（物理电子学专业论文）基于usb的直流电机控制系统设计实现.pdf

摘要 针对直流伺服系统高性能全数字化，智能化的发展趋势，本文结合高分辨率的测 角仪器一光电编码器，对于以南流伺服机构为基本执行单元的控制系统进行了深入的 学习和研究。 直流伺服驱动机构以其优越的性能得到了广泛的应用。针对课题的需求，本文选 用了d g p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 、大规模可编程器件f i ，g a c p l d ，没汁系统控制控制平台。 采用e z u s b 6 8 0 1 3 设计了u s b 2 0 通信接口，为p c 机与系统平台之间提供快速、便捷 的通讯。为了提高反馈分辨率和满足闭环系统实时性的要求，本文设计了一套软件细 分的方案，对编码器反馈信号进行细分倍频处理。另外用8 2 7 9 设计了显示电路，用 i r 2 1 3 2 ( 0 ) 设计了驱动板。结合现有的一维平转台，我们搭建了系统硬件平台。同 时对直流电机的数学模型进行分析，用m a l a b 对直流电机p i d 控制算法进行仿真， 在d s p 中完成对位置、速度的控制算法。为进一步开发和应用交流伺服系统做了大量 先导性的工作，并积累了相关的经验。 关键词：直流伺服系统，d s p ，f p g a c p l d ，细分倍频，p i d 控制算法，e z s u b 本文作者签名 二零零六年五月 t h er & do fd cs e r v os y s t e mb a s e do nu s b 2 0 w ug u a n g t a o ( p h y s i c sa n de l e c t r o n i c s ) d i r e c t e d b y ：p r o f y u ey o n g j i a n & l i uf e n g w e n a b s t r a c t a st h ed i g i t i z e da n di n t e l l i g e n t i z e dt e n d e n c yo fd cs e r v os y s t e mi sc o n c e r n e d t h i s d i s s e r t a t i o nc a r r i e so u ta ni n d e p t ha n a l y s i sa n dr e s e a r c hf o rac o n t r 0 1s y s t e m w h i c h ；s b a s e do nd cs e r v ow h e e le x e c n t i n ga g e n c ya n dc o n s i s t so fh i g hr e s o l u t i o na n g l em e a s u r i n g i n s t r u m e n t - - p h o t oe l e c t r i c i t ye n c o d e r n o w ，d cs e r v os y s t e mi su s e db r o a d l yf o ri t sh i g hp e r f o r m a n c ei na l l u s i o nt ot h e r e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t ，w el m v es e l e c t e dd s p ( t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) 1 a r g es c a l e p r o g r a m m e dc h i p - - f p g a t od e s j g nac o n t r 0 1b l o c k a l a dw ed e s i g n e dc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c eu s i n ge z u s 6 8 013 ，l no r d e rt op r o v i d eq u i c ka n dc o n v e n i e n tc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nt h em a s t e rc o m p u t e ra n dt i l es e r v os y s t e m f u r t h e r m o r e ，w eh a v ed e s i g n e dap u r e s o f t w a r es u b d i v i s i o ns c h e m et od i s p o s et h es i g n a lo ft h ef e e d b a c ke n c o d e rt oj m p r o v et h e r e s o l u t i o na n dm e e tr e a lt i m er e q u i r e m e n to ft h ec l o s e dl o o p b e s i d e ，w ed e s j g n e dt h e d i s p l a yc i r c u i