（电路与系统专业论文）固相萃取仪的设计与开发.pdf

摘要 摘要 固相萃取仪是广泛应用于化学分析的仪器，其主体部份是由三个直流电机驱 动的三维运动装置。本文的目的在于开发和设计其运动控制器的电路和控制软件。 由于传统的基于单片机的萃取仪存在控制器结构复杂，运行动态特性差的缺点，本 文提出了使用数字信号处理器开发萃取仪运动控制器的方案。 在硬件方面，本文完成了基于d s p 的固相萃取仪运动控制器的硬件总体设计， 设计了d s p 系统的电平转换电路、d s p 系统仿真接口电路以及和上位机串行通信接 口、编码器反馈信号处理电路与电机功率驱动电路的接口等硬件电路。同时，设 计了系统中所用的直流电机功率驱动电路和保护电路。最后总结了控制器硬件设 计中需要注意的一些问题。 软件设计方面，在t i 公司提供的c o d ec o m p o s e 编译环境下，用汇编语言和c 语 言混合编写控制器的软件。给出了与上位机的通信程序。p 1 】| m 信号产生和运动控 制程序的实现方法。 本文设计的运动控制器电路体积小、集成度和调制频率高( p w m 频率达 4 0 k h z ) ，满足了萃取仪系统的位置和速度控制需要。 由于调试d s p 系统需要硬件仿真器，本文还设计了用于系统开发的仿真系统。 试验证明该仿真系统效果好，能够满足丌发需要。 关键词：直流伺服电机功率驱动位置控制仿真器d s pp w mc c s a b s h a c t a b s t r a c t s o l i dp h a s ee x t r a c t o ri sa ni n s t r u m e n tw i d e l yu s e di nc h e m i c a la n a l y s i s f i e l d i t s 脚a j np a r ti sam o t j o ns y s t e mj nt h r e ed i m e n s i o n sd r i v e nb yt h r e e i ) cm o t o r s t h j sp a p e ri n t e n d st od e s i g nt h ec o n t r 0 1s y s t e mc i r c u i ta n ds o f t w a r e a st h ep r e v i o u se x t r a c t o rb a s e do ns i n g l ec h i pc o m p u t e rh a ss h o r t c o m i n g sw i t h c o m p l e xs t r u c t u r ea n d1 0 w e rp r e c i s i o no np o s i t i o nc o n t r 0 1 ，t h i sp a p e rp r e s e n t s o n em e t h o dt od e s i g ni tw i t hd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) 0 nt h ec i r c u i t a s p e c t ，t h i sp a p e ra c c o m p l i s h e st h eg e n e r a ld e s i g no f t h ec o n t r o l l e r ， g i v e so u ts e v e r a lc i r c u i t si n c l u d i n gv 0 1 t a g et r a n s f o r m i n g ， j n t e r f a c ec i r c u j tw i t ht h e 鲫u l a t j o ns y s t e m ，c o 胁u 力j c a t i o nj n t e r f a c ec i r c u i t w i t hp c ， i n t e r f a c ec i r c u i tw i t ht h ee n c o d e r a n di n t e r f a c ec i r c u i tw i t ht h e d cm o t o r s p o w e rd r i v e r s m e a n w h i l ei ta c c o m p l i s h e st h ed e s i g no ft h e c i r c u i tf o rd r i v i n gt h r e em o t o r sa n dt h ec i r c u i tf o rp r o t e c t i n gt h em o t o r s f i n a l l yi ts u m a r i z e ss o m ei s s u e so nt h ec o n t r o l l e rt h a td e s e r v e dt ob e c o n c e r n e d o nt h es o f t w a r ep r o g r a ma s p e c t ， t hisp a p e rd e sig n st h ep r o g r a mo ft h e c o n t r