（物理电子学专业论文）纳米伺服电机应用的研究.pdf

摘要 本论文献工瑕翁莛度上，详缨缝论述了难笾移壤度这铡续米缴魏壤 米伺服电机及其驱动的研究、设计及实现过程。本题目主疆研究了阴极 材料发射均匀性测量中对操作平螽的控制运动。采用了德国p i 公司的 绣笨稠袋奄辍鸯主要设备。 阴极材料发射均匀性测量系统中要求应用位移精度为纳米级的纳 米伺服电娥，本文主要以p l 公司的m c l 2 l o o 系歹l 纳米儡服电枫为主要 磷究对象，对其尹 特性以及与其醚套使用的e 一8 4 3 卡的特性进行了较为 细致的研究。在对电机性能以及硬件分析理解后，为其编写了控制程序， 最终成功疲瘸予爨极越辩均匀性溅鬟系绞中。 纳米侗服电机在国内外的研究和应用郝尚为起步阶段。近几年来纳 米技术、微机械系统、通讯传感技术、半搏体技术、光电子技术、微生 锡技寒疆及靛空靛天技术静逐猛发震，都簧求采麓态精密静位移驱动装 置，以满足其发展的需要，所以，精度为纳米级的电机应运而生，并在 各高科技领域内扮演重要建色。 本系统是k b 0 3 4 2 顼弱实际需要出发丽设计的，它其裔溯量精度高， 操作简单的突出特点，本研究成果已完全应用于 $ 0 3 4 2 号科研项目。 关键询：纳涞伺服电机，酣极材搴萼测置平台 a b s t r a e t h ee o n 拄o lo fn a 翦os e r v o 王n o t o 贼c hd i s p l a e e m e 珏tp f - e c i s i 槐c a n f e a c hn a i l o m e t e i ja f l dm ed e s i g n i n g 锄dt h er e 胡i z a t i o np r o c e s so ft h e c o n t r o ls y s t e mw i t hi n t e l l i g e n c eh a v eb e e nd e t a i l l yd i s c l l s s e di nm i st h e s i s f b mt h ea n g l eo f 娃l ee n g i n e e 矗n g 1 强ec o n t f o lo ft h eo p e 黼蛀o nn a to ft h e c a l 圣l o d ee m i s s o 箍m a t 。r 主蕊a u t o m a 蛀e 醚e l s u 瑚持n ts v s t e m 蠡8 s e n d i s c u s s e di nt l l i st l l e s i s a n dn l en a n 0s e r v om o t o ro fp ic o m p a n yi su s e da s t l l em a i ne q l l i p m e 毗 鼍e 啪。一m o 茬。娃| 矬好埝rl 瑶sb e 牲d l 删d e di 珏c a 重b o e m s s i 潍 m a t e r i a la u t o m 撕cm e a 8 u r e m e n ts y g f e m ，i tc a nm o v ei nm ep r e c i s i o no f i l a n 肛m e 衄：1 附sp 印e rd i s c u s s e st h ef e a m r eo fm c 一2 1 0 0n a i l om o t o r a 1 1 d d 翻嚣l l l yd e s c 延酶i t s 昝f 翻糍a 鑫e e 鞠嬉t h ec 一戥3e a 斑a s 沁e 扛口l l 材o fi t a f 酗+ m ea n a l y s i so fn a l l os e om o t o r 踟心i t sc o n t r o c a r d ，t 圭l i 8 p a p e r p r 0 v d e “sc o n t r o lp r o g r a m ，a n d 廿1 e n 印p l yi ti n t ot l l ec a t l l o d ee l m i s s i o n m 融喇a la 呔o m a t i cm e a s m e n ts v s t e m 确ed 蚴e s 珏c 砖鼹耀确砸罐a p p l y 撤e n to f 穗on 黝掰。蚕。ri ss 毫鞋l 越磕e p n m a r ys 协g e r e c e n ty e a r s ，mn l ed e v e l o p m e n to fn a n ot e c i l n o i o g v 、 m l c r 0 啪舵h 量i l e s y s t 锄、 s e n s o ro ft 融e c o m m 岫a t i o n 、 s e m i c o n d u c t o r t 。