tu s i n g8 2 7 9 ，a n dt i l ed r i v i n gc i r c u i tu s i n g l r 213 2 ( 0 ) a tl a s t ，w eh a v es e tu pa h a r d w a r es t r u c t u r eu s i n ga n1 d i m e n s i o nr o t a r yt a b l e a tt h es a m et i m e w ea n a l y s i st h e m a t hm o d e lo fd cm o t o r s i m u l i n k i n gw i t hm a l a b ac o n t r o ls o f t w a r ew i t hp i d a r i t h m e t i ch a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e s i g n e da n da p p l i e di nd s pa f t e rb e i n gd e b u g g e df o r m a n y t i m e s i naw o r d ，t h ed i s s e r t a t i o nc o n t a i n ss o m ei m p o r t a n te x p e r i e n c ef o rt h ef a r t h e r e x p l o i t a t i o na n da p p l i c a t i o no fd cs e r v os y s t e m k y ew o r d s ：d cs e r v os y s t e m ，d s p ，f p g a ，p i da r i t h m e t i c ，s u b d i v i s i o n ，e z u s b 本人申明 本人郑重申明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 鍪递 日其j j ：论文作者签名：软 弦日期：。s ，毛j 访 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解中国科学院光电技术研究所有关保留、使用学位论 文的规定，同意中国科学院光电技术研究所保留或向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查n ；f c f 借阅；本人授权 中国科学院光电技术研究所可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：嘘导师签名孑缴日划：丛呦 第一章，j i 击 第一章引言 1 1 课题来源 本课题是针对直流伺服系统开发和应用的试验性项目，由研究室根据可持续性 发展的要求自行制定的课题。目的是设计一套完全自主的全数字直流伺服控制系统， 并引入u s b 接口到控制系统中。验证直流伺服控制系统的性能，并为改善现有控制系 统的各项性能指标做一些基本的尝试和探索。 12 国内外现状和发展趋势 从驱动方式划分，控制系统包括伺服与步进两种系统。目前传统的控制系统以 步进方式和模拟p i d 伺服控制为普遍采用的方案。但是，目前的各种应用，从民用到 尖端技术，对控制系统各类性能指标的要求越来越高，传统控制方式己不能满足要求。 随着微电子技术，数字模拟技术，计算机等各类基础技术的发展和应用，特别是数字 技术和控制理论的不断完善，使得控制系统的响应速度，控制精度等技术指标得以大 幅度的提高，以适应现代化建设的各种应用需要。 传统伺服系统又包括直流伺服和交流伺服两种。直流伺服兴起于5 0 年代，广泛 应用于7 0 年代。现在直流电机由于存在机械换向，电刷等不利环节，人们更多的关 注交流电机。但因为直流伺服驱动系统发展至今，技术日臻成熟，性能不断提高，且 其控制简单，现仍广泛应用于数控机床、印刷包装机械、纺织机械、自动化生产线等 自动化领域。 典型的机电一体化产品对于伺服系统有如下需求： 应能控制施加在机械上的力或力矩的大小： 应能使机械快速或缓慢平滑的移动； 应能调节机械的加减速大小： 应能使机械移动到规定位置； 应能使机械运动跟踪控制指令： 应能在规定的位置上使机械把持停i e 状态。 目1 “，现在国外最新推出的高性能直流伺服系统l 乎全都实现了全数字化。t ：1 ：1 于 数 - - - ? ：f f jj r ；控制系统有更高j m 应能力，实现方便的的控制以及达到良好的性能指标， 螭十u s b 的直流i u 机挖制系统改计实现 因此设计出可靠的全数字化伺服系统是非常有必要的。在此基础上，使其能够满足实 际需求。 为了获得高精度的定位控制和提高系统稳定性，多采用全闭环结构。闭环系统 中采用的测角仪器不同，实现的系统定位精度不同。我科室研究的2 4 位绝对式编码 器( 1 9 9 9 ) ，分辨力o0 7 8 ”，使得实现1 ”以下系统定位精度成为可能。德国h e i d e n h a i n 公司设计并研制的2 7 位增量式轴角编码器，经2 1 2 细分后，测角已达到o 0 3 6 ”。 电机伺服系统的发展趋势是： ( 1 ) 简易低成本的伺服系统将进一步迅速发展，应用领域不断扩大，简易数控 机床、办公自动化设备、家用电器、计算机外围设备以及对性能要求不高的工业控 制等，这是不可忽视的大市场。 ( 2 ) 另一方面就是向更高性能全数字化，智能化软件伺服系统方向发展，这是 其发展的主流，结合高分辨力的测角仪器一一光电编码器，采用伺服电机作为驱动 装簧的智能数控系统即软件伺服有广阔的发展应用前景。 1 3 课题研究目的和意义 转台是测试惯性元器件性能的重要设备，是航空、航天、航海、勘测等国防领域 中员常用的测试设备之一。提高测试转台的精度除了要不断改善伺服控制系统本身元 器件及电子线路的精度外，还要不断引入先进的控制方法和工具。本课题的目的是在 直流伺服系统引入全数字化的设计，并用u s b 接口实现与p c 机的通信，改善现有控制系 统的各项指标做一些基本的尝试和探索。 随着伺服控制系统精度的f 1 益提高，模拟伺服系统逐渐被数字伺服控制系统所代 替，数字伺服系统利用相对简单、易标淮化的硬件结构，通过软件来实现各种复杂的 控制规律，它的精度主要取决于其它因素如控制计算机的字长等。课题中伺服系统使 用全数字化控制，f h d s p 作为控制芯片，以达到提高位臀精度和速度稳定性的目的。 塑二里。! l i一 改进算法来尝试对转台位置速度的精确控制，提高转台位置控制的精度，速度的稳定 性。在课题中设计一个u s b 的接口，实现设备与p c 机的通信。u s b 接口有着即插即用 方便低功耗的特点，在现在的社会中己得到非常普及的应用。 目前，控制系统对于编码器传感器的分辨力提出了越来越高的要求。随着编码器 向着高精度、高分辨力、高频响、小型化、智能化的发展趋势，单靠传统的进一步缩 小码盘尺寸，缩小光栅栅距来提高编码器的固有分辨力，即标尺光栅更细的分划，常常 受到加工工艺的限制。首先是标尺和传感器( 读数头) 制造公差所规定的物理界限，其 次是由光源的波长所规定的物理界限，即使采用细节距光栅，为了保证光栅系统稳定 可靠的工作，对相应的机械装置、环境条件和安装精度的要求仍然非常严格。编码器 的分辨力和码道的数量、细分技术有关，要提高其分辨力，所受限制较多。目前，普 遍采用电子细分的方法来提高编码器的分辨力。而且，现有伺服驱动器普遍要求反馈 环节能够实时给出反馈信息，其驱动器要求两路正交的反馈f 余弦波形与输入参考值 进行比较，以产生偏差量。因此，本系统首先旨在提高光栅编码器的分辨力，采用一 种软件细分方案，对编码器的原始信号进行前置处理并进行高倍细分，同时满足控制 系统定位精度和实时性的要求。 另外，位置、速度是控制系统的两个基本的物理量。各种应用往往针对这两个物 理量给定并提出系统性能指标的要求。位置控制精度和速度稳定性因此成为衡量系统 性能的主要依据。提高控制精度是本文研究的主要目的，从硬件和软件两个方面着手。 精度指标反应在系统指令与反馈之问的偏差上，因此，i 殳计t _ m i r 卡，进行目标值和读 壮十u s b 的直流l u 机控制系统设汁实现 取反馈值进行比较是本系统中必须完成的一部分内容。同时，结合现有的先进控制理 论，比如p i d 、智能p i d 、模糊控制理论等，进一步改善系统的各项性能指标，如快 速响应能力、稳定性、定位精度等性能指标。 1 4 主要工作及论文组织安排 直流伺服系统是集光学、机械、电控和计算机技术为体的数字化设备，在 设计和实现本系统中主要的工作如下 u s b 接口设计，包括u s b 电路、接口界面程序、驱动程序、固件程序的编 写； 电机驱动电路的设计，光电隔离、限流保护、h 桥电路等； 显示电路的设计； f p g a 程序的设计和实现，包括编码器整周期计数、电机辨向； d s p 软件细分的实现，d s p 控制系统的实现； 实现p i d 算法，并用m a t l a b 中的s i m u l i n k 仿真控制算法。得到比较好的 仿真结果。 本章对论文的研究背景、目的以及主要研究内容作了介绍。 第二章，介绍了直流伺服电机控制系统的组成和基本原理，其中包括直流伺 服系统的构成，直流伺服与交流伺服、步进电机的比较，伺服的发展趋势。位置传感 器一编码器信号的处理，包括编码器的构造及工作原理，细分倍频的一般方法，软件 细分方案。直流伺服控制系统中p w m 波的基本原理， 直流伺服系统数学模型的d s p 控制原理，课题设计中系统的组成。 第三章，介绍了d s i ，控制系统的设计和实现。包括d s p 的优点，控制算法的 4 第一章t j l 奇 数字化、控制过程的软件流程图、中断处理，p w m 波的设计。 第四章，介绍了f p g a 及外围电路的设计。着重分析了基于f p g a 的设计方案。 使用v h d l 语言设计了电机的辨向、整周期计数，驱动限流保护，u s b 接口控制，显示 电路译码等。 第五章介绍了u s b 接口的设计与实现。包括硬件电路设计、系统界面设计、 驱动程序实现，固件程序设计等。 第六章，检测结果及误差分析。测试并分析了整个设计的所达到的性能指标。 第七章，结束语，综述了在课题中的主要工作，并提出了进一步改进的方向。 幕十u s b 的直流l 蚴l 挣制系统改计实现 第二章直流伺服系统控制原理及编码器信号的处理 2 1 直流伺服系统的构成 主要由以下几个部分构成 ( 1 ) 直流伺服电动机 r 直流伺服电动机 直流伺服系统 速度和位置传感器 i 功率逆变器和p w m 生成电路 速度控制器和电流控制 直流伺服电动机两磁极问装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上 固定着一个线圈。