o e ru n d e rc o d ec o m p o s e rc o m p jl a ti o n( c c s ) ， g jv e so u tt h ep r o g r 栅o f c o h u n u n i c a t i n gw i t hp c ，p r o g r a mf o rp w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) g e n e r a t o r ， a n dt h ep r o g r a mo fm o tio nc o n t r o l _ t h ec o n t r o l l e rd e s 增n e di nt h i sp a p e rh a sc h a r a c t e r i s t i c so fs 珊a 1 1 v 0 1 u m e ，h i g h e ri n t e g r a t i o n ， a n dh i g h e rf r e q u e n c yo fp 州，c a nm e e tt h en e e d o ft h es 0 1idp h a s ee x t r a c t o r b e c a u s ea ne m u l a l o ri sn e e d e dw h e nd e b u g g i n gt h ec o n t r 0 11 e rs y s t e m ， o n e e m l l j a t j o ns y s t e mi sa l s od e s i g n e di nt h jsp a p e r i tj sp r o v c ( 】t ob ee f f e c t i v e i np r a c t i c e t tc a nm e e tt h en e e di nd e v e l o p i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：d cs e r v om o t o r ，p ( ) w e rd r iv e r ，p o s n i o nc o n t r o l ，e m u l a t o r ，d s p ，p w m ， c c s h 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿 意承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：弓a 诳兰 沙口0 年弓月；口日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景及研究意义 固相萃取仪是商品检验、检疫的重要设备，主要用于固体物质的化学分析。在 对外经贸外来中商品的检验检疫对我国环境保护起着关键作用。由于商品检验人 员每天都要面对大量的重复工作，若全由手工完成，则效率相当低下，越来越难 以满足我国对外经贸交往的需要，有必要开发自动设备以应对当前这种局面。 1 1 1 固相萃取仪的结构及功能 图1 。1 是自动固相萃取仪的平面结构图。它的主要组成部份是一个三轴运动 装置和多功能注射泵。泵的注射头( 图中未画出) 固定在可运动的机械臂上，通 过导管抽取样品架中的溶剂或处理过的样品，也可以由泵从别处抽取液体然后加 到样品架上的各个容器中。三轴运动装置是由三个电机驱动，带动机械臂实现注 射头的三维运动。工作时，p c 机作为上位机，用于向电机控制机构和泵发送命令 和参数；待处理的样品分别放置在样品架上每一个容器( 如试管) 中；通过p c 机 设定好样品位置，电机控制部份驱动水平运动的两个电机( x 、y ) 转动，进而带 动机械臂分别到达样品所在位置：z 轴电机驱动注射针头进入容器中完成添加或抽 取样品的动作。 1 1 2 行业发展现状 目前，在国外已经有比较成熟的自动固相萃取仪投入使用，其运动控制系统 的主体结构大都采用专用运动控制卡，或高性能1 6 位单片机作为主控处理器。 电机或采用直流伺服无刷电机，或采用有刷电机。这些仪器普遍价格昂贵，用途 单一，参数设定适应能力差。采用单片机的系统，存在的问题有：由于单片机采 用冯一诺依曼的体系结构，导致其处理速度有限，所以在电机伺服控制中尚0 i 能 实时完成复杂的算法，达到高精度的位置控制；此外在基于m p u 的电机控制系统 中，电机控制一般是靠p w m 信号驱动，单片机内部通常并没有集成这一类外设， 若有单片机软件产生，必然会浪费单片机的时问资源，所以基于单片机的系统通 常都配以专用p w m 波形发生器，往往会使控制系统体积过大，可靠巾牛降低。采用 运动控制卡的系统，其核心通常是运动控制专用芯片，所有运动控制算法都已经 第1 章绪论 固化在内部，用户只需要其提供的函数编程即可。这类系统存在缺点是无法扩展 功能：此外控制卡通常都要占据p c 一个扩展槽，在多数环境中并不适用。 随着数字信号处理器的发展，以d s p 为核心的运动控制器的已体现出了巨大 的优势。 圈 - 1 自动固相萃取仪系统结构图 1 1 3d s p 在电机控制领域的应用现状 d s p 在电机控制领域的应用相对于其它m p u 来说属于起步发展阶段，各d s p 生 产厂家都推出了有自己特色的用于电机控制的d s p 产品。