两鞋o l o g y 、p 酗沁- e l e 删et e e b o l o 舒、氆i e 毽a 珏i s m 鞠硅警a c e ，羯蠹，i l i sl l i 髓l yd 锄a n d e dav e r yh i g ha c c l l r a t em o v i n g s y s t c m s on 孤om m o rh a s c a l n ei n t ob e i n g ，a n dp l a y e dav e i yi r r l p o r t a n tr 1 e 1 弑ss y s t e mi sd e s i g n 耐a c 越遗gt o 氇ef a 魄戚d e 珏臻n d 碡k b 0 3 4 2 + 巍，s p r o m l n e n tm e h tl s 也a tnh a s 髓e a s yo p 枷o na n da 赫 斑p r e c i s i o n t h i s s y s t e mh a sa l r e a d y a p p l i e dt ok b 0 3 4 2 k e yw o r d s ：n a n os e 丹nm o t o r ，a 臻o d em 8 l 露妇蝴m 鞠s h 黼m 强l 纛耵 第一章绪论 阴极研究始终是真空电子器件研制与发展的核心之一，而阴极材 料的发射均匀性是阴极材料的重要指标，常规在不同温度、压力、电压 情况下对阴极材料电发射特性的研究不能测量发射均匀性，人工测量存 在精度不高，时间长等缺点，而且大量占用专业人员的时间，况且进行 纳米级调整幅度的测量也是人工测量无法准确完成的。因此设计开发自 动测试系统是解决该问题的关键。 1 1课题来源、背景、目的及意义 课题来源于北京工业大学国家2 “工程基金项目“阴极材料均匀性 测量系统”。 电子发射体的发射特性不仅是衡量发射体性能优、劣的主要依据， 更是真空电子器件设计与研制的重要参照。发射特性表征方法的可靠和 测量结果的准确是十分重要的。 在我国，数十年来阴极发射特性都是用手动测量来完成的。手动测 量有很多缺点，例如，数据采集和读取会引入大量计量误差；数据的处 理会受到很多限制；特征参数的确定将受人为因素的影响很大。随着计 算机技术的飞速发展，迫切需要一种用计算机来实现阴极材料参数自动 测量的方法。正是在这样的背景下，我们开始了阴极发射均匀性自动测 量系统的研制工作。该系统设计目标是可由微机控制完成阴极的脉冲与 直流热发射测量和次级发射特性的测量，以及阴极表面发射均匀性的测 量。 本系统计算机测量的难点主要在于：对于阴极材料的测量中，由于 测量物体的精小，所以要求对测量走位精准到纳米级。而在国内，如此 精准的测量仍很少见。本文主要采用了德国p i 公司的纳米伺服电机为 主要设备，并对其进行了较为全面的研究，最终将其应用于阴极材料均 匀性测量系统中。这种纳米电动机运动灵活，对温度和化学条件要求宽 松，在真空里也能运转，而阴极材料的均匀性测量，必须要求在真空中 才能测得微小的阴极发射电子，所以，纳米电动机能在真空中运转的特 性尤其适合本项目的需要。 纳米技术依赖于纳米精度驱动、定位、位移测量及相关加工技术与 设备。实现连续的纳米位移是纳米加工、操纵、测量等领域的关键技术。 纳米位移驱动器稚纳米加工、光通信、航海、航天、天文、光学蹲广泛 的领域具商重要腹用价傻。其应用范围包括：激光加工中光束的聚集与 邀位，光绎与条形渡导的对接藕合一竞纤藕合螽；竞绎与先纤豹对准 熔接一光纤熔接机；精密流体控制阀；电声、电声一电倍频器、 混频器；糖密枫械艇工的精密进给与定位；在微魄子萝l 械系统技求中也 霄重要应糟，饲如：在大规模集成电路制备技术中的电路光刻、掩膜、 线宽定位等的加工中实施可编程调焦、自动对准、精密定位等功能。空 润军事武器系统：弱予叁逡应光学变形镳瓣凌终飘行器，饺反辩辘实瑗 波前校正，消除大气对空间成像目标清晰度的影响；高性能陶瓷微位移 驱动器相接雷达天线，采用这种天线的鬣达可以用于目标捕获、火力 控髓。该瞧移l ；在缡米技术、锾秘械系统、遥禳传戆技术、半导体技术、 光电子技术、微生物技术以及航空航天技术领域都存在现有或潜在的广 阁枣场。 对纳米伺服电机的研究和应用，是溺极材料均匀性测最中的关键性 技术之一，因此对纳米伺服电机殿其驱动的研究飘有重要价值。纳米伺 服瞧援奁潮内终黪磷究霸瘫瘸都滏藩起步除段，搿诧本潆怒其蠢蘸要意 义。 1 2国内外发展及现状 器静貔莺国内对于翳缀率孝科静溅量还箨蜜在举动酚羧，现有静设备 只能测量脉冲发射特性，不能测量材料的发射均匀性；阴极材料发射均 匀性的测擞在我圜造属空自，没蠢耪关的资料可以借鉴。蕊在国外，摆 报道，美翳军方曾在8 0 年代设计过一台胡辍材料发射均匀性测量仪器， 但是由于军事保密的原因，无法获得相关的资料，并且现已销毁。日本 弱极耪料灾验室奁9 0 年代设诗了弱掇耪瓣发瓣均匀经测爨系统，并显 公布了测爨数据： 测量对象是阴极发射出来的电流，通过大小为5 ”m 的小孔，在大 ，j 、为2 m 搬2 m m 虢平瑟上避行溺蓬。在5 5 移肉彳亍扫完行，共灞穗 1 0 1 1 0 1 个点，也就是x 和y 方向分别以2 0 岬为一步进行测量。将测 褥数据记泶下来，并作图照示。本越垦裁蹩根据鼗数据熬测量方式穗定 的方案。 1 3本文主要工像 本霆嚣主要磷宠了戮掇糖誊李发射均匀瞧测量中对撵终乎台翁控裁 2 遥动，采厢了德国p i 公词的纳米伺服电机为主要设备，纳米伺服电机 在国内外的研究和应用郝尚为起步阶段。