（计算机应用技术专业论文）刻绘机伺服电机控制系统的设计与实现.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 伺服电机驱动技术作为数控机床、工业机器人及其它产业机械控制的关键技 术之一，在国内外普遍受到关注，特别是最近十年来，数控系统朝着全数字化、 智能化、网络化方向发展，它在工业控制中起着更加重要的作用。 刻绘机作为伺服电机驱动技术典型应用之一，随着微电子制造工艺的不断改 进，控制精度和灵敏度也不断提高。刻绘机的驱动系统主要包括伺服电机驱动和 步进电机驱动两种方式。伺服电机驱动刻绘机系统以其控制精度、稳定性较步进 电机驱动刻绘机系统更加优异而占据着刻绘机的高端市场。 本文就采用嵌入式处理器作为核心控制器的伺服电机驱动系统的设计和实 现进行深入研究，实现了基于a r m 处理器的伺服电机驱动刻绘机系统。该刻绘 机系统采用三星s 3 c 2 4 1 0 x 处理器作为控制器，l 6 2 0 3 全桥驱动电路作为电机驱 动芯片，h c t l 2 0 1 6 ( 1 0 m 晶振) 作为电机位置量采集芯片，从硬件上保证了刻 绘机系统的工作速度；采用p i d 控制方法及中点法直线画线算法，从软件上保 证了刻绘精度。 实验证明，所设计系统的测试结果在刻绘速度和精度方面( 最短可控制距离 0 0 5 毫米) 均达到了设计要求。 关键词：刻绘机嵌入式处理器s 3 c 2 4 1 0 xp i d 控制 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e r v om o t o rd r i v et e c h n o l o g y , a sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yi nn u m e r i c a l - c o n t r o l m a c h i n et o o l , i n d u s t r yr o b o ta n do t h e rm e c h a n i s mc o n t r o la r e a , i sp a i dc l o s ea t t e n l l o l l b ym o r ep e o p l e i nd o i i l e 砸co ro v a , e s p e c i a l t yi n c x , l a tt e ny e a r s ， n u m e r i c a l - c o n t r o ls y s t e md e v e l o p si n t of u l t yd i g i t t u a , i n t e l l i g e n t i z 蜘a n dn e t w o r k e d , i tb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti ni n d u s t yc o n t r 0 1 t h ec o n t r o lp r e c i s i o na n dd e l i c a c yo fc a r v i n gm a c h i n e , a sa 姆p i c a is e r v od r i v e t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n , i si m p r o v e dc o n s t a n t l yw i t ht h ei m p r o v i n go fe l e c t r o n i c s m a n u f a c u r i n gt e c h n o l o g y t h ed r i v es y s t e mo f c a r v i n gm a c h i n ei n c l u d e so 洲oi r t o t o r d r i v es y s t e ma n ds t e pm o t o rd r i v es y s t e m s e t v om o t o rd r i v es y s t e m , w i t hh i g h e r a c c u r a c ya n ds t a b l i i t yt h a ns t e pm o t o rd r i v es y s t e m , o c c u p i e st h eh i g h - e n dc a r v i n g m a c h i n em a r k e t t h i sp a p e rf i r s ts t 戚e st h ed e s i g na n di m p t e r a e n 女a t i o no fs a r v om o t o r & i r e s y s t e mw h i c hu s e se m b e d d e dp r o c e s s o ra sc o f ec o n t r o l l e r , t h e nr e a l i z e ss e l v om o t o r d r i v ec a r v i n gm a c h i n es y s t e mb a s e do na r mp r o c e s s o r u s i n gs a m s u n g $ 3 c 2 4 10 x p r o t 。