如t i 的t m s 3 2 0 l f 2 4 x x 系列，a d 公司的a d m c x x 系列。 d s p 的用于电机控制系统早期主要用做控制算法的运算，现在设计者让控制功 能也由d s p 来实现，即数字控制系统中d s p 可以处理所有的工作，如与上位机的通 信、数字滤波、通过对输入和反馈信号进行处理来改善噪声和不准确的信号等。 d s p 还可以在高级算法的实时应用上改善系统控制的性能。许多控制算法包括自适 应、神经网络、遗传算法和模糊逻辑，都需要由d s p 的速度和性能来实现。控制电 机的系统，通常都采用p 州方法控制能量转换器，d s p 带有p w m 的产生功能。p w m 产 生单元消除了d a c ，提高了供电量。现在，在交流感应电机的控制，开关磁阻电机 的驱动，功率因数的校f 等方面，d s p 发挥着越来越重要的作用。d s p 有许多专用 的外围设备配合高速的执行特性，使其成为了电机控制系统最好的芯片。综上所 述，d s p 非常适用于电机控制，随着对d s p 功能的不断开发，在电机控制上将取代 单片机而获得巨大的发展。 d s p 有以下适于电机控制的特点： 第1 章绪论 ( 1 ) 速度快 电机控制需要高速的处理器完成各种控制算法，目前的d s p 都设置了硬件乘法 累加器，大都能在单个指令周期内完成乘法累加运算。目前普通d s p 的运算速度 已经到每秒千万次定点运算或浮点运算的速度。高性能d s p 实现每秒上十亿次运算 速度的也已经问世。为了满足f f t 、卷积等数字信号处理的算法特殊要求，目前的 d s p 大多在指令系统中设置了“循环寻址”及“位倒序”指令和其他特殊指令，使 得在做这些运算时寻址、排序及计算速度大大提高。此外高速数据传输能力是d s p 作高速实时处理的关键之一。新型的d s p 大多内置了单独的d m 总线控制器，在不 影响或基本不影响d s p 处理速度的情况下，作并行的数据传送，传送速率可达数百 字节，主要受到片外存贮器速度的限制。 ( 2 ) 结构上的并行性 “并行性”，即在个指令周期内，d s p 所能同时完成多个操作，d s p 内部的多 总线结构使得取指令、运算、读写存储器等都可以同时执行。新型d s p 的发展方向， 是在提高单片d s p 性能的同时，十分注重在结构设计上为多处理器的应用提供方 便。 ( 3 ) 设置仿真模块或仿真调试接口 d s p 系统设计和软件开发往往需要相当规模的仿真调试系统，包括在线仿真 器、许多电缆、逻辑分析仪以及其他的测试设备。这种接口使得系统在线调试成 为可能，也非常有利于系统软件升级。本课题先期开发了用于系统调试的仿真系 统。 ( 4 ) 低功耗 d s p 处理速度越来越高，功能越来越强，但随之而付出的代价是功耗也越来越 大。因此低工作电压和低功耗已成为d s p 性能表征的重要技术指标之一。 ( 5 ) 高集成度 本课题中选用的d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部集成了能够产生p w m 信号的专用电 路、处理编码器信号的正交编码脉冲处理( q e p ) 电路，这种特点使d s p 相对于其 它处理器来说能大大降低控制系统的体积。 1 1 4 课题研究意义 丌发基于d s p 的固相萃取仪在控制性能上远超过基于单片机的系统，在商品 第1 章绪论 检验时操作人员可结合自己样品架的结构具体定制。本课题中自动固相萃取仪运 动控制系统的设计对其它运动控制系统也有较大参考价值。 1 2 本文主要研究内容 本课题主要对固相萃取仅的运动控制机构进行研究和开发，包括以下内容： 第一章，绪论，简要介绍了固相萃取仪的结构及功能，分析了基于单片机的 固相萃取仪的功能缺点，同时介绍了d s p 在本项目开发中的优势。 第二章，仿真系统的开发，设计了用于系统仿真调试用的仿真器电路。 第三章，固相萃取仪位置机构的控制原理，讲述固相萃取仪的位置伺服系统 的结构。包括，电动机的调速原理、电动机的功率驱动电路、反馈元件的应用、 数字测速的方法、另外单独论述了伺服系统的速度和位置控制策略。 第四章，固相萃取仪硬件设计，设计了d s p 为核心的控制器电路，包括：d s p 与上位机串行通信( s c i ) 接口电路、d s p 系统的仿真接口电路、编码器反馈信号的 处理、电机驱动p 1 v m 信号处理等。解决电源管理、时钟管理、未用引脚的处理等d s p 系统设计需要注意的问题。设计并调试电机驱动电路，采用集成电路l 2 9 8 作为系 统电机驱动元件。给出了电机堵转或超载时的保护电路，同时给出保护电路的调 整方法。 第五章，固相萃取仪控制器的软件设计，给出了固相萃取仪运动控制器软件。 制定d s p 和上位机的通信协议，根据上位机传来的位置参数和命令信号，设计具有 位置伺服控制器。采用梯形曲线加减速算法完成转速控制，从而完成精确位置控 制。实际系统中，通过试验调整控制算法的各个参数。 4 第2 章仿真系统的开发 第2 章仿真系统的开发 本文的自动固相萃取仪是完全基于d s p 的应用系统，在开发基于d s p 的系统 时仿真器是必不可少的工具，所以本文首先设计开发了仿真系统。