近几年来纳米技术、微机械系 统、逶讯俦惑技术、半导体援术、毙电子技术、微生耪技零戳及靛空靛 天技术的迅猛发展，都要求采用商精密的位移驱幼装置，以满足其发展 的霭要，掰以，糖度为纳米级的彀规应运褥生，势在苦离秘按领域内扮 演霾要角色。 本文主要以p i 公司的m c 2 1 0 0 系列纳米伺服电机为主耍研究对象， 慰其努特健戳及菇其配套镬月戆c s 4 3 瞧凝控翱专鹣跨栏进行了较淹 细致的研究。主要内容如下： 1 、岚流伺服电机工作原理 2 、戮极孝孝籽发射均匀毪灞量系统穰逑 3 、纳米伺服电机驱动卡c - 8 4 3 卡的研究 4 、p c i 总线按日卡撅述 5 、鞠米伺服电视的应用示例在溺极材料均匀性测量中的应用 3 第二章直流伺服电机调速原理 在控制系统中，伺服系统是一种应用十分广泛的系统。直流伺服电 机又称执行电机，它是控制电机的一个种类，在系统中用作执行元件。 直流伺服电机可以把输入的电压信号变换成为轴上的角位移和角速度 输出。根据被拉对象的不同，由直流伺服电机组成的伺服系统一般有三 种基本控制方式，即位置、速度和力矩控制方式。通常位置和速度用得 最多。 在伺服系统中，控制电路十分关键，它直接影响到系统的性能品质。 在本章我们将先讨论直流伺服电机的特性，然后介绍直流伺服电机的调 速原理，并对几种调速方法进行比较分析。最后详细讨论直流伺服电机 转速脉冲宽度调制( p w m ) 实现方法。 2 1 直流电机的特性 直流电动机的电势平衡方程为： u 。= e 。+ i 。r 。 式中的e = e 加上式可得出电机运行转速公式： u l ( 兄+ 矗，) 挖= 一 e 庐 式中：电枢电压 e 电枢反电势 电枢电流 疋电枢电阻 刀转子转速 每极总磁通 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 4 e 常数 c 。冲n 炳a ( p 是磁极对数，n 是电枢绕组导体数，a 是并联支路的对数) 毛为电枢电路中串入外加调节电阻 2 2 直流电机的调速原理 根据电机转速公式2 - 2 可知：直流伺服电机的转速在实际应用中有 多种控制方法为了达到调速的目的，一般可以采用以下三种方法： 一 1 ) 改变励磁电流来改变磁通巾 2 ) 改变加于电枢回路的端电压u 3 ) 改变传入电枢回路中的电阻q _ 耍望警望2 1 来分析一下这三种方法的优缺点，并选择一种方法 用于本系统中直流伺服电机的转速控制。 m ： n u 、， h 、 m c m ： 改变励磁电流调速 改变电枢屯压调速 改变电抠劂路串接电阻调速 图2 i 三种电机调速原理 咎图，2 ! 中可以看到：改变励磁电流( 调节巾值) 来调速，理论上范 围很大，但它只能调高，不能调低，最低为调节电函，o 哥，需直高嵩 也受电机转子的机械强度和换相等等因素的限制；改变胄调速，只能 调低不能调高，最高值为月= o 时。这种方法效率低，使电机的机械特 性变软，一般不使用；改变电枢电压来调节转速，不改变电机的机械特 性，而且可使电机反转，能在极宽广的范围内平滑调速。在直流伺服电 机的自动控制系统中，主要采用电枢控制，因此本系统也选用电枢控制 调速方法。 用f ( t ) 来表示的转速n 的函数，其中包括电磁过渡过程和机械过渡过 程，但由于电磁过渡过程比机械过渡过程要短得多，所以只考虑机械过 渡过程，于是有： 乃孚；+ 要+ 聍= ( 2 3 ) 靠= j 黑为机电时间常数 。6 0 e 2 巴”“” 乃2 乏 为电磁时间常数 2 茜 为空载转速 一般乃 l ，因此( 2 3 ) 式可简化为： k 石+ 珂2 ( 2 - 4 ) 对( 2 _ 4 ) 式进行拉氏变换可得直流伺服电机的传递函数： l 郦，2 器2 尚2 南 沼s ， 式中k = 1 e 乒为静态放大系数。 由上式看出直流伺服电机是一个惯性环节。设所加电枢控制电压为阶跃 电压矿，则其拉氏变换为： 帅) 专 ( 2 _ 6 ) 输瀣转速蜒曲： 雄m 删专霉啬= 姣意矗 c 硼 豳2 1 2 说明电枢上加入阶跃电压以时。巍流饲服呶枫转速n 从o 变到稳态玑吒的过渡过程。 n 矿 x pc 0厂 t 圈2 2 直流电机空载特性 毫流电机的启动方法大致有三种：直接起动浚、起动电阻法，改变 电源电压的压降法，壹接怒动法是将恒定嘏压的直流电源纛接加劐电动 机上进行全电压起幼的方法，仅用于l k w 以下的电动机上，起动电阻 法，不论手动还是爽动郝楚逐濒将痉毯电辍懊除熬方法。这夔续秘复杂 他。第三种调节电压法，搬电压上阡从零搿始徐徐上升迸彳亍启动。这种 方法十分方便，由控制卡发出控制信号使输出脉冲的高电平期间由o 逐 蘩达到爨簧求转速豹辣宽稳。 2 。3 脉爨调逮原理： 伺服呶机在实际应用中有多静控制方式，前蘑已经提爨在本系统中 7 采用电枢控制。电枢控制在本质上是向伺服电机的控制绕组提供一定的 幅值控制电压，而直流伺服电机的电枢绕组便是控制绕组。 由于p w m 调速方便、精确、稳速效果好，故在微电机调速控制中 广泛应用。其原理就是以一固定直流电压经过以一定频率打开与闭合的 开关k 的控制来改变电枢上的电压。