e s s o ra sc o n t r o lc h i p ，l 6 2 0 3f u l l - b r i d g ec i r c u i ta sd r i v ec h i p ，h c t l 2 0 t 6 ( o s c i ： 10 m ) a sl o c a t i o na c q u i r i n gc h i p ，g u f l r a n t o 。st h ew o r ks p e e do fc a r v i n gm a c h i n e s y s t e mo nh a r d w a r e u s i n gp i dc o n t r o lm e t h o da n dm i d d l ep o i n tl i n ea l g o r i t h m s ， g u a r a n t e e st h ep r e c i s i o no f c a r v i n gm a c h i n es y s t e mo ns o l , w a r e e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es y s t e mt e s tr e s u l t si nc a r v i n gs p f e da n dp r e c i s i o n ( t h e s h o r t e s tc o n t r o l l a b l ed i s t a n c e ：0 0 5 r a m ) m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：c 叠r v 白曙m a c h i a e ，e m b e d d e dp r o c e s s o r , $ 3 c 2 4 1 0 x , p 】面c o n t r o l 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可盼采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：幽 即7 年占月易日 捌复 、p ， 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 刻绘机伺服电机驱动系统作为一种伺服系统，是以机械运动的驱动设备，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，在自动控制理论的指导 下组成的电气传动自动控制系统。它控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为 机械能，实现运动机械的运动要求。对于刻绘机，伺服驱动系统接收上位机发出的图形数 据流，经本地运动控制系统处理后发出速度指令，位置指令等驱动电机，由电机和桃械传 动机构驱动刻绘机坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产 生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。 由于步进驱动刻绘机系统存在较多不足，如步进电机自身的惯性产生失步现象，导致 在绘制直径较小的圆( 一般直径5 蕊) 时不能封口，以及步进电机的控制精度较低等，促 使研究伺服驱动刻绘机系统成为必要。本文所讨论的伺服驱动刻绘机系统是采用直流伺服 电机驱动的闭环位置控制系统。伺服刻绘机采用了闭环位最控制，提高了控制精度和工作 速度，但控制策略较为复杂。所以，在伺服驱动技术研究领域中，如何提高控制精度，加 快工作速度，改善控制方法使其更为简单而有效等技术，就成了伺服控制技术研究必然趋 势和方向。 1 2 伺服电机驱动技术 1 2 i 国外研究现状及发展趋势 无人化、规模化生产对加工设各提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流伺服系 统具有高响应、免维护( 无碳刷、换向器等磨损元部件) 、高可靠性等特点，正好适应了这 一需求。例如，日本f a n u c 公司、三菱电机公司、安川电机公司、德国s i e m e n s 公司、 a e g 公司、力士乐h 血啦a t 公司、美国a b 公司、g e 公司等均先后在1 9 8 4 年前后将交流 伺服系统付诸实用。 