本课题中选用 t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p ，仿真系统的开发也针对t i 公司系列d s p 芯片。 2 1 仿真器的结构 目前仿真器的类型主要有两种：一种是传统的电路仿真器，这类仿真器对用户 器件进行硬件仿真时，仿真器的电缆插头必须插入到用户硬件电路中d s p 芯片的 位置，也就是说，仿真电缆的插头引脚必须与d s p 芯片的引脚一一对应；另一种 是扫描仿真器，它不采用插入仿真的方法，而是通过d s p 芯片上提供的几个仿真 引脚实现实时仿真功能，扫描仿真器解决了电路仿真器仿真电缆过长引起信号失 真，仿真插头与引脚接触可靠性差等问题。使用扫描仿真器，程序可以从片内或 片外的目标存储器实时执行，在任何时钟速度下都不会引入额外的等待状态。另 外，由于d s p 芯片内部是通过移位寄存器扫描链实现扫描仿真的，而这个扫描链 可以被外部串行口访问，因此采用扫描仿真，即使芯片已经被焊在电路板上，也 可以进行仿真调试，这为d s p 应用系统的调试、升级提供了极大方便。本文中开 发的仿真器也属于扫描类型，其结构如图2 1 所示： 图2 1 ：仿真嚣结构图 并行接口电路前端与上位机连接，其功能是建立上位机和目标d s p 的通信接 口。j t a g 控制器是仿真器的核心，它与接口电路之间以并行方式传输数据，然后 转化为仿真要求的串行数据格式，这种格式就是边界扫描的串行数据。接口及缓 第2 章仿真系统的开发 冲电路方面产生仿真要求的时序，另外是起到防止信号衰减的作用。 2 2j t a g 协议 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 是欧洲和北美国家工业界为建立边界扫描 标准而建立的国际组织。j i a g 协议的内容包含软硬件多方面的要求，这里只对边 界扫描的硬件原理及接口标准做说明。 2 2 1 边界扫描的原理 边界扫描技术是在电子元器件发展过程中被工业界提出并标准化的，随着大 规模集成电路的出现，电路的测试工作变得越来越繁琐，传统的测试方法是把器 件所有引脚一一引出，与测试系统的连接器连接好。然后把测试信号加到器件上， 依次测量该器件各个引脚的状况。随着集成电路器件引脚增多，这种方式难以适 应发展要求。一是测试系统的连接器复杂，容易引起测量错误，二是不同的器件 必须用不同的测试系统。边界扫描技术正是克服了这种传统测试方式的缺点。边 界扫描技术的基础是在元件引脚附近建立一个扫描寄存器单元。这些寄存器单元 互连起来组成一个移位寄存器链。在时钟和控制信号的作用下，测试数据以串行 方式通过这个链条，到达各个测试点；也能从这个链条以串行方式读出数据。下 图是边界扫描的示意图。 r、广l 肆 。 、厂l 】， 串 第2 市仿真系统的开发 脚。t r s t 是j t a g 协议的复位命令输入。这些引脚在器件内部不能做其它功能用。 2 3 电路设计 2 ，3 1 与上位机的接口 与上位机的接口电路可采用并行接口、u s b 接口等形式，本课题中采用并行接 口，并行接口芯片采用s m c 3 4 c 6 0 ，电路连接如图23 所示。 a 3 7 8辫 日燃 腻 a 2 f 巍 ：蹴 蓁、逗屡 a l 踟 a o h d d o d 1 5s d 0 铷1 5 器! r d 8 8 s m c 3 4 c 6 0h d ! w r i t dh 刚 可 w rh d 5 r s ts r s t i d e 8 4 ) j 陌t b cc s h a c l ( h p i sh b s y s n 7 4 a c t 8 9 9 0l 孵勰 。腊 圈2 - 3j ”摇l j 并行接f _ | 电路芯片的时钟信号，经1 2 分频后作为测试总线时钟，输出到接口 逻辑器件。此外，输出测试逻辑信号t b c c s ( 测试总线选通) 、p p c s ( 仿真器有效 选通) 、h p i c s ( 主机连接选通) 等信号。 2 3 2j t a g 总线控制器电路 此部份 jj t a g 控制器完成。s n 7 4 a c t 8 9 9 0 足t i 丌发的符合j t a g 协议的测试 总线控制器。它建立了微处理器和j t a g 总线的接口。内部包括，2 4 个寄存器，其 中由1 0 个控制寄存器、2 个命令寄存器、4 个状态寄存器、6 个内部计数器控制寄 存器、一个接收数据寄存器和一个发送数据寄存器。通过地址线s a 0 一s a 5 可寻址 这些寄存器，进行数据传送或状态配置。该器件与微处理器的接口除了上边的地 址线外，还包括1 6 位数据线d 0 - d 1 5 ，读写控制线明t 、船i 、复位信号豫s r 。与 符合j t a g 标准的待测试器件的接口有以下信号，t m s 、t d i 、t d 0 、t c k 、t m s 0 一t m s 5 。 电路如图2 4 所示。 2 3 3 仿真器的供电 仿真器的供电可以有两种方式：由目标板供电，外加电源供电。为了保证两 第2 章仿真系统的开发 种方式下都能正常工作，做了以下电路设计如图2 5 所示。 