设当电机一直接通电源时速度为 圪一开关开闭周期为t 、每次闭合时间为t ，那么当占空比为d = t ，r 时，电机的平均速度为： 矿，= 圪。d ( 2 8 ) 其中： 电机的平均速度 d 刮t 电机接通时的最大速度 占空比 电枢两端的平均电压为： 虬= l r ，r = u 。 ( 2 9 ) 由2 8 式和2 9 式可知当t 不变( 即开关的开关领率固定) 时，只要 改变导通时间t ，就可以改变电枢两端的平均电压。从而改变电机的转 速。 p w m 控制波形以及占空比与转速的关系见图2 3 。 v v 幽2 - 3 占空比及占空比与转速的关系 d 2 ，4 直流电机的稳速原理 鼹流稳速怒通过将实际转速与参考数值进行比较得到误差倍号由 误差信号控制脉冲宽度来达到稳速的目的。本质上是通过对频率锁定来 达到镶甥鹣毯骢。 燕践中采厢的稳速授零方法有p m 控制、蹙有最快晌应的无纹波系 统、大林算法镣求环路输出的方法。这里使用p i d 调节，因为p i d 调 节理谂最成熟、结构灵活，不仅可以月作常规的班d 控制，也可以进行 变纯。魏琏p d 控翩、不凳全微分控麓、积分分离p 国控镧等等。 由于比例调节存在静涟，因此对扰动较大、惯性较大的系统如电机 控制系统使用p i d 调节。积分作用能消除偏麓，加入微分控制的作用是 在控翻对象窍较大溪性嚣雩，在攮差溺漤窭瑰，镶差巍不太太霹凝鼹壤姜 的变化趋势提前给出较大的调节作用，将使偏差尽快消除。理想的p i d 微分方程为： j 秘) = 知# + 冬和斑+ 龟，! 踅娑 ( 2 1 0 ) 设其棚始值均为零，则熟拉普拉斯变化式为： 爽5 ) = 是p g ( s ) + ，s x e s ) + s 女：( s ) ( 2 - 1 1 ) 得到p i d 控制系统的传输方程 g ：f 善) = 2 墨兰三= 亳，十! ! s 意。 ( 2 ，1 2 ) 。 e s ， s “ 下面导出p 的离散化形式，推导出来给计算机软件计算提供依据。 照差分方程长代替连续系统熬微分方程，媛求秘代替苏分，褥： 砌) = m 卅t r 套町) + 等m 矿咖讪】 ( 2 m ) 式辛：卜采样瘸麓 e ( n 卜一第n 次采样时的偏熬值 e 0 1 - 1 ) 第n 一1 次采样对的偏差值 珏一采样痔号( 舻l ，2 ，3 ) ”一 y ( 一一1 ) = 砖e ( 胛1 ) + e ( ，) + ( 栉一1 ) 一e ( 珂一2 ” ( 2 1 4 ) = 0 9 式中：b = 等 ( 2 1 3 ) 移( 2 1 4 ) 嚣式褪减褥： p ( ，f ) y ( 一) 一y ( 押一1 ) = 砟【p ( n ) 一p ( 胛一1 ) 1 + p ( 竹) + 七d 【口( 押) 一2 e ( h 1 ) + 口( ”一2 ) 】 ( 2 。1 5 ) 2 5 本章小结 本章详细论述了直流伺服电机的工作原溅，结合喜流伺服电机的工 作特性，本论文选用电枢电压控制调速方法。而且也论述了纳米伺服电 辊豹一耪重要王馋方式辣宽调捌售号控制方式，势给窭其控剿豹数 学模溅。 第三章系统撅述 3 阴极材料均匀性测量系统概述 按照项目的要求阴极发射均匀性中的重疆指标有在不同条件下阴 极伏安特性曲线、小孔电流密度的三维分布凰( 可旋转、局部放大) 等。 硬馋除工监控翻诗算穰钤，还有囊空设备藉开关电源设备，在寞警腔中 由纳米伺服电机控制阴极前后左右移动，真空腔上的两个观察窗阁来观 察阴极位置。童流电源、灯丝电源和脉冲电源用来提供可调电压控制阴 棱邀予发蘩。测蠹蠢丝瀑嶷震激探耨渥囊瞧定，溅薰惫滚毫垂，势僳持 电压在设定值，均采用闭环控制。敞需要有模拟量输入输出。以及要求 输出可以动态调整的频率为1 0 0 b 5 0 0 k h z 、宽度为1 s 一5 u s 的负脉冲做 触发臻号和为魄派提供p w m 波。 图3 。l 系统整体实物圈 图3 1 左侧是抽真空设备，中间是真空胶，阴极在真空腔中融纳米 伺服电机控制前后左右移动，两个观察窗用来观察阴极位置。 系统主要囊真空腔、灯丝电源、离涯脉冲毫源、煮漉电源、离湛仅 和控制用微梳缀成，真空腔内安装有稿极、带5 耻m 小犰的阳极、法拉 第环和小电流放大器。系统的基本原理是先用灯丝加热阴极，使它达到 1 0 0 0 摄氏度左右的高温，再在阴极和阳极之间加直流高压或负脉冲高 压，使阴极向阳极发射电子，形成发射电流。阴极发射的电子可以穿过 阳极上的小孔，安装在阳极下面的法拉第环可以收集到这些电子，形成 电流。本系统主要的测量任务是 1 脉冲发射测量，即在固定温度下阴极和阳极之间加负脉冲高压， 测量阳极发射电流； 2 直流发射测量，即在固定温度下阴极阳极之间加直流负高压， 测量阳极发射电流。 3 小孔电流测量，即在固定温度下，阴极阳极之间加负脉冲高压， 同时测量阳极发射电流、负脉冲高压和小孔电流； 4 发射均匀性测量，测量的基本原理是：在真空中，以l u m 的 精度，由纳米伺服电机驱动阳极相对于阴极作平面扫描，利用 法拉第环收集阴极发射的电子穿过小孔形成的脉冲电流，同时 采集负脉冲高压和阳极电流。测量分辨率取决于小孔的孔径， 本系统小孔为5 u m 。 