换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘 且和电枢一起旋转。换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷a 、b 相接触。将 直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在 电磁转矩的作用下就旋转起来，在下面我们将具体分析它的数学模型。 ( 2 ) 位置和速度传感器 表2 1 磁性编码器、旋转变压器的优缺点 项目 优点缺点 难以得到高绝对角度精度，在分 旋转 完全半导体元器件，结构坚固， 辨力相同情况下，其绝对角精度 变压器 可以在恶劣环境中使用 是光电编码器的1 6 不用发光二级管，所以耗电低；因为外形为磁鼓状，所以惯性 磁性 结构简单，成本低；因外形为鼓大。不容易得到高的分辨力，一 编码器 状，适于高速运行；可以在恶劣般为1 0 2 4 脉冲转，可在1 2 0 0 0 环境中使用r m i n 高速下运行 位置和速度传感器是高精度、高性能伺服系统不可缺少的一部分，是伺服系统的 关键技术。检测元什大都安装在电机轴的i n - 负载侧。磁编码器、旋转变n 三器等位置、 第二二市直流何服控制系统的原理及编码器竹0 的处理 速度传感器，其优缺点如表2 1 所示。 由于分辨力低和实现电路复杂，故仅对本系统所使用的光电编码器作一简介。光 电编码器是一种通过光电转换，将轴的角位移量转换成脉冲或数字信号的位置传感 器。据其产生的脉冲方式可分为增量式、绝对式和复合式三种。 a ) 增量式光电编码器增量式光电编码器是直接利用光电转换输出a 、b 、z 三路 方波脉冲的传感器。其特点是每产生一个输出脉冲就对应一个增量角位移，但不能通 过输出脉冲区别是哪个增量角位移，即无法区别是在那个位置上的增量，不能检测轴 的绝对角度。a 、b 两路信号相位相差9 0 。，这样可方便地进行辨向。z 脉冲每转一个 用于基准点的定位。其优点是机械寿命 长，可在几万小时以上；同时转盘上刻 制的缝隙越多，编码器的分辨力就越高。 因此可以做到很高的分辨力，如可达到 1 8 0 0 万脉冲转。因此高分辨力是其优 势。但是精度与分辨力是完全不同的两 a 厂 厂 厂 b厂 厂 厂 。 厂 广 厂 d 1几n e r 几r f 而f 一 厂 厂 厂 厂 厂 厂 n几 几几 幽2 1 编码器信号处理及辨向原理 个概念，精度是度量任意脉冲相对于另一脉冲位置的能力，与刻划，机械运转，安装 技术等因素有关。同时其输出的响应频率取决于光敏元件，电子处理线路的响应速度。 因此当分辨力确定时，其最高转速也是一定的，也就是说它的响应频率是受限的。输 出的两路脉冲信号均是一个接一个串行输出。其输出信号和辨向原理如图2 1 所示。 在本章中，我们将集中介绍编码器的信号处理，这里不再赘述。 基于u s b 的直流电机控制系统设计实现 b ) 绝对式光电编码器 绝对式编码器是利用二进制或循环二进制方式进行光电转换的。其工作原理如图 2 2 所示。其中自的部分表示透光，黑 的部分表示不透光，当光源通过透光部 分并为光电接收器件接收时表示“1 ”的 信息，反之，表示“0 ”信息。最里层表 幽22 绝对式光电编码器原理示意幽 示最高位，最外层表示最低位。其分辨力是由二进制的位数决定的。与增量式光电编 码器相比，其优点即在于其能给出转角的绝对位置信号。 ( 3 ) 功率逆变器和p w m 生成电路 如图2 3 所示是目前使用最广的电压型功率晶体管( g r t ) 逆变器主回路原理图。 电容c 总是维持输入直流电压u d 不变，故又称电压型。v 1 一v 44 个功率晶体管的 基极由p w m ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n ) 输出信号控制。 p w m 电路输入为电流指令 值与电流反馈值的差值，与 输入 幽23 功率晶体管( g r t ) 两相逆变器原理 某一固定频率的三角波经比较器后形成脉宽成周期变化的两个脉冲列。每一列脉冲及 其经反相器反相后形成的脉冲列分别作用于图示的v 1 、v 4 ；v 2 、v 3 ；晶体管的基极 使每组晶体管交替导通。晶体管输出的两相交流信号作为伺服电机的控制电流。在后 序的章节中，我们将集中介绍p w m 生成原理，这罩不再赘述。 第二章直流伺服控制系统的原理及编码器信l ，的处理 22 直流伺服系统与其他驱动系统的对比及伺服系统的发展趋势 ( 1 ) 直流伺服系统与交流、步进驱动系统的对比 在上世纪7 0 年代末期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体器件、电机用 磁材料的发展和成本的降低，直流伺服电动机及其控制装置所组成的直流伺服系统已 经逐步开始实用化，到现在已经r 臻完善。表2 1 针对直流伺服与交流伺服的性能进 交流伺服电动机其控制复杂，不容易达到直流伺服系统的控制性能。直流伺服电 动机在轴端安装高性能的速度和位置传感器，并用脉冲宽度调制p w m 、大功率晶体管 g t r 放大变压器驱动，可以使其具有优良的控制性能。但由于直流伺服电动机存在机 械换向器，需要较多的维护，运行火花使应用受到限制，转子易发热，高速运行和大 容量设计都受到机械换向器的限制。