上的 竺：霎耋：叁兰二兰些兰坚兰 编码器把转速的物理信号转换成矩形脉冲电压信号a + 、b + 、a 一和b 一， v 孟为5 v ，是编码器电路板的直流供电电源，电容c 。对v 。电源滤波，使编 码器的电路部分有稳定的供电电压。编码器输出的矩形脉冲电压信号a + 、 b + 、a 一和b 一经过r c 滤波后，作为芯片d s 3 4 8 6 m 的输入。该芯片是一个 多路差分放大器，将相位相差1 8 0 。的a + 和a 一分别输入芯片d s 3 4 8 6 m 的管 脚l 和2 进行放大，管脚3 输出占空比为5 0 的方波信号到高速( 频率高) 光耦 6 n 1 3 7 ( u ：) 的i n 一管脚。高速光耦把输入信号的功率地和输出信号的数字地隔 离开，减少了输出信号的干扰；同理得到管脚6 输出的占空比为5 0 的方波信 号到高速光祸6 n 1 3 7 ( u ，) 的i n 管脚。 k + 一 b + b - z + z k 图2 - 4 编码器转速反馈电路图 f i g 2 - 4c i r c u i td i a g r a mo f s p e e df e e d b a c ko f e n c o d e r 高速光耦6 n 1 3 7 ( u ：) 和高速光褐6 n 1 3 7 ( u ，) 的输出管脚的t t l 电平信 号，经过芯片7 4 a h c l 4 的两次非门的作用，把原柬的t t l 电平信号中的不完 整信号进行整形( t t l 电平信号应该为3 3 v 或0 v ，若信号中有0 , - 3 3 v 的电 平，那么经过第一次非门后，电平信号为0 v ，再经过一次非门后，得到完整 的3 3 v r r l 电平信号) ，图2 5 为两通道示波器测得的正交方波波形，脉冲信 号一个周期是3 6 0 电角度，e n c蓝色) 信号和 b ( 红色) 信号在相位上相_ a ( e n c 差9 0 。电角度。如果把伺服电机朝一个方向转动时，e n ca 信号在相位上超前 于e n c信号9 0 。电角度定为电机正转，则信号在相位上超前于_ be n c _ b e n c _ a 信号9 0 。电角度定为电机反转，这样就获得了电机正反转向的信号。占 空比为5 0 的e n ca 和e n cb 信号有4 个特殊的时刻，就是它们波形的上 睁智泞珲t 夫学t 学劬 学一论史 升沿和下降沿，并且这些沿之问的间隔相等，都是相差9 0 。相位角。将这些上 升沿和下降沿信号取出并加以利用，可得到4 倍频的脉冲信号，这样就把光电 编码器的分辨率提高到4 倍，得到脉冲计数，即得到转速的计算信号。f p g a 中的测速算法采用m 法测速原理，即在某一采样时间疋内，通过对脉冲的计 数m 。光电码盘的脉冲数为只，则电动机转速n = 6 0 m p l ( r m i n ) 。 a j r 弧度 图2 - 5 编码器舣通道光电正交脉冲输出信号 f i g 2 - 5p h o t o e l e c t r i c i t yq u a d r a t u r ep u l eo u t p u ts i g n a l so f d o u b l ec h a n n e l so f e n c o d e r 在图2 - 4 中，光电编码器还输出两个差分咏冲电压信号z + 和z ，经过r c 滤波，从芯片d s 3 4 8 6 m 的管脚9 输出到高速光耦6 n 1 3 7 ( u ) 的i n 管脚，隔 离输出脉冲信号e n cz 。伺服电动机每转一周，得到一个e n cz ( z 脉冲) 脉 冲，用来转子的调零、对位，以作为基准信号。由于编码器安装时的物理位置 原因，所以就出现不同位置的z 脉冲。z 脉冲的出现和伺服电动机的极对数p 有关，如图2 - 6 所示，为示波器测得的伺服电动机的a 相反电动势波形和z 脉 冲波形的关系，p 对极伺服电动机转子转过一周( 机械角度为3 6 0 。) ，则电角度 为p x 3 6 0 。，也就产生p 个周期的反电动势波形( 周期起始点是正弦波形由正变 负时与时间轴的交点) ，出现一个z 脉冲信号。 a l l 弧度 图2 - 6z 脉冲与电动机反电势波形的位置关系 f i g 2 - 6p o s i t i o ne l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eu t o t o rc o u n t e r - e l e c t r o m o t i v ef o r c ea n dt h ezp u l e 霍尔传感器具有简单磁极定位功能，输出三路互相相差1 2 0 。电角度，且占 略；j ：泞理t 九学t 学蛳i 学 o 玲堑 空比为5 0 的脉冲信号h a l lu 、h a l lv 、h a l lw ，可用来l 粗略地检测永磁同 步机转子磁极位置，具有绝对信息功能，对其仞始定位。图2 - 7 为霍尔传感器 的反馈电路，霍尔脉冲信号h a l lu 、h a l lv 、h a l lw 经过高速光耦，把隔离 后的脉冲信号u 、v 、w 输入f p g a 的寄存器中。伺服电动机是p 对极，则伺 服电机转子转过一周( 机械角度3 6 0 。) ，产生p 个周期的反电动势波形，u 、v 、 w 信号分别相应发出p 个矩形脉冲，互相相差1 2 0 。