进入2 0 世纪9 0 年代，微电予制造工艺的日臻完善，使得d s p 运算速度呈几何数上升， 达到了伺服环路高速实时控制的要求，一些运动控制芯片制造商还将电机控制所必需的外 虽电路( 如a d 转换器、位置速度检测倍频计数器、p 帐发生器等) 与b s p 内核集成于一体， 使得伺服控制回路采样时间达到l o o n s 以内，由单一芯片实现自动加、减速控制，电子齿 轮同步控制，位置、速度、电流三环的数字化补偿控制。一些新的控制算法如速度前馈、 加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。另一方面，电力电子技术的发展，使得伺 服系统主电路功率元件的开关频率由2 5 k l z 提升到t 5 2 0 k l l z ，i g b t ( 绝缘栅门双极性晶 体管) 及i 蹦( 智能型功率模块) 均是这一时代的产物，从而提高了系统的平稳性，降低了系 统的噪音。以上两个方面不仅是交流伺服实现数字化的基础，而且使得交流伺服趋于小型 化。目前一些工业发达国家的伺服系统生产厂家基本上均能够提供全数字交流伺服系统或 中国科学技术大学硕士学位论文 者可以与自己的c n c 系统相配套，如日本f a n u c 公司、三菱电机公司、安川电机公司、松 下公司、山洋电机公司、德国s i e m e n s 公司、力士乐i n d r a m a t 公司、l e n z e 公司、美国a b 公司、k o l l m o r g e n 公司、r e l l i a n c e 公司、b a l d o r 公司、p a c i f i cs c i e n t i f i c 公司等。 全数字交流伺服技术的飞速发展。使得用户根据负载状况( 如惯量、问隙、摩擦力等) 调整参数更为方便，也省去了一些模拟回路所产生韵漂移等不稳定因素，但在发展初期， 伺服接口缺乏统一标准，各个厂家均设计自己的接口电路，相互之间无可互换性，用户适 配较为麻烦。在网络技术及p c - b a s e dc n c 技术快速发展的情况下，这一问题尤为突出。 在1 9 8 7 年，由德国机床协会和德国电力电子协会联合提出数字驱动接口国际标准，即 s e r c o s ( s e r i a l r e a l - f i m e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m 串行实时通信系统) 接口作为高性能运动控 制系统闭环数据串行实时通信接口，这疆个协会将电枫、驱动系绕、c n c 系统的主要制造 商组成一个联合工作组。最初加入s e r c o s 工作组的公司有a e c 、a b b 、a m k 、b a n m u l l e r 、 b o s c h 、i n d r a r 嘣、s i e m e n s 、p a c i f i cs c i e n t i f i c 等几家公司。到了1 9 9 4 年，s e r c o s 成为控制 器与数字伺服驱动系统接口的国际标准并作为i e c 6 1 4 9 i 标准获得通过，因此具有开放性， 迄今成员已增加到7 0 多个公司。与此同时，开发了相应的a s i c 芯片、s e r c o n 8 1 6 ，传输速 度为2 4 8 1 6g b t t s ，s e r c o s 与其它串行现场总线相比，有效数据传输率高，例如 e t h e m e n t 以1 0 0 m b i t s 速度传输数据时，有效数据传输率为5 l o m b i t s ：s e r c o s 以 1 6 l l b i t s 速度传输数据时，有效数据传输率为1d a b i t s 。c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 用于运动控制时，必须提供额外的存储缓冲器及信号管理资源，其成本大约是s e r c o s 接口 的2 倍，另一个特点是它的光纤噪声抑制能力强、传输可靠性高。虽然s e r c 0 s 接口初终是 为c n c 与数字伺服接口而开发，迄今己被广泛应用于通用运动控制器与数字伺服之间的接 口。目前已能满足在2 m s 内，使一台控制器与多达3 2 个伺服系统实现数据通信。s e r c o s 为数字伺服网络化铺就了一条宽阔大道，可以预见，在不远的将来，带有s e r c o s 接口的伺 服系统将会进入家庭、办公室、工厂车间乃至各个与伺服应用相关的领域。力士乐i n d r a m a t 公司在1 9 9 9 年之所以占据北美伺服驱动市场i o 5 的份额、位居第一位，一方面是该公司 在应用工程、销售、服务及用户支持方面的加强，另一个主要因素是承诺开放结构- - s e r c o s 。 轻质( 如铜、木材、铝合金等) 、复合材料在汽车、家电、a f 业中的大量使用。对高速、高 效加工提出了新的要求。为了适应这一需求，一些工业发达国家相继推出直线电机、高速 主轴电机，而且付诸实用。