这些是由于变流机构一机械换向器存在的原因。 现在趋向于直流无刷伺服电机已经很好的克服了这些缺点。 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目 前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的 出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展 趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。 虽然两者在控制方式上相似( 脉冲串和方向信号) ，但在使用性能和应用场合上存在 着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 表22 伺服系统年步进驱动系统膨川场合比较 摧于u s b 的直流f 乜机控制系统设计实现 系统方案定位控制调速控制开环闭环驱动j u 源转速范价位水、卜 准确但, 1 1 t j t开环拎制可步进驱动_ ； ； 一般为 步进l u 机准确但急速 转矩成足够加编码_ ： 闭直流或交流l o o o z 、m i n 中低价位 技驱动 青口r 能失步 以防失步 鲥： 供i u 2 0 0 0 1 m i l l 可达 伺服驱动器 f 埘j 】慢1 u 射l 3 0 0 0r m i n ， 扁精度j 蔫精度闭环控制直流域交流较，向价位 驶驱动措1 0 0 01 1 m i n 使用 供f u 较经济 a )控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3 6 。、1 8 。，五相混合式步进电机步距角一 般为0 7 2 。、0 3 6 。也有一些高性能的步进电机步距角更小，如四通公司生产的一 种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0 0 9 。；德国百格拉公司( b e r g e rl a h r ) 生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码丌关设置为1 8 。、0 9 。、0 7 2 。、 0 3 6 。、0 1 8 。、o 0 9 。、0 0 7 2 。、o 0 3 6 。，兼容了两相和五相混合式步进电机的 步距角。 伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。对于使用标准2 5 0 0 线编 码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为：3 6 0 。 1 0 0 0 0 = 0 0 3 6 。对于使用1 7 位编码器的电机而占，驱动器每接收2 ”个脉冲电机转 一圈，即其脉冲当量为3 6 0 。1 3 1 0 7 2 = 9 8 9 1 。是步距角为1 8 。的步进电机的脉冲当 b ) 频率特性不同 第二章直流伺服控制系统的原理发编码器衍吁的处理 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有 关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决 定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应 采用i ! e b 技术来克服低频振动现象，比如在电 9 l 上d n 阻尼器，或驱动器上采用细分技 术等。伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。伺服系统具有共 振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能( f f t ) ，可检 测出机械的共振点，便于系统调整。表2 3 对伺服系统和步进驱动系统应用场合进行 了比较。 ( 2 ) 伺服系统的发展趋势 直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存 在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连 接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流 伺服驱动技术发展的瓶颈。 从前面的讨论可以看出，数字化伺服系统的应用越来越广，用户对伺服驱动技 术的要求越来越高。总的来说，伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面 a ) 全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机的伺服控制单元将全面代替以模 拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的伺服系统。 h ) 采用新型电力f 乜子半导体器件 i - - - - i 前，伺服控制系统的输出器件主要有大功率品体管( ( ；7 ) 、功率场效应管 摹于u s b 的直流l u 机控制系统没计实现 ( m o s f e t ) 和绝缘门极晶体管( i g b t ) 等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单 元输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。 