t c k l t d i t m s n c t r s t g n d t c kg n d t d o k 触最 g n n r m s d t m s l t m s 5 s n 7 4 a c t 8 ，0 ( ；n d t c k l t d oe m u l t d i v de m u 日 圉2 0 ：盯a g 总线控制器 g 连接器 圈2 - 5 仿真嚣的电翻 2 4 接口逻辑器件 接口逻辑器件g a l l 6 v 8 完成仿真时的信号时序关系控制，如图2 4 所示。 逻辑器件的输入有测试时钟t c k ，来自目标板；总线时钟b c l k ，来自并行接口 电路s m c 3 4 c 6 0 的输出；测试模式选择t m s o 、1 m s l 、t m s 5 、测试数据t d o i 来自s m c 3 4 c 6 0 的三个选通信号t b c s 、h p l c s 、p p c s 。输出信号：经过缓 冲的t m s 信号、数据信号t d 0 ，与目标板t d i 相连。其内部逻辑关系为：在总 线时钟b c l k 作用下，t m s 接收串行模式信号，由t m s o 、t m s l 、t m s 5 决定。在 测试时钟作用下，根据当前模式进行串行数据传送，或有目标板读取，或者由目 标板接收。g a l l 6 v 8 属于可编程逻辑阵列，采用a b e l 硬件描述语言完成其内部 逻辑代码。 第4 章固相萃取仪系统硬件设计 第3 章固相萃取仪位置机构的控制原理 固相萃取仪的核心是由三个电机与传动机构组成的运动控制系统，其关键的 技术指标是机械臂运动的位置精度，因此选取执行电机和位置反馈元件以保证系 统位置控制精度非常重要，所以首先必须选取执行电机和位置反馈元件以保证系 统位置控制精度。直流电动机以其线性好，调速方便，驱动电路简单成为许多调 速、位置控制机构的首选。由于本系统经常有高速到低速的转换动作，而步进电 机在低速时容易出现振荡，因此本系统未考虑采用步进电机的方案。反馈元件是 保证位置控制精度、调速稳定性的重要元件，本系统选用高精度编码器作为反馈 元件。执行电机、反馈元件、控制器、电机驱动电路共同组成的运动伺服系统作 为固相萃取仪的位置控制机构，如图3 一l 所示。 塑簦刊控制嚣h 电警卜 m h 控制对象f l 。斗习 采用数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制器的主控芯片。该器件是t i 公司推出的用于工业控制领域的数字信号处理芯片，其内置的p w m 生成电路和 o e p 电路使电机控制系统能够节省许多外围器件，提高系统可靠性。 电机驱动电路采用h 型全桥驱动集成电路。 p c 机作为上位机，与控制电路之间的通信通过r s 2 3 2 接口，r s 2 3 2 接口传输 距离长，抗干扰能力强，非常适合现场需要。在上位机上创建系统的控制软件界 面，完成该仪器工作时样品位置参数设定、启动仪器工作、紧急停止等命令。 3 1 电机选型及其控制 执行电机的选型要考虑几个因素：负载大小( 转矩) 、速度要求、控制特性。 固相萃取仪机械传动机构作为电机负载 性要求首先是位置控制，然后要求转速。 作为固相萃取仪的执行电机。 9 运行中属丁恒定负载。本系统的控制特 所以本课题选用m a x o n 直流有刷电机 第4 章嗣相萃取仪系统硬件设计 3 1 1 转速控制原理 直流电动机可用如图3 2 的等效电路来表示，由此可以的到它的数学模型。 电压平衡方程如下： u = e + r i + l 皇! ( 3 1 ) d f 式中：u 电枢外加电压； i 一电枢电流； r 电枢回路等效电阻； e 电枢的感应电动势； l 电枢电路总电感。 其中感应电动势计算： e = k m n 式中： k 一感应电动势计算常数 m 一磁通： n 一电动机转速。 由上两式可导出： 。：! ：! 竺：莹 n 2 1 l 矿“ l 。 ! q u r 图3 - 2 ：直流电动机的等效电路 直流电动机的电磁转矩为：t m = k t i 加上负载后的转矩平衡方程为：t m = t l + j 掣 d f 式中： j 一折算导电动机轴卜的转动惯量； t m 一电动机的电磁转矩； ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) 第4 章同相萃取仪系统硬件设计 t l 一负载等效转矩； 一电动机的角速度； k t 一电动机转矩常数。 由式3 3 可知，对直流电动机转速控制方法分为两类：对励磁磁通进行控制的 励磁控制法和对电枢电压u 进行控制的电枢电压控制法。励磁控制法是在电枢电 压保持不变时，通过调整励磁电流来改变励磁磁通，从而实现调速。这种方式调 速范围小，在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受火花和换向器结构强度的限 制，并且励磁线圈的电感较大，动态响应差，所以这种控制方法很少采用。电枢 电压控制法时在保持励磁磁通不变的前提下，通过调整电枢电压来实现调速。在 调速时，保持电枢电流不变，即保持电动机输出转矩不变，可以得到具有恒转矩 特性的大的调速范围，因此大多数应用场合都使用电枢电压控制法。 3 1 2 功率驱动电路 对直流电动机的驱动离不开半导体功率器件，如晶体管、m o s f e t 、i g b t 等。 对半导体功率器件的使用分为线性放大驱动方式和开关驱动方式。