对于直线电机而言，其控制技术与传统的交流伺服电机相差不 多，但由于直线电机本身没有转子等转动体，因而本身惯量小，所以具有高动态响应性， 丽检测元件直接安装于机械一侧，从而检测工作台的位移，也避免了旋转电机在方向改变 时所存在韵换寤阊陈，满足了高速、高精密加工对伺服驱动系统的要求。从i 懿s2 0 0 0 展 览会来看，一些工业发达国家在高速加工技术方面处于领先水平，i b a g 公司已向业界提供 o 1 2 5 1 8 5 k 霄，最高转速为1 4 ，0 0 0 r m i n 的系列化高速内装式主轴系统，电机轴承有混合 陶瓷轴承、液静压轴承、磁浮轴承三种，采用水管冷却，且内置位置传感器供加工中心a t c 2 中国科学技术大学硕士学位论文 之用。主轴驱动采用矢量变频技术，已在模具加工、高精密电极加工、铝质零件加工、高 精度磨削加工等领域广泛应用，f i s h e r 公司也有类似产品。 1 2 2 国内研究现状及发展趋势 我国在2 0 世纪8 0 年代初期通过弓l 进、消化、吸收国外先进技术，又在国家“七五”、 。八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技项目攻关取得了很大成果。但由于 产品可靠性等方面的原因，制约着我国数控机床的配套及应用，从而影响我国装备制造业 的发展。一些机床厂家也不得不选用国外的伺服系统，使得国产数控机床在价格、交货期、 可靠性等方面均不占优势，更无心力开发市场需求的新品种，从而失去巨大的市场份额。 从公开的统计资料来看，c n c 系统中7 5 冁以上的故障出自伺服部分。 然而，近年来在国家不断组织科技攻关的同时，一些民营高科技公司也为发展我国伺 服驱动技术注入了新的活力。例如北京中宝伦自动化技术有限公司在国家没有投入一分钱 的情况下，以市场为导向，不断开发新产品，1 9 9 4 年开发成功p d c 系列直流伺服系统， 扭矩从1 n o m 至4 4 1 n o m 共有七个规格的宽调速直流伺服电机，采用国际上最新一代的功 率器件i p m 、p w m 控制，调制频率达到1 5 k h z ，有效地克服了以往s c r 控制时电流断续 所产生的换向火花对于换向器的烧蚀，可使碳刷寿命延长l 倍以上。1 9 9 7 年底该公司又开 发成功p a c 系列交流伺服系统，与兰州电机厂引进德国s i e m e n s 公司1 f t 5 系列的9 4 个规 格的无刷交流伺服电机相配套。转速系列有l ，2 0 0 r m i n 、2 ，0 0 0 r r a i n 、3 , 0 0 0 r r a i n 、4 ，0 0 0 r m i n 、 4 ，5 0 0 r r a i n 、6 ，0 0 0 r r a i n ，扭矩范围0 1 5 9 0 n ；2 0 0 0 年1 1 月又根据市场需求，开发出p a c - p 系列数字化位置型交流伺服系统。这些产品推向市场后。取得了很好的社会效益及经济效 益，得到北京第一机床厂、清华大学精密仪器厂、青海第一机床厂等厂家认可，与x a 5 7 5 0 滑枕铣床、x a 7 1 8 立式铣床、x a 2 4 1 2 2 4 1 0 龙门铣床和a 5 0 3 2 数控立式铣床、数控异 型螺杆铣床、x k a $ 1 3 2 8 1 4 0 数控铣床等配套。除此之外，也应用于复合材料成型机械、 汽车子午胎一段、二段成型及裁断机械、卫星风洞群控制、电子元件材料切割、编带等领 域。目前，近2 0 0 台应用于国内各大汽车子午胎生产线，每日2 4 h 连续运行。除在国内应 用外，从1 9 9 7 年开始，该公司部分产品由北京第一机床厂配套出口到德国、加拿大、澳大 利亚等国家。从1 9 9 4 年至今售出将近1 0 0 0 台套交，直流伺服系统，几年来无一台返修，根 据该公司记录数字来看，只有8 台均由于用户接线错误而导致保险电阻、电源回路及接口 元器件烧坏。使用中宝伦产品的用户改变了对于国产伺服系统可靠性不好的看法。华中数 控系统有限公司、珠峰数控公司、航天数控公司、中科院电工所等单位通过实施国家科技 项目攻关，已镌够两各机床制造厂配套自身数控系统所需要的伺服系统，还应用于一些老 设备技术改造。洛阳轴承研究所自主研发高速电主轴，已应用于轴承磨床、印刷电路板铣、 钻等方面1 2 。 3 中国科学技术大学硕士学位论文 1 3 本人所做工作 本文在介绍伺服电机驱动技术在当前国内外研究现状及发展趋势基础上，对刻绘机伺 服电机控制系统系统的总体结构设计、硬件系统设计、软件系统设计和实现等做了详细介 绍，最后进行了系统测试并分析测试结果，展望了伺服电机驱动系统的未来发展。 本人所做工作如下： 1 对伺服电机驱动技术的国内外研究现状进行了研究； 2 参与伺服电机控制系统总体规划和设计，其中包括：硬件系统的总体规划、设计。软 件总体规划和设计： 3 对b o o t l o a d e r 和li n u x 操作系统在嵌入式系统上的移植； 4 编写应用软件、驱动程序模块； 5 对硬件、软件进行了整体测试。 