c ) 高度集成化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分为速度伺服单元与位置伺服单元两个 模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，最新数字化的伺服控制单元通常都 设计为智能型产品 e ) 模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化工程技术在最近十年来得到了长 足的发展，并显示出良好的发展势头。 f ) 交流化 交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种 缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。 所以交流伺服系统在工厂自动化( f a ) 等各个领域也得到了广泛应用。 在高精度加工设备中，例如数控机床的定位控制中，对直流伺服电动机的速度控 制和位置控制提出了很高的要求。因此，位置和速度传感器的性能是非常关键的。由 于要求的定位精度较高，相应的要求闭环系统位置传感器具有很高的分辨力。目前 国内圆光栅的角节距大多在2 0 ”以上，而测角系统的分辨力往往要求达到0 1 ”，如本 系统采用的1 8 0 0 0 刻线的圆光栅，其节距角为7 2 ”，远远达不到系统05 ”1 ”的定位 精度的要求。因此针对系统中使_ j 的外部反馈装置光栅编码器，我们刈其输出信号进 第一二章 直流伺服拎制系统的原耻及编码器情0 的处埋 行了信号处理，以适应系统的要求。 2 3 编码器信号的处理 2 3 1 编码器的构造及工作原理 图24 编码器的构成 光电编码器主要由四个部分构成，光源，标尺光栅，指示光栅，光敏元件。标尺 光栅又称主光栅，随主轴运动。其原理如图2 4 所示。在主光栅上刻有节距相等的幅 射状窄缝，与此相对应，在副光栅上也刻有检测窄缝，它们的节距相等，狭缝间对应 位置相错四分之一节距。光源经透镜后成为平行光，主光栅随主轴运动的过程中，两 读数头中的光敏元件将光信号转换为电信号输出，且相位上相差9 0 。有时候，为了 便于信号处理以及提高精度，采取布置多个读数头的做法。由于光栅的衍射作用，同 时为了避免相对运动时擦碰，主光栅与检测一侧必须留有间隙，而且光源也有一定的 宽度以及刻划等等因素，其输出信号近似为正弦波，如图2 5 所示。对于两块节距角 相等，同心叠合的径向圆光栅来说，当一块光栅的透光狭缝与另一块光栅的不透光狭 缝完全重合时，即完全遮光时，透光量为零，光敏元件转化背景光强；当一块光栅的 透光狭缝与另一块光栅的透光狭缝完全重合 时，透光量为最大，输出信号为i 幅值最大。 因此，每当j - 9 栅转过一个节距角，对应输 f 矗母 辄1 度 黼竺些三 竹耽 出信号的一个周期。对输出的电信号进行处理， 幽25 编码器输出信号 便可与主光栅的位移对应起来，达到测量的目的。 赫于u s b 的直流f 乜机控制系统设计实现 2 32 细分倍频的一般方法 为提高编码器的分辨力，有很多种方法，比如光学细分法，机械细分法，电子学 细分法等。光学细分的基本目的是在光栅的个栅距的位移内发出多个周期的莫尔条 纹信号。与光学细分不同，机械细分实质是用微动对准来准确的测量光栅栅口g n d , 数 部分。但是上述两种细分方法实现起来结构比较复杂，且装调比较困难。莫尔条纹电 子学细分具有读数迅速，易于实现测量过程自动化和数据处理自动化，并能用于动态 测量等特点，因而得到广泛的应用。下面针对现有的实用的方法空间细分法- - l n 值切 割细分进行阐述。 幅值切割细分是用与相位有关的信号幅度去与参考电压相比较并产生细分脉 冲信号。在考虑本系统细分方案的过程中，我们对其中的三角波切割三角波的方案进 行了细致的研究，介绍如下。 不难想象，如果用脉动直流电压直接切割f 、余弦信号，则它们在每个细分点上 的电压斜率基本上是原输入信号的斜率。为了进一步提高比较器的鉴幅灵敏度，采用 一个与三角波信号电压变化趋势相反的三角波电压作为比较电压，两信号作差量输入 鉴幅，可以使细分精度提高。信号三角波与参考三角波的合成原理女n - i - - 首先将原始信号s i n x ，c o s x ，一s i n x ，一c o s x 经前置放大。经f 向全波整流电路，即 取绝对值电路，衢l j l s i n x f ，f c o s 。f 经差放电路得信号三角波 甜。= l c o s x 一l s i n l 经反相器取反得 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 同时可以将s i n x , - s i n x 经移拥电路得到s i n ( - 、- 一三) ，一s i l l ( 一一三) 将“，- c “x 第一二章直i f c 倒服控制系统的原理驶编码器信号的处理 经移相电路得到c 。s ( x 一三) ，一c 。s ( x - 三) ，得到的四路信号同理经取绝对值电路和差 分放大电路有 “，。= 1 c 。s c x 一三，l i s i n c x 一三，i 其前后沿的变 化方向与信号三 角波相反。将“。与 “，。