线性放大驱动 方式是使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的特点是：控制原理简单，输 出波动小、线性好、对临近电路的干扰小。但是功率器件在线性区工作时效率不 高。因此这种方式只适用在数瓦以下的小功率直流电动机中。对绝大多数电动机 采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉 宽调制( p w m ) 来控制电动机电枢电压，实现调速。图3 3 是利用开关管对直流 电动机进行p w m 调速控制的原理图。 圈3 3 ：直流电动机p w m 控制原理和电压被形图 第4 章同相萃取仪系统硬件设计 当丌关管v l 的栅级输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端由 电压u ，经过t l 时间后，栅级输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电 压为零。t 2 时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这 样，对应输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图3 3 b 所示， 电动机的电枢绕组两端的电压平均值为q u s 。 占空比值表示了在一个周期t 里，开关管导通的时间长短与周期的比值。旺的 变化范围为o 虫s l 。由此可见，电源电压u s 保持不变的情况下，电枢的端电压的 平均值u 取决于q 的大小，改变a 就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的 目的，这就是p w m 调速的原理。p w m 调速实现过程中，改变占空比可以有多 种方法： ( 1 ) 定宽调频法：保持t l 不变，只改变t 2 ，这样使周期t ( 或频率) 也随之改 变。 ( 2 ) 调宽调频法：保持t 2 不变，只改变t 。，这样使周期t ( 或频率) 也随之改 变。 ( 3 ) 定频调宽法：这种方法是使周期t 保持不变，而同时改变t l 和t 2 。目前， 在直流电机控制中，主要使用定频调宽法。 在图3 3 的原理电路中，流过直流电机的电流只能从一个固定方向流过电机， 因而电机只能有个转动方向。本系统中要求电机能够两个方向都能旋转，因而 必须采用其它的电路形式。实现直流电机能够正反两方向旋转的驱动电路类h 型 和t 型。两种电路相比较有以下特点： t 型电路结构简单，可以实现电能的反馈，但是要求双电源供电。且功率开关 管承受的反向电压较高，为电源电压的两倍。t 型电路只适合小功率低压伺服电动 机系统。h 型双极性模式的p 州只需单电源供电，功率开关管的耐压要求要求较低， 只是电枢两端电压悬浮，不利于引出反馈，且基极驱动回路数比t 型电路多。通 常h 型用于高压伺服电机。 结合以上因素，本系统中最后采用h 型双极性模式的驱动电路。图3 4 是其原 理电路。图中4 个丌关管分为两组，v l 、v 4 为一组，v 2 、v j 为一组。同组的开关管 同步导通或关断，不同组的开关管导通与关断的时序j 下好相反。二极管、，d l v d 4 为续流二极管。 第4 章圃相萃取仪系统硬件设计 在每个p w m 周期里，当控制信号u i l 高电平时，开关管v 1 、v 4 导通，此时 u i 2 为低电平，因此v 2 、v 3 截止，电枢绕组被加上从a 到b 的正向电压；当控制 信号u i l 低电平时，开关管v l 、v 4 截止，此时u i 2 为高电平，因此v 2 、v 3 导通， 电枢绕组被加上从b 到a 的反向电压。由于在一个p w m 周期里电枢电压经历了 正反两次变化，因此其平均电压u 计算如下： u = 争一! 生】u s = ( 等一1 ) u s = ( 2 1 ) u s ( 3 6 ) 由式3 6 可见，在双极性可逆p w m 驱动时，电枢绕组承受的平均电压取决于 占空比a 大小。当u = o 时，u = u s ，电动机反转，且转速最大；当值= l 时，u = u s ，电动机正转，转速最大；当a = 1 2 时，u = o ，电动机不转。此时虽然电动机 不转，但电枢绕组中仍然有交变电流流动，使电动机产生高频振荡，这种振荡有 利于克服电动机负载的静摩擦，提高动态性能。 图3 ：h 裂双擞性驱动原理电路 由于采用p w m 控制电机绕组两端的电压，电枢绕组中的电流在一个p w m 周 期内是脉动变化的。研究各种情形下电枢绕组中的电流是实现电机精确控制的基 础。 当电动机在大负载下工作时，平均电压u 人十感应电动势e 。在每个p w m 周 期的o t l 区间，v 1 、v 4 导通，v 2 、v 3 截止，绕组中有从a 到b 的电流，如图3 4 中虚线l 。在t 2 到t 3 区间，虽然电枢绕组加反向电压，但由于绕组的负载电流较 第4 章固相萃取仪系统硬件设计 大，电流的方向仍然不变，只不过电流在急剧下降图3 5a 。 当电动机在轻载下工作时，负载电枢电流很小，电流波形基本上围绕横轴上 下波动( 图3 5 b ) ，电流的方向也在不断变化中。