由于负脉冲高压电源的性能指标要求脉冲宽度从5 s 到5 0 0 s 可 调，频率从1 0 0 h z 到5 0 0 h z 可调，而且一个脉冲顶部要最少采集5 点， 这也对计算机采样的速度提出了较高的要求。 3 1 1 电源及测量传动部分 图3 2 测量系统总体硬件框图 本课题中的测量电源由脉冲电源、直流电源和灯丝电源三部分组 成，它们是为此套阴极发射均匀性测量系统专门研制的。其中灯丝电源 的小交流倍号悬浮在负商噩脉冲电源上，它们之间需要很好的商压隔 离。而且三套电源都实现丁计算机控制和簪动控制两种控制方式。系统 串鬻辍奉季耱发瓣鹣绫安缀夺毫滚瘗法拉第繇采释再经专f j 设诗鹣羧太 电路放大然后传输给安装在工控机内的高速采集卡，最后交由计算机处 理鼹示。从两实现了数据的自动采集和处骥。 系统巾的阳极由矗流缡米橱激电祝带渤，通j 建大小为5 h m 的小孔， 在大小为2 m m 2 h n 的平面上逐行扫描，逐点：i 款行测量，然后将测量 绩器馋竣鲶藏速采集卡，薮 诗算擞遂示出来。在熬令过程孛，缨笨稼鞭 电机的移动、电流豹采样俊均由系统自动进行，只需要在系统初始化时 进行参数设置即可。 3 1 2z 控机接口部分 阴搬发射均匀性自动测量系绕 。_ - h h _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 写读接口卡 1 数据库 硬转接 驱动程 入川接日程 读笃 、 序 1f 一序 o f a c l o 口卡 厂 1 数据 lll l 库 熏程序 图形曼 锣b 配萋文 示和打件读写 印棚序 等其他 予程痔 圈3 3 计算机测最控制系统整体结构 采用了带有d m a 功能和一片8 2 5 3 的的高速多功能卡p c i 1 7 1 2 做 为攘舀卡。p e l 1 7 1 2 繁耷1 2 莅d 转按器，采样率这弱lm 鞋z ，带 有3 路1 6 位可编程多功能1 0 m h z 计数器定时器用来编襁控制发送脉 冲，因此完全满足系统的要求。另外其d m a 模式的数据采样完全不占 用e p u 资源。编程中采稻8 2 5 3 的两极定辩期级连的方式编程达到了发 送可变脉冲腰求。 系统中骶台缡浓馕服惫枧鼹柬控裁翳缀戆嚣令方囱懿穆羲，封装在 真空腔中，电机带有独立的接口卡，提供动态链接库供编程调用。纳米 伺服电机步长最小1 0 n m ，编程移动的最小单位也就是l o m ，完全满足 测量的要求。 3 1 3 软件设计构架 本系统软件采用面向对象的设计方案，类构架采用分层设计的原 则。由于用户在进行自动测量的同时，不仅需要实时显示测量数据，还 要同时存储测量结果便于以后的分析，因此需要采用多线程的程序设 计。线程间的通信采用w i n d o w s 标准的消息机制，保证整个系统的 稳定性。整个系统软件构架如图3 4 所示。 对p c i 1 7 1 2 卡的读写设置等封装在p c i 1 7 1 2 板卡类，同样对马达 电机的控制封装在马达电机控制类中，在上层c h a r d o p 类封装了所有 的硬件操作功能，方便主线程进行调用。更重要的一点是该类还负责对 p c i 1 7 1 2 板卡类和马达电机控制类的创建、释放和初始化。主线程负责 显示和界面控制，并根据需要创建测量线程和数据存储线程，并管理它 们。测量任务是由测量线程完成的，但由于主线程也要对硬件进行设置， 如设置脉冲频率等，因此也要操作c h a r d o p 类。 图3 4 软件方框图 当启动测量任务，主线程通过调用a & b e g i n t l l r e a d 创建测量线程， 如果用户选择了在测量的同时进行数据存储，还用启动数据存储线程。 然后开辟一个缓冲区进行数据缓冲，来保证钱程的同步。缓冲区深用先 入先出的算法，也就是说设置为队剿。为了保证硬件操作的实时悭，读 线程( 数据存旗线程) 瓣後走缓 羹诗豹魄溅鬃线程低。 采用面向对象的程序设计方法，使整个软件的可读性、可维护性、 可扩臌性都大大提高：采用分层类结构的设计，也提高丁软件的蹙体性 襞，黪低了顼鼷爨底层豹依蔟关系，戈敬爱软传熬秀级狂下了基懿。 该软件的安际运行界面如图6 ，2 所示。实践证明极大地提离测量精 度和提高了效率，便于分析阴极材料的特性。 3 2 电机选取方案论证 零系统谤冀撬测量静雉点主要在于；对予鞠极材料豹嚣量枣，出 于测檄物体的精小以及对测量的准确程度的要求，所以要求对测薰走 位精准到纳米级。而在豳内，如此精准的测髓仍很难做到。本文主要 采用了德国p l 公司豹纳米伺服屯枫必主要设备，并对其进行了较为全 瑟的磷究，最终将其应瘸子胡稷榜謇串均匀谯豹溺垂系统中。这种纳米 伺服电动机容翁驱动、遴动灵活，对温度和化学条件要求宽松，甚至 在真空里也能运转，而阴极材料的均匀性测爨，必须要求在真窳中才 蕤溅臀微夺瓣戮壤发袈穗子，繇戳，这熹裁凌囊空串遮转夔特镶笼萁 适合本项目的需要。 3 。