1 4 论文的组织 本论文共六章。 第一章绪论。介绍了课题的研究背景及伺服电机驱动技术的国内外研究现状。 第二章系统的理论基础。介绍了伺服电机控制系统设计和实现所依赖的理论基础，包 括刻绘机的工作原理、p i d 控制原理、嵌入式系统等。 第三章总体设计方案。介绍了刻绘机伺服电机控制系统的硬件、软件的总体设计方案 等。 第四章软件设计与实现。给出了系统的详细软件设计方案，介绍了从软件角度来看系 统的模块划分。介绍了b o o t l o a d e r 和l i n u x 操作系统的移植。 第五章系统测试。介绍了系统硬件、软件的测试方法及测试结果。 第六章总结。对整篇论文的特色和存在不足做出了总结，并阐述了伺服电机驱动刻绘 机系统进一步研究的方向。 1 5 小结 本章主要介绍了课题的研究背景，指出了本课题在实际应用中的意义：并介绍了伺服 电机控制技术在国内外的研究现状、本文的组织、本人所做的工作。 4 ；l 中国科学技术大学顼士学位论文 第2 章系统的理论基础 2 1 刻绘机系统的工作原理 2 1 1 刻绘机工作原理 刻绘机主要由三部分组成：上位机、电机控制系统、执行机构。上位机作为 刻绘机数据来源和预处理单元，提供刻绘机可以处理的数据格式，一般是一台p c 机。电机控制系统为刻绘机的核心部分，一般由嵌入式计算机系统组成，它主要 完成将上位机的图形数据转换为刻绘机电机的运动控制量的工作。执行机构一般 指儡服电机或步进电视、以及密电钒带动钓小车上能瓤乃等部件。刻绘枕根据电 机不同区分为步进电机驱动刻绘机和伺服电机驱动刻绘机。 上位机中刻绘软件( 文秦刻绘2 0 0 2 ) 完成的功能是用户根据需求绘制图形( 包 括简单图元，文字等) ，将所绘图形按给定算法转换为一组点的集合，然后将点 的集合按指定的格式存放在图形数据文件中( 文泰软件的格式为p i t ) 。在需要 刻绘时将生成的图形数据文件通过串口、网络、移动媒体等方式传输烈电机控制 系统中。 电机控制系统为刻绘机的核心部分，主要功能是接收并处理上位机的图形数 据，将其转换为电机运转的控制信号。实现过程主要包括对上位机图形数据( 点 的集合) 进行直线插补( 中点法直线插补) ，然后运用p i d 控制方法使伺服电机 沿插补点所形成的图形运动。电机的控制精度和速度主要由插补算法和p i d 控制 方法决定1 4 1 。 执行机构主要包括运动小车和刻刀。刻刀绑定在运动小车上，电机运动带动 小车的同时带动了刻刀。运动小车上刀压控制机构，能根据接收到的控制信号产 生不同的刀压，使刻刀适应不同的刻绘材质，保证刻绘效果。 z 。1 2 饲鼹电机工佟原理 伺服电机内部的转予是永磁铁，驱动器控制的u n w 三相电形成电磁场，转 子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根 据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于 编码器的精度( 线数) 。伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类其主要特 点是，当信号电压为零对无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。 2 2p i d 控制的理论基础 一种控制方法能被广泛应用和发展，根本原因在于这种控制方法满足实际控 制的应用需求和具备应用实现的条件。在计算机技术没有发展的条件下，大量需 5 一 中国科学技术大学硕士学位论文 求的控制对象是一些较为简单的单输入单输出线性系统，而且对这些对象的自动 控制要求是保持输出变量为要求的恒值，消除或减少输出变量与给定值之误差、 误差速度等。而p i d 控制的结构，正是适合于这种对象的控制要求。另一方面， p i d 制结构简单、调试方便，用一般电子线路、电气机械装置很容易实现，在无 计算机条件下，这种p i d 控制比其他复杂控制方法具有可实现的优先条件，即使 到了计算机出现的时代，由于被控对象输出信息的获取目前主要是“位置信息”、 “速度信息”和部分。加速度信息”，而更高阶的信息无法或很难测量，在此情 况下，高维、复杂控制只能在计算方法上利用计算机的优势，而在实际应用中， 在不能或难以获得高阶信息的条件下，p i d 控制或二阶形式的控制器仍是应用的 主要方法1 7 1 。 2 2 1p i d 控制器的结构形式 1 ) 连续形式的p i d 控制器 啡) = k p e ( 卅k i 印渺+ kd 警 ( 1 ) 式中韵= 只_ 购为输出误差。 2 ) 离散形式的p i d 控制器 k u ( k ) = k p e ( k ) + k i e ( i ) + k d a e ( k ) f = 1 ( 2 ) 根据被控对象的特点不同，p i d 又可分p i ，p d ，p i d ，增量p i d ，分离积分的p i d ， 【8 l 以及带各种滤波器的p i d 控制器等。 