在每个p w m 周期的o t l 区间， v 2 、v 3 截止，开始时，由于自感电动势的作用，电枢绕组中的电流维持原流向从 b 到a ，电流流向如图3 4 中虚线4 ，经二极管v d 4 、v d l 到电源，电动机处于再 生制动状态。由于二极管v 卟v d l 钳位作用，此时v l 、v 4 不能导通。当电流衰 减到零后，在电源电压作用下，v 卜v 4 开始导通。电流经v i 、v 4 形成回路，如图 3 4 中虚线1 。这时电枢电流的方向从a 到b ，电动机处于电动状态。在t i 到t 2 区 间，v l 、v 4 截止。电枢电流在自感电动势的作用下继续从a 到b ，其电流流向如 图3 4 中虚线2 ，电动机处于电动状态。当电流衰减到零后，v 2 、v 3 开始导通，电 流流向如图3 4 中虚线3 ，电动机处于耗能制动状态。所以在轻载下，电动机的 工作状态呈电动和制动交鸷变化。 由以上的分析可知，在电枢绕组中的电流并不是稳定的直流。脉动幅度大小 与p w m 周期大小和线圈回路的时间常数有关，实际系统中应在允许条件下尽量提 高p w m 周期，至少应大于电机的时间常数l r 几倍以上。另一个问题就是在h 桥中应避免同一侧的两个开关管同时导通，否则会有从电源到地的直接通路。这 可通过在互补脉冲信号u i l 、u i 2 之间加上死区时间解决。 ： 人八i 八 f a 】大负载运行 图3 5 ：h 型双极性可逆p w m 驱动电流波形 3 1 3 电机运动过程分析 固相萃耿仪系统中电机运动方式是电机不断运转、停j 仁、然后再运动，如此 第4 章固相革取仪系统硬件设计 重复的过程。电机启动停止的特性与系统位置控制精度直接相关，以下对直流电 动机的启动、停止过程及加减速进行分析 直流电动机可以全压启动，即以最大容许电压启动。刚开始时，电机速度为o ， 没有反电动势。由式3 1 可知电枢电流会线性增长，同时电流会产生个较大的 电磁转矩，若此转矩大于负载转矩，电机开始加速旋转，随着转速增加，反电动 势的存在使电枢电流下降，当电流下降到使电磁转矩与负载转矩相等时达到平衡 状态，电机以恒定速度转动。 当电枢两端电压下降时，反电动势大于电枢电压，电枢向电源回馈能量，使 电流下降，电流下降的结果是电磁转矩小于负载转矩，电机开始减速，速度降低 后反电动势减小，这样由会使电流有所增加，重新达到新的平衡点，电机以较低 转速稳定运转。若电枢两端电压继续下降，转速会继续下降，当电压小到使电枢 产生的电磁转矩不足以克服负载转矩时，电机停止运转。 3 2 位置反馈元件的应用 3 2 1 光电编码器原理 在本系统中，位置反馈元件是实现精确控制的基础。常用的反馈元件有光栅 传感器、测速发电机、光电编码器( 俗称码盘) 等。在高精度控制中光电编码器 应用居多。光电编码器是一种通过光电转换将轴上的机械几何位移量转换成脉冲 或数字量的传感器。按照编码形式的不同，光电编码器分为绝对式和增量式两种， 本系统中采用增量式光电编码器。增量式光电编码器的基本结构由旋转轴上的编 码圆盘以及装在圆盘两侧的发光元件和光敏元件组成”3 。圆盘上规则地刻有透光和 不透光的线条或孔，当圆盘随着转轴旋转时，光敏元件接收的光通量强弱随着光 线条同步变化，光敏元件波形经过整形输出变为脉冲输出。光电编码器的输出信 号有a 、b 、z 三个信号，其中a 、b 输出的是正交脉冲( 相位差9 0 度) ，正转时 a 相超前b 相9 0 度，反转时则相反；z 信号是零位信号，每转动一周，就有一个 脉冲输出。增量式光电编码器的主要参数是它的线数，线数越多，编码精度就越 高。假定一个编码器线数为n ，则电机每转动一周，a 、b 相就有n 个脉冲输出。 a 、b 、z 输出信号的时序关系如图3 6 所示： 3 2 2 光电编码器测速方法 第4 章固相革取仪系统硬件设计 利用光电编码器测速属于数字测速，由于具有低惯量、低噪声、高分辨和高 精度的优点，有利于控制直流伺服电机。常用的测速方法有： ( 1 ) m 法测速：在规定的时间间隔t 。内，测量光电编码器输出的脉冲数，来获 - 几几i 1 厂 广 厂 厂 z i 图3 ：增量式光电犏码器信号波形 得被测速度值，这种方法称为m 法。m 法测速的原理如下图3 7 所示，因为只有取边 沿信号才能保证测量时间的准确性，因此该方式不可避免会产生测速误差。若编 码器与电机转轴连接，线数为n ( 每转产生n 个脉冲) ，在时间间隔t 1 内对脉冲进行计 数并得到计数值 那么可推算出转速为： n ：重堕( r p m )( 3 7 ) 由上式可知，m 法测速的分辨率为可测得的最小转速问隔，这个间隔等于一个 计数脉冲所导致的转速差： r ：旦 ( 3 8 ) n 由上式可知，在编码器线数n 和测速间隔t 一定条件下，m 法测速的分辨率与转速无 关。 事实上，r 也是转速测量的最大误差，所以转速测量的相对误差为： e ：里：土( 3 9 ) 在高速情况下，m ，值较大因而有比较小的相对误差，所以m 法测速适合于高速测量 场合。 图，- 7 ：m 法测速原理 采用m 法测速所得到的速度实际上并不是检测时间到达时的瞬时速度，而是过 6 第4 章固相萃取仪系统碗件设计 去t 。时间内的平均值。因此作为伺服系统中的反馈环节，m 法测速具有滞后特性并 有可能影响系统的控制性能。在编码器线数n 不变的情况下，如果要提高转速分辨 率和降低相对误差就要增加检测时间t ，。