3 电视外特性攒述 1 、最大速腱 2 、最大藏渤力 3 、静态支撵力 4 、静态阻力 5 、k f 6 、k f v 7 、可达精度 8 、使用寿禽 电气特性： 1 、最大电难 2 、最大电流消耗 3 、最大动耗 环境参数： 2 5 也m n s o c 3 5 4 5 n 3 5 n ( 参考值) 0 8 - 1 n l l o 5 1 n ，v 1 2 m 1 8 n s e c n l 优于1 0 舢 正常工终情掇下2 0o o o 小时 2 8 0 v i m s ，3 9 6 k h z ，弼弦波 1 2 0 2 5 0m a 肭s ( 取决予电缆长度) 5 w l 、工拣滋度 2 、馕襻漫度 3 、温凄 4 、真空度 5 、最大烘烤澈度 物蠼尺寸： 嵇鳓 2 0 峙7 0 o 8 0 l o 。撼( 成在烘烤聪) 2 0 l 、长囊豹，5 煳 2 、宽魔 2 5 钕黼 3 、惑度 8 m m 4 、重爨2 n 站o 竟 鬻3 5 攒述了电税的速度一泡聪曲线，黻速度为困变量，驱幼愈压为自 变餐。铁霭巾碟看恕电捉静运转特能。 从袭3 1 中可褥出电机应采取秘静工搏模式。铡如，程蹇空孛廉矮 该电视，带载能力为一牛顿，速度为4 0 m n l ，s e c 。从表中可看出此点的 工终瓣藏予戆线b 。 表3 1 巾表示如了鼹线b 亵奏燮环壤串，奄税王稼瘸潮矮大为肆瘁 并且连续工作时间不超过1 8 4 鼬真空应用中需要注意，热量散失极制是 3 0 e d 一 。 o熹23毒s辱e 3 0 魁鹾【鼙】 图3 5 电机嘏瓶一速度敞线圈 通过向毫枫外壳的热辐射和通过电孝几支架的热传导赏现的。阂此，电机 装及漆瓷驱淤繁筑设计孛郡考虑裂了散热方嚣，簿酃龟极掰数熬e ，2 5 瓦，滠度最糍霹上丹1 5 。磐虽每个与邀蠛椐搂皴黔部分中最窿潞度 不可超过4 0 。 在奉瑗嚣串辩灏量莛凌粪奎状态下戆溯量，因为要采集静数攒点 缀多，弼对徽长，所激瘟采欷a 袄态的电梳避行方式。实践诞明，在给 寇电艨小于o 8 v ，工作在粪空环境下妁纳寒偶黢恕撬，工终稳定，没 静 站 d 豢 群尊 o o o 0 o 蠡 勰笳 撩撩 翱 。 留a喾、薹_憾瓣 有看到电机过热等现象。 表3 1在各种情况下电机的运转状态 2 5 5 0 真空状态下 曲线运转周期最大连续运转周期最大连续运转周期 屉大连续 工作时间工作时间工作时间 a1 0 0 l o o 1 0 0 b1 0 0 1 0 0 4 4 1 8 4 s c1 0 0 9 2 1 3 7 s2 6 1 0 7 s d1 0 0 6 2 9 3 s1 7 7 2 s e7 8 8 7 s4 7 7 0 s1 3 5 5 s f5 6 6 2 s 3 3 5 0 s9 3 9 s g 5 0 5 6 s3 0 4 5 s 8 3 5 s 为自变量，以驱动电压为变量。参考下图，在本项目中电机工作于a 曲 线下的真空状态。 4 冒3 长2 蠢 耀 l o 泳、j 、 莲 。 1 、 遵 。 毫、 。 1 1 1 、蠢 吨 、 l 01 0 0 2 0 0 3 0 0 遮瘦h - s e c 】 图3 6 电机拖动力速度曲线图 第四章纳米伺服电机驱动卡 4 1纳米伺服电机驱动器简介 c 8 4 3 卡技术指标总览 功能简介： 为直流伺服电机控制卡，3 2 位即插即用p c i 总线式。 主机电压为3 3 v 和5 v 的p c i 总线。 可带动电机数目：2 _ 4 轴 伺服控制参数：可编程p i d 电压控制，参数可即时改变。 运动模式：梯形模式 s 曲线模式 速度等值线模式 输出功率：每个通道5 w 分辨率：1 2 位的d ，a 转换，1 0 位p w m 输出，2 4 5 k h z 限制电流：每个通道最大为l a ( 经过短路实验验证) 限位开关：8 位t t l ( 可编程) 数字i o 口：8 位t t l 输入，8 位t t l 输出 电机接口：每个电机接口为1 5 针接口 指令系统：可用g c s ( 通用控制命令集g e n e r a lc o m m 姐ds e t ) 、也 可以用与c 8 4 2 卡兼容的命令集( o f l ) 。 4 1 1c 鲥3 卡参数概要 c 一8 4 3 卡是直流纳米伺服电机p c i 插槽式控制卡，具有两通道或四 通道，可用于任何类型的p c 机p c i 总线。c 8 4 3 卡具有2 轴和4 轴两 种类型： c - 8 4 3 2l 可用于控制两部直流电机协调工作 c 一8 4 3 4 l 可用于控制四部直流电机协调工作 c _ 8 4 3 主要特征介绍： 适用于p c 机的p c i 总线接口 用于5 w 电机的模拟放大器 可选的p w m 输出( 1 0 位的分辨率，2 4 5 k h z ) p i d 位移控制 复杂轨迹模式产生器 共有三种运动模式：梯形模式，s 曲线模式，速度模式。 增量编码输入 限位控制 电机的急停设置 高级编程控制语言 8 r r l 输入和8 t t l 输出 提供可用于c c + + ，s u a lb 嬲i c 的动态连接库 6 4 k 字的r a m ，可用于高速的曲线轨迹控制 4 1 2c - 蹦3 卡的作用 c 8 4 3 卡可提供给电机一共2 0 w 的驱动能力，集成在卡上的放大器 可以直接驱动5 w 的直流电机，需要更大功率的电机则需要加外部的功 率放大器。 c 8 4 3 卡具有一个快速的d s p 处理器可提供快速的p i d 位移控制和 一些可选的轨迹产生模式，滤波设置。