经分压电阻链 后送往一组电压 比较器进行鉴幅 比较，一“与“， 经分压电阻链后 ( 2 3 ) 蒸豢 l - ! _ ! l 、i：- 宁宁，多 z ：。： 洋 ： ：、： ； f i：，j 。k ： _ ：、：少 秘丈i 奠、li 、罚ll 崩哆：- 弋 i 7 ： ：z ? 、 ? t i i i i 事、一；i ：_ i ；i ；夸；嘶，i i - - ：l ：；i ：；ii ：；i ；i ；j ： i ! il 出；ii ； ! ； ；! ! ；! 叫 l ! ! ll | j ：! ；l 毒；! ：i ：! il ： ：； i ：l ：ijjjji ：j l ：l ii 目再鲁单li 崔引胄崮；i ； i ；ii ；：! ；! j ! ji ! ii ：；：；：；：；i ； - 1 ；ii ；：i ! ；! j ； lj ! i ；：；i - i ；j ；j ! j ；! ! i ；j ；r i ；! ! i ；jj ；! ! i ：r - ：- ：? ：j i ：i l ：jj ：ji ；! i i ； ： l ；l ； ；i ii ；i ；ii ； f 目印日目日f j 口日驵毋忍口狃狙猡 ；_ 1 9 目习日司目司f 习叠唾哑f 鞠日旦曙皿删 1 ；r 1 ；_ l 1 一o 1 ；雕 ；m 士 r 1l 阳i 州i ihi i l 声l _ 州0 幽26 空问细分3 6 倍频幽 送往另一组电压比较器进行鉴幅比较。将各比较器的输出信号防波经逻辑异或后合成 便得到两路正交方波。图2 6 是一个3 6 细分倍频的方案原理图。 由图可以看出，信号三角波的频率是原始信号的两倍。正反信号电压，参考电压 共经过八级电阻链分压送往比较器鉴幅。同时对s i n x ，c o s x 进行过零比较，共获得 1 0 路方波信号输出。输出信号经过逻辑异或合成，得到两路正交方波，其频率分别是 原始信号的9 倍，乘以4 ，即可鉴别3 6 个相位，实现3 6 细分。 从上面分析可以看出，信号三角波与参考三角波的方向刚好相反，从而使鉴幅电 ： 幕十u s b 的直堕里! ! 篓型墨丝壁! 兰墨 一 一 压提高，这不仅使其抗干扰能力提高，而且有利于提高细分精度。但是空阳j 细分f 如 电阻链细分一样，当细分倍数较高时，一方面在莫尔条纹信号的一个周期内需要进行 多次取绝对值，移相，以便产生细分所需的信号三角波和参考三角波；另一方面，在 送往鉴幅比较以前，需经过电阻链的多级分压，电路庞大复杂，调试困难口 933 软件细分 软件细分也是目前常用的细分手段。在构成上主要包括信号前置处理、采样、查 细分表等。编码器同步输出的四路信号转换为数字信号后送往单片机或高速信号处理 器件如d s p 等，经鉴别后落在八个卦限，并根据信号的数值，查找细分表，得出对应 相位值从而判别编码器的实际位置。如图2 7 所示。 纲分表的建立，基本原理如下： s i n x l t g x 2 磊聂l ( 2 4 ) 在任意卦限内，够与相位值一一x , 1 a 。但因为当x 接近9 0 度时，t g x 趋近于无 穷大，这在d s p 中是很难表示的，因此当在偶数卦限内我们把细分表做成： l c o s x l 。移2 l 五i l ( 2 5 ) 这里需要对s i 。和c 。s 的值进行判断，具体实现在下文中详细说明。根据细分 倍数的要求，比如需进行2 5 6 细分，则需要鉴别2 5 6 个相位，每个卦限内鉴别3 2 个 相位。即在第t 限州饵位值分别为。、去、面7 9 、诼3 7 、夏7 - 、薏三、根据采样 第二章直流何服挡制系统的原理及编码器情呼的处理 后s i f i x 与c o s x 的比值t g x 可以判定此时实际相位落在哪个相位| 白j 隔内，并将此时的 逻辑相位即细分表中的相位码输出， 达到细分的目的。 由此我们可以看出，软 女 愀 i 蚪揪 卦胆；斟 ! 饿 l ； l 系 ! i ； 赫 斑：乍州l 争 他 竹什竹母斗h 静蜥卜+ 件细分所涉及的的硬件环节较少，幽2 7 软件细分原理 主要是采样、a d 转换，如果用高分辨力的a d ，而且由于细分主要由软件来完成 因此可以获得很高的细分倍数，细分精度也较高。用高速信号处理器件如d s p 器件 也可以极大地提高细分采样的速度。 ( 2 ) 软件细分实现 通过软件查询的方式进行细分。从光电编码器输出的两路角位移信号首先进行滤 波整型，硬件辨向，提取整周期信号，得到粗位移；同时对两路信号进行a d 转换 通过u 函数获取取卦限信号，通过v 函数得到精位移的地址信号，查询得到精位移。 系统框图如下 图28 软件细分框图 输入的两路信号分别是x 1 = a * sjn ( | ) + a 2 ( v ) ，x 2 = a * c o sc b + a 2 ( v ) ：a 为编码器反馈 信号的幅值。我们取33 v 。在d s p 中有专门的1 6 路a d 转换电路，有足够的硬件资 摧于u s b 的直流i u 机控制系统& 计实现 源。因而不用再设计a i d 转换电路。另外对于中位电平a 2 同样要采样，这样可以减 小因为幅值漂移造成的影响。这样共有三路信号进行a d 转换。 在d s p 中把a d 转换后得到x 1 、x 2 、a 2 信号进行处理得到y l = a * s i n 巾y 2 = a * c o s 巾。 y 1 = ly i i ，y 2 = ly 2 f 。根据这个结果从而得到卦限值。