但是为了系统的控制性能又需要减少检测 时间提高反馈环节的实时性，这两方面的要求是互相矛盾的，解决这个矛盾的出 路是采用线数较高的编码器。 ( 2 ) t 法测速：测量相邻两个编码器输出脉冲的时间间隔来确定被测速度的方 法叫做t 法测速，适合于低速时测量。选定一个固定频率时钟脉冲计数器作为基准， 由编码器两个相邻脉冲边沿控制其启动与停止。计数器的脉冲计数值就反映了速 度大小。t 法测速的原理如下图3 8 ： 假定基准脉冲计数器频率为f c ，计数值为m 。，则可用下式计算转速 n ：塑生( r p m )( 3 1 0 ) m 2 t 法测速的分辨率等于一个基准时钟所导致的转速差。 r ：坐一! 坚：l ：! ：丛( 3 一1 1 ) 7 、锄2 j v ( 所2 + 1 ) 脚2 + l6 ( 够+ ，l 由上式可知，t 法测速在低速时的分辨率优于高速时。t 法测速的相对误差同 1 样取决于一个计数脉冲，应该是二。显然转速低时m 2 较大，导致相对误差也小， m 2 这说明t 法适用于低速的测量。t 法的检测时间就是编码器输出的脉冲周期l 。当转 速提高时，尽管分辨率和准确度有所下降，但其测量的实时性却相对提高。t 法测 速关键是选用计数器的脉冲频率和字长，脉冲频率高有利于提高测速精度，但过 高频率会造成测低速时，计数器字长过长。 。jjj，、jll 。- 、，j 圈3 8 ：t 法测速原理 ( 3 ) m t 法测速：m t 法综合了m 法和t 法的特点，m t 法测速的原理如下图3 9 ： 首先确定个时间t ，( 如1 0 m s ) ，在这个时问内对编码器输出脉冲的计数可达适当数 量，而且这个时间的启动与编码器输出脉冲的前沿或后沿同步；在t ，的基础上延长 第4 章固相萃取仪系统硬件设计 一个变动的时间t ，使得计数要等到下一个传感器脉冲到来时才算结束，因此实 际的测量时间为t = t 。+ t ，显然在转速变动的条件下这个时间并不是固定的，但是 变动的目的是使得t 为编码器脉冲周期的整数倍。设置两个计数器分别对编码器输 出和基准时钟计数，得到计数m 。和m 。若被测轴在t 时间内转过角度x ，则有： x ：三型( r a d ) n 而经基准时钟计数得到的时间为： t = 竺 ： 可得到转速为： n ：坐：塑：业：堕( k ：坐)( 3 1 2 ) 。z 丌i ?n j i ?n m 2 m 2 n 一般要求基准时钟频率远高于编码器输出频率，所以m t 法的分辨率主要取决于f 。 应为： r ： 垒竺 ( 3 一1 3 ) 埘2 ( m 2 一1 ) 在满足t 和编码器脉冲同步并等于其整数周期的条件下，m t 法的相对误差来源于 m ：的一个计数，即上。 一 一 - 一 编码嚣输出 计数脉冲 l il 【i i ，j l j 1 【j 1 j 【j 。【，j ，i j 。1 i 1 ，j 【j 。j ，【u 圈3 _ 9 ：m 仃法测速原理 3 2 3 电机转向的判别 从a 、b 两个信号的相位关系可以判断电机的转向，通常利用逻辑电路加以判 断。由于本系统中使用d s p 2 4 0 7 作为主控c p u ，其内置的0 e p ( 正交编码脉冲电 路) 能够检测a ，b 两相信号的相位关系并得到4 倍频a 或b 的脉冲，所以没有 必要增加编码脉冲的处理电路。另外，光电编码器为了提高抗厂扰性能，输出信 第4 章固相萃取仪系统硬件设计 号通常采用差分形式，即a 相包含a + 和a ；b 相包含b + 和b ；z 相包含z + 和 z 一，在进入控制系统前必须经过一个差分到单端的处理。 3 3 控制器的算法 基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的控制器是固相萃取仪中实现位置伺服控制的核心。控 制器首先要输出驱动电机所需要的p w m 信号，根据编码器反馈的电机位置信号计 算电机转速，根据控制需要调节输出p w m 信号占空比，实现调速和位置控制。以 下是本系统中采用的速度和位置控制算法。 3 3 1 数字p i d 算法 在伺服系统中，数字p i d 控制是应用最广泛的一种控制方法。由于直流电机转 速与电枢外加电压的大小基本上成正比，这就构成了p i d 调节的基础。 在连续控制系统中，按偏差的比例( p ) 、积分( s ) 和微分( d ) 进行控制的p i d 控 制( 或称p i d 调节) 是虽为常用的一种控制规律，它具有原理简单、参数调整方便、 易于实现等优点。p i d 控制器中比例调节器的作用是对于偏差做出瞬间快速反应， 偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使控制量朝着使偏差减小的方向变化， 控制作用的强弱取决于比例系数k p ；积分调节器的作用是把偏差累积的结果，作为 它的输出，在调节过程中，只要偏差存在，积分器的输出就会不断增大，直至偏 差等于o ，输出才可能维持某一常量，使系统在指令信号不变的条件下趋于稳态； 微分调节器的作用是阻止偏差的变化，偏差变化越快，微分调节器的输出也越大。 微分环节的引入使系统对干扰特别敏感，即一旦出现干扰，通过微分项的运算有 可能引起很大的控制量的变化。因此，本系统中选用p i 控制算法。 模拟p i 控制器的控制规律为： u ( t ) = k r e ( t ) +