2 2 2p i d 控制器设计理论依据 目前，p i d 控制器设计方法通常有三种：经验试凑法；根据经典调节原理的频 域法；主导极点的时域设计方法。 第一种方法在工业控制及对象数学模型不精确的情况下应用最多。第二、三 种方法在航空航天控制器设计中应用较多。p 1 d 控制器设计的理论依据就是基于二 阶线性定常系统，按二次最优控制且消除静差的理论和方法设计的。 6 一 中国科学技术大学硕士学位论文 本论文讨论的p i d 控制器系统是一个二阶系统。下面介绍基于二阶线性定常系 统的p i d 控制器设计方法。 1 ) 连续系统p i d 控制器的设计 设被控对象为j ，+ qy + a o y = 6 l 材+ b o u + ， 式中a = ：，一q ，b = l 旦p = j 1 ，c = 【1 ，。】l 口0 ，一q j 1 层= 巩屈= 一q 磊，工= 毛，艺了，蟊= 多= 恐+ 妇甜，v 为干扰常值。 式 式 当控制性能要求为二次型最优控制且稳态误差为零时，则p i d 控制器的设计步 骤如下： 对式( 4 ) 微分，消除常值干扰，得到增量方程： 定义z = 二= 【毛，zr = 而，恐 7 ，z = ； 式( 5 ) 三= 防z r ，2 = y ，j 丁，帚= 玉，增广状态方程为：之：五三+ 三矿， 式( 6 ) 莉= 盼占= 翻 现令二次最优性能控制指标为： ，= f z 7 q z + w 7 r 方坤 式( 7 ) 7 j l 阮 厶q ，一协沙 为程 方态状 ， 其 ， ， 、-， 嚣抖 工 爿 c = = 工 y ，：【 中国科学技术大学顿士学位论文 解得最优控制律为：痧：一工三 ( 8 ) 式中上= 【厶，上2 ，岛】，z = y ，岛，之 7 式 材= 一 y 一岛1 五一上能工2 j 芘 ( 9 ) 对( 9 ) 两边积分，当u ( o ) = 0 时，则 “( ) 2 一lj 。y ( ) d 一l 2 j x l l 2 2 x 2 = 。 ， a l 2 j y 一lj oy d t 一三2 2 ( x l 一l 甜) 整理后得到： 印，= 南 驯卅厶t y d t + l 2 2 y 式 当给定值只= q 。回= 只一) 缸) = _ m ) 层= 白时，上式可化为式( i ) ： 川) = k p e ( 卅叫知胁+ k d 掣 式中k ，。r 二i ，k ，2 丁= 皇三i ，k 。= 丁二三i ， 2 ) 离散系统的p i d 控制器设计 建立二阶线性定常系统离散化状态方程： 】，x ( ( 七k ) + ：1 ) = ( f 七x c x ) 七+ 日甜七)【】，( 七) = ( 七) l 上述状态方程改为增量状态方程，并进行增广，按上述方法，即可得式( 2 ) 离散 8 中国科学技术大学硕士学位论文 k 材( 七) = k p e ( j j ) + k ，p ( f ) + k d a e ( k ) j = l 式中鬈，= # 蠹，置， 【钉【l o 】 。亡1 蠹b 疆一2 若1 暂b一工2 21 4 一上2 ：l 2 2 3p i d 控制中各参数作用 r 1 1 1 p i d 的控制参数k p 、k i 、k d 分别代表比例、积分、微分参数。 比例控制能迅速反应误差，从而减小稳态误差。但是，比例控制不能消除稳 态误差。比例放大系数的加大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是，只要 系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而， 只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，使系统误差为零，从而消除稳 态误差。积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。微分控制可以 减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度， 减小调整时间，从而改善系统的动态性能。 应用p i d 控制，必须适当地调整比例放大系数k ，积分时间t ，和微分时间t 。， 使整个控制系统得到良好的性能。 2 3 嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。一 般而言，嵌入式系统的架构可以分成四个部分：嵌入式微处理器、外围硬件设备、 嵌入式操作系统以及用户的应用程序。它具有系统内核小、专用性强、系统精简、 软件代码要求高质量和高可靠性、需要专门的开，旺具和环境等特点。 2 3 1 嵌入式硬件 嵌入式硬件主要式嵌入式处理器，可分为四类：嵌入式微处理器、嵌入式微 控制器、嵌入式d s p 处理器和嵌入式片上系统( s o c ) 。 