可以控制电机的位置、速度、加 速度和一些其他和位移相关的参数。在闭环回馈位置控制中应用了增量 编码。此卡提供了p c i 接口电路，可用于与主机的通信，编程者可用低 级语言命令和3 2 位的参数来进行快速的通信。此卡也提供了一套软件 工具，使得有经验的编程者和初学者都能应用自如。 此卡的操作，需要配置一个p c 主机和至少一台直流电机组成的位 移控制系统。此卡本身以及其响应的软件必须安装在w i n d o w s 操作系 统下( 9 8 ，m e ，n t ，2 0 0 0 ，x p ) 并且具有一个空闲的p c i 插槽。此 卡还配有一个易学易用的p i s m a n 软件包，初次测试可用此软件进行测 试，可最快捷的测试出系统的安装和操作是否正确。在最初的测试阶段， 就是用p i s m 舐对电机的性能、运行方式进行测试的。 4 1 3c 8 4 3 系统描述 c 8 4 3 卡是基于m c 2 1 4 0 ( m c 2 1 2 0 ) 多轴位移控制芯片，用于高精 度的位移控制。高速的p c i 总线提供了所有读写操作的控制信号，程序 命令发出的信号由主机发出。此卡设计成为3 2 位即插即用的控制卡， p c i 总线可与通用主板即3 3 v 和5 v 的p c i 插槽兼容。 1 9 图4 1c _ 8 4 3 卡连接位置图 c _ 8 4 3 卡与电机连接接口引脚说明，为了更清晰，列表如下： 表4 1电机接口引脚说明 与# 3 、槲轴的电机连接 与拌1 、撑2 轴的电机连 ( 仅适用于c - 8 4 3 4 1 )接( 1 5 针类型)功能说明 1 6 针类型 引脚l引脚l电机急停 ， 9 电机+ 2 电机一 41 0 地 )3m a g n 61 l 信号线 74+ 5 v 81 2 负限流 95 正限流 1 01 3 参考电流 1 16 地 1 2 1 4编码a + 1 37编码a 1 41 5编码b + 1 58编码b 1 6空闲 除了和电机相连接的接口，此卡还具有8 输入8 输出的i ，o 接口， 可以用于如读外部信号等一些特殊用途。这些控制线并非与电机控制处 理芯片直接相连。用8 位的i ，o 地址寄存器来控制，该寄存器影射于电 机驱动卡的i o 地址空间，详细用法请参考3 1 4 2 。这个i o 口共有 2 5 针或2 6 针形式，具体各引脚作用如下 表4 _ 2i 幻接口引脚说明 2 6 针引脚形式 2 5 针引脚形式引脚作用 1 1地 2 1 4 输入撑0 32 输入撑1 。41 5 输入群2 53地 6 1 6 输入撑3 7 4 输入槲 8 1 7 输入群5 9 5 地 1 01 8 输入# 6 1 l6 输入# 7 1 21 9空闲 1 3 7 地 1 4 2 0 输出# o 1 5 8 输出拌1 1 62 l 输出拌2 1 79地 1 82 2 输出存3 1 91 0输出槲 2 02 3 输出撑5 2 1“ 地 2 2 2 4 输出# 6 2 31 2 输出捍7 2 42 5 空闲 2 51 3 地 2 6 无连接 多轴控制引脚( a l l a ) ( i sc o 肌e c t o r ) ，此引脚为1 6 针形式，可使每 个轴具有直接的控制方式。多轴控制引脚直接与电机运动处理器直接相 连，我们可利用它编程，完成复杂的多轴控制任务。在默认的情况下， 这些总线并没有直接从卡上引出，如须将其引出还需要相应的配套连接 2 器，均由p i 公司提供。以下将其各个引脚含义列写如下： 表4 3多轴控制引脚说明 引脚功能说明引脚功能说明 l轴1 输出9轴1 输入 2地l o 地 3轴2 输出 1 1 轴2 输入 4 地 1 2 地 5轴3 输出1 3 轴3 输入 6 地 1 4 地 7轴4 输出1 5轴4 输入 8地1 6 地 c - 8 4 3 卡提供数字式闭环伺服控制，可用于多种伺服电机的控制。 利用增量编码方法作为回馈信号，每个轴都具有复杂的轨迹模式控制和 数字式伺服控制，故可产生较小的位移误差和速度跟踪误差。每个轴都 可以编程设置为单独或者同步的工作方式，可实现复杂的多轴同时运 5 10 x 图4 2 电机做面扫描示意圈 动，例如跟踪周期和其他的复杂轨迹模式。在本项目中，根据要求，两 部电机并非要求同时运动，需要分别设置工作方式。即x 轴电机横向 扫完1 0 0 0 个点后，y 轴电机再行动5 l o o o m m 距离，然后x 轴电机原 向返回再扫过1 0 0 0 个点，如此反复，直至y 轴行走完5 m m 的距离。 如上图4 2 所示。 c - 8 4 3 卡是由控制程序控制，程序通过卡上的存储器作用。存储器 与卡的通信是以数据包的形式进行的。另有一个中断请求线，c - 8 4 3 卡 可向计算机提供当前的状态，如正在接收数据包的索引脉冲。 每轴均具有集成在卡上的线形放大器，最后输出给电机。每个放大 器均可以为电机提供5 w 的输出功率，考虑到外接放大器，此卡又可以 提供脉宽调制信号输出。卡上的6 4 k 存储器可提供多达4 种独立的实 时在线系统参数跟踪，比如，位置、速度、内部寄存器取值等等。 4 1 3 1 电流限制 首先要注意的是：输出给电机的电流不要超过最大电流限制。