设s i n o 、c o s o 、y l y 2 都用o 表示，否则为l ；在s i n 、c o s 的一个周期内，可以得到原理如表2 3 表2 3卦限对应表 s i n ooo0011 l1 c o s oi1o0ooll y 1 y 2lo 0 ll 0ol 卦限 l2345678 卦限值和s i n 、c o s 、y i y 2 之间的关系是一一对应的。根据此表，我们非常容易就 可以得到细分之后的卦限值。在1 、4 、5 、8 卦限内，y 2 = y 1 时反查t g 角度，得到。 得到一个卦限内的相位值再加上卦限值，即可得到细分值：在2 、3 、6 、7 卦限内，把 y 2 与y l 调换，反查得到矽，通过表2 4 的处理就可以得到细分值。 表2 4 细分值 卦限 l2：345678 相位值 击 j 丌 3 丌万+ 西 j 厅1 丌1 i t 一一0 一一曲 + 毋一曲一曲+ 西 4 4 4 4 这样就得到了整个周期内的相位值。从而非常容易的得到了细分值，课题中所用的 增量式编码器为1 8 0 0 0 刻线，分辨力为7 2 ”，则每2 丌个相位对应的足7 2 ”。每三个拥 4 位对应的是g ”，目j 每个卦限列应于细分值的9 ”。具体实现见软件流程图2 9 。 第一章 直流伺服拄制系统的原理及编码器信呼的处理 在细分电路里，最主要的是完成s i n 西c o s 西的除法，不仅要求速度快，还要求精 度高。在d s p 中a d 的位数是l o 的，满足了精度的要求。在d s p 中有专门的s u b c 指令来完 成除法，简单快速。除法程序见附录：在d s p 中程序执行是流水线执行，以上程序可以 在3 5 个时钟周期内执行完。j j h i a d 转换的2 9 个周期( 两路) ，和查询数据得两个时钟 周期。共6 9 个时钟周期，设d s p 的时钟频率是4 0 m h z ，则需要大约1 6 u s 就可以得到精确 的角度。可以保证足够的实时性。 若 姻j 2 5 6 细分，查询表分8 个卦限，每个 卦限有3 2 个细分值。2 5 6 细分，实际上对于细 分码只需要保存3 2 个细分值就可以。首先得到 卦限值，再比较卦限中具体的细分码是多少 这样只需要3 2 字节的r a m 保存这些数掘。 我们搭建了细分检测硬件平台，由标定系统 一维平转台和同轴的圆光栅编码器构成。数 显装簧显示了标定转台实际转过的角度，同 时主机通过接口电路对细分方波进行计数并 显示，经过多次测量，两显示值之问的差 图2 9 细分软件流程图 口1 ，p , p 4 、于等于一个当量，达到了设计的目的。采用软件的手段不仅可以满足系统 实时性的要求，采样周：l l j j 为2 p s ，同时采用该方法可以实现高倍频细分，满足大多数 系统对于两路正交反馈方波的需求。 捧于u s b 的直流乜机控制系统设计实现 本细分方案中，卦限信号是以过零点作依据的，当平均直流电平变化时，过零点漂 移，由此引起信号脉冲间隔的变化。采取差放的措施来提取卦限信号，一方面可以改 善比较器滞后对细分的影响，另一方面也可以降低电压漂移的影响。在细分倍数较高 或者系统运行速度较快时，a d 转换环节引入的细分误差将会体现出来。一方面在于 a d 转换的量化误差和需要一定的转换时间，另一方面，转台速度较高时，信号幅度 将下降，相当于降低了a d 转换的分辨力。由于驱动器反馈输入能力的限制，使得反 馈编码器分辨力与闭环系统的最高转速成为一对矛盾，分辨力越高，最大转速越低。 2 4 系统的组成方案及控制 给定价 一一 幽2 1 0 刚环结构框幽 如图2 1 0 我们可以看出，系统在结构上与控制对象转台形成一个完整的统一体。 可以避免传动机构比如蜗轮蜗杆等减速机构引入的误差。系统的精度仅仅取决于电机 伺服轴编码器。这种结构增大了系统的实用性，适合于精度要求较高的场合。直流伺 服系统的控制形式针对被控制量来说，主要有：转矩控制电流控制、速度控制、位 置控制。典型的位置伺服系统是有位置环、速度环、电流环组成的三环反馈控制系统。 兰三翌皇堕塑竖丝型墨竺塑堕些丝塑丝竖笪芏堕竺些二一 在本课题中，电流环的控制是利用i r 2 1 3 2 自带的电流过流保护完成的，课题中主要 设计了速度环、位置环，其框图如图2 1 1 所示。 图21 1 控制系统框图 速度控制：这种控制形式是要求对直流伺服电动机在各种运行状态下的速度加 以控制，以满足负载的工作要求。只有伺服系统产生的转矩比负载转矩还大的时候 才能使电动机及其负载实现加速。 位置控制：在位置控制中，数据指令直接送速度位移控制值给电机控制器。控 制器一方面接受目标速度位移值，一方面对反馈的速度位移信号进行计算。利用差 值控制电机的转动。当电动机未加速至目标速度前，反馈信号的速度值小于目标速度 值，p d 控制器输出的电压仍然继续增大，电动机处于加速状态。同样的道理，电机 未达到目标位移时，控制器根据差值输出电压，直到反馈的编码器数据使当前位移等 于目标位移时止，电动机停止转动。课题中使用数据指令。 25 直流电动机的控制原理 ( 1 ) 直流电机的数学模型 直流电动机的转速控制方法可分为两类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和 剥1 乜枢电压进行控制的电枢电压控制法。 摧十u s b 的直流 u 机控制系统设计实现 励磁控制法是在电动机的电枢电压保持不变时，通过调整励磁电流来改