电角度。 33 v v o o h a l lu h a 儿v h a i lw 略 图2 7 警尔传感器反馈电路 f i g 2 7f e e d b a c kc i r c u i to f h a l ls e n s o r 图2 8 用u 、v 、w 三路脉冲信号确定永磁同步机转子磁极初始位冒，永 磁同步机为4 对极，横轴所标为机械角度，u 、v 、w 信号的l 为高电平，0 为低电平。通过u 、v 、w 信号高低电平的组合，就可以获得转子的区间范 围，大致知道转子的绝对位置。把电角度3 6 0 。平均分成6 等份，在转子每6 0 。 电角度的范围内，可以得到u 、v 、w 的高低信号组合，其关系如表2 一l ，当 u 、v 、w 电平信号为“1 0 1 ”时，转子的位置确定在一个6 0 。的电角度内，取 其中日j 值，即为3 0 。，转子位霄的估计值误差就不超过3 0 。电角度，转子的物理 位置误差不超过7 5 。( 4 对极) 。矢量控制时，施加的定子磁链矢量超前永磁转子 磁极位置9 0 。时力矩最大，由于用u 、v 、w 霍尔信号初始定位的时候有+ 3 0 。 电角度误差，所以定子磁链矢量超前转子磁极的位置在6 0 4 1 2 0 。的范围哩， 哈尔演理_ 人学t 学够 学位论史 这样产生的力矩不是最大，但可以使永磁同步机起动。起动以后，由z 脉冲或 u 、v 、w 霍尔信号脉冲电平跳变而获得转子的一个准确位置，然后再用编码 器的e n c - - a 和e n c _ b 脉冲信号精确定位转子角度位置。 ii i ， iii i ， ii u p 上r 一门广 一i v b ! 时1 1l 叶 l 时 in i 图2 - 8 霍尔信号与反电动势波形关系 f i g 2 8r e l a t i o n s h i pb e t w e e nh a l ls i g n a l sa n dc o u n t e r - e l e c t r o m o t i v ef o r c e 表2 1 霍尔电平信号组合与转子物理位置的关系 t a b l e2 - lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er o a rp h y s i c a lp o s i t i o na n dh a l le l e c t r i c a ll e v e lc o m b i n a t i o n s 迫角度 o 缶矿6 0 * 一1 2 矿1 2 0 。一1 8 0 01 8 0 0 2 4 0 01 8 0 0 一2 4 0 03 0 0 0 - 3 6 0 0 霍尔 u 1 1 l 0oo v o0l11o wl00o1l 这样，光电编码器和霍尔传感器通过反馈电路，把单轴伺服电机的基本物 理信号都以数字量的形式给到f p g a 的相关寄存器中。多轴伺服电机的反馈都 是如此，只是把反馈的数字量存入到f p g a 的不同寄存器中，以用于各轴的运 动控制运算。 2 2 1 3 单轴伺服电机的电流反馈电路 电流反馈和电流给定的差值作为电流环的输入，来按给定量进行伺服电机 相电流的调节，因此，要实时地获得伺服电机的相电流，就成为很重要的环 节，通过对伺服电机相电流的采样，可以完成这个环节，通过设计电流采样反 馈电路，最后把各台伺服电机的电流模拟量转换成数字量，输入f p g a 中相应 的寄存器，提供运动控制运算数据。 永磁同步伺服电机转子为永磁，通过控制定子电压( 电流) 来控制伺服电机 的运动，进而达到多轴运动控制的目的。有电流给定，再有电流采样反馈，就 构成电流闭环，提高了控制的精度。图2 - 9 给出了运动控制系统中单轴的电流 采样反馈电路，而多轴运动控制系统中，只是多个这样的采样和反馈电路。在 伺服电机三相星型绕组中分别串接采样电阻月驴矗。( 均为1 0 m r 2 ) ，就把相电 流的模拟信号转换成采样电阻模拟电压信号。伺服电机三相绕组中的相电流的 绝对值有一个上限值，当超过这个上限值时，保护电路就产生保护信号 g a t e k i l l ，f p g a 就不输出i g b tf - j 极驱动信号，逆变器就处于断电状态，从而 保护了驱动器电路。i r 2 1 7 5 是单片集成电流传感器，其载波频率为1 3 0 k h z ， 专门应用于电机驱动，它通过采样电阻，把模拟量转换成数字量，并且转换成 高电平是3 3 v 的p w m 波”。 图2 - 9 单轴伺服电机相电流采样和反馈电路 f i g 2 - 9p h a s ec u l r e n ts a m p l ea n df e e d b a c kc i r c u i to f s i n g l ea x i ss e r v om o o r i r 2 1 7 5 的输入信号的电压范围是2 6 0 m v - - + 2 6 0 m v ，其输入信号在这个范围 内变化时，其输出的p w m 波的占空比也线性变化。i r 2 1 7 5 的输入电压与输出 的p w m 波的线性关系如图2 1 0 所示。当采样电阻的端电压为+ 2 6 0 m v 时， i r 2 1 7 5 的管