c 一8 4 3 卡的电流是完全由计算机提供的，在最大功耗时有可能超出计算机提供 电流的最大值，电压的降低有可能导致计算机的不正常工作或者对其他 硬件设施的损害。在以下情况下会出现最大功耗： 电机加速度值较大时 电机保持在较高速度运行时 电机堵转的情况下 电机发生在急停的状态下 每个输出通道都有独立的限流设置。默认的输出限制电流为l a ， 足够驱动5 w 的电机。另外电机也可以利用p w m 模式工作在大功耗的 情况下。可用q f l 的命令，也可用g c s 的命令来设置输出模式。本项 目中由于电机要求用小于1 v 的电压驱动，故使用的是默认的输出设置， 无须外接功率放大器。在以后的章节中会介绍具体使用方法。每个通道 的功率放大器可被分别使能或禁止。8 位的i o 地址寄存器的低四位可 被用于该项功能，这四位分别对应于控制卡上对应的四个电机控制轴输 出。当置l 时通道被禁止。当置o 时通道被使能。而高四位是用于电机 的急停开关。 与此卡相连的各轴电机可能工作在不同的模式下，这样，电机可以 同时工作在脉宽调制模式下和模拟输出状态下。当工作在脉宽调制模式 下，电机被外部功率放大器驱动，这样就可以驱动较大功率的电机。当 工作在模拟输出模式下，电机被集成在卡上的放大器驱动。 4 1 3 2 功能寄存器 在给定的软件包的支持下，可以不必直接为硬件定义地址。但是， 如果不利用该软件，则可以使用c _ 8 4 3 卡的功能寄存器来定义。该寄存 器影射于电机驱动卡的i o 地址空间。地址内容可以通过控制卡的两条 命令w f i t e i o 和r e a d i o 获得。 如向功能寄存器写入o ，则8 位数字i ，o 口可向外输出数字信号。 如向功能寄存器写入1 ，则可以使能或禁止模拟放大器输出。 低四位对应于通道1 - 4 的模拟放大器。 高四位对应于通道1 _ 4 的电机急停开关。 4 2 电机驱动器介绍 电机控制器共有1 4 种，分为五个系列。每种控制器均提供轨迹发 生器以及相关运动参数。根据控制电机的类型，有写卡具有伺服环滤波 器、与无刷电机的卡上通信以及高速率的脉冲。每种卡的结构都很类似， 包括一个高速的数字信号处理器单元，以及一个应用集成电路。由于所 有的电机控制器都具有相似的硬件结构，所以每种控制器也具有相似的 软件命令。因此，为一个控制器所编写的控制程序可以移植到另外一个 控制器上去。这五个系列的电机控制器均适用于不同类型的电机，也各 自具有不同的控制方案。下面概述如下： m c 2 1 0 0 系列( m c 2 1 4 0 ，m c 2 1 2 0 ，m c 2 1 1 0 ) ：应用于有刷伺服电 机或者无刷伺服电机，以p w m 形式或者1 6 位的d a 输出形式为电机 提供控制信号。 m c 2 3 0 0 系列( m c 2 3 4 0 ，m c 2 3 2 0 ，m c 2 3 1 0 ) ：应用于无刷电机， 以正弦波的形式输出控制信号。根据电机的类型，可以输出两相或者三 相p w m 信号或是d a 信号。 m c 2 4 0 0 系列( m c 2 4 4 0 ，m c 2 4 2 0 ，m c 2 4 1 0 ) ：应用于步进电机， 可提供微步迸信号。可以以p w m 形式或者d ，a 形式为每轴输出两相的 信号。 m c 2 5 0 0 系列( m c 2 5 4 0 ，m c 2 5 2 0 ，m c 2 5 1 0 ) ：应用于步进电机， 可输出高速的脉冲信号。 m c 2 8 0 0 系列( m c 2 8 4 0 ，m c 2 8 2 0 ) ：应用于无刷电机时，可输出 正弦控制信号或者6 步式控制信号。应用于有刷电机时，可输出p w m 信号或者d a 控制信号。 2 4 4 3 电机驱动器工作系统介绍 下图4 3 以方框图的形式表示出了电机运动处理器的工作方式。每轴均 图4 - 3电机控制处理器的i ：作框图 输出嶷际的位鬣信息，可用增量编硒信号或者并字输入( 如绝对编码) ， 模数转换器，激光干涉仪。如果用增量编码方式输入，输入的a 、b 数 字薅麓需要经逡数字滚波，然嚣秀送给高速豹壤或藏计数器。翔鬃建势 字输入，则可礅接输入1 6 位的2 避制的位鬻编码信息。无论采墩何种 输入方式，输入的位置信息都将用来做为3 2 位的实际位置信息。 爨4 t 3 审豹e 擎芯片媳食一令辕速发生器，可班辗旗诗算枧飨定运 动模筑和运动参数在每个阐期中计箨出预期的位置信息，也可戳计算出 当前系统的状态。这里将系统参数熙新的速察，如轨迹参数、伺服补偿 信息镣参数更毅速率，叫锻毒 算周期。 对于饲驻彀梳控潮嚣来说，魏m e 2 l o o 、m e 2 3 0 0 稀m c 2 8 ，辘 迹发嫩器与实际位置编码信号结台计算出一个3 2 位的位置误差，再通 过一个数字p i d 滤波器。蠼后计算的结果值以脉宽调制信号的形戏或者 d a 竣窭匏形式，筵送绘努蘩( e 堪4 3 卡) 输爨瀑夔藏大器。魏采霞翔 m c 2 3 0 0 ( 无刷伺服电机控制器) 或者m c 2 8 0 0 ( 有刷或者无刷侗服电 机控制器) ，则输出信号殿该整流，也就是说，输出信号还含