嵌入式微处理器有许多流行的处理器核，如：a r m s t r o n g a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等，本系统采用a r m 9 系列处理器。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司是全球领先的1 6 3 2 位砒s c 微处理器知 识产权设计供应商。a r m 公司通过转让高性能、低成本、低功耗的r i s c 微处理 器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色 的芯片。a r m 已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的 9 中国科学技术大学硕士学位论文 r i s c 标准。a r m 处理器有三大特点：小体积、低功耗、低成本而商性能；1 6 3 2 位双指令集；全球众多的合作伙伴。 a r m 微处理器目前包括下面几个系列：舢m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e e m c o r e 系列、i n t e l 的x s c a l e 、i n t e l 的s t r o 删。 除了具有a i m 体系结构的共同特点以外，每一个系列的a r m 微处理器都有各 自特点和应用领域。 本系统使用a r m 9 系列微处理器中基于a r m 9 2 0 t 内核$ 3 c 2 4 1 0 芯片，是低 功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。 r m 微处理器系列具有如下特点： 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 对操作系统的支持广泛，包括w m d o w sc e 、l i n u x 、p a l mo s 等。 主频最高可达2 0 0 m h z ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应 用。 a r m 9 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设备、网 络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用1 。 2 3 2 嵌入式操作系统 从八十年代起，国际上就有一些i t 组织、公司，开始进行商用嵌入式系统和 专用操作系统的研发。这其中涌现了一些著名的嵌入式系统，如m i c r o s o f t 公司 的w i n e e 和w i n d r i v e r s y s t e m 公司的v x w o r k s 就分别是非实时和实时嵌入式操作 系统的代表。但是商用产品的造价都十分昂贵，用予一般用途会提高产品成本从 而失去竞争力。p c o s 一操作系统是性能优良源码公开且被广泛应用的免费嵌入 式操作系统，可以作为研究实时操作系统的典范。a r e l i n u x 操作系统作为非实时 的免费嵌入式操作系统，以其内核较小，通常支持进程管理、网络协议、文件系 统等功能，在工业控铡上得到了广泛应用u 叫u 5 j 。下面将对pc o s i i 和a r m l i n u x 进行比较。 l lc o s - 和h m l i n u x 系统简介 | lc 0 s - i i 和a r m li n u x 操作系统，是当前得到广泛应用的两种免费且公开源 码的嵌入式操作系统。pc o s i i 适合小型控制系统，具有执行效率高、占用空间 小、实时性能优良和可扩展性强等特点，最小内核可编译至2 k 。h r m l i n u x 则是继 承标准l i n u x 的优良特性，针对嵌入式处理器的特点设计的一种操作系统，具有 内嵌网络协议、支持多种文件系统，开发者可利用标准l i n u x 先验知识等优势。 其编译后目标文件可控制在几百k 量级。 l lc o s - i i 是一种免费公开源代码、结构小巧、具有可剥夺实时内核的实时操 1 0 中国科学技术大学硕士学位论文 作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、任务问同步与通信、内存管理 和中断服务等功能。 a r m l i n u x 是一种优秀的嵌入式l i n u x 版本。同标准l i n u x 相比，它集成了标 准l i n u x 操作系统的稳定性、强大网络功能和出色的文件系统等主要优点。它也 支持删( 内存管理单元) 。 1 1c o s - i i 和a r m l i n t t x 主要性能比较 嵌入式操作系统还有一个特点就是针对不同的平台，系统不是直接可用的， 一般需要经过针对专门平台的移植操作系统才能正常工作。进程调度、文件系统 支持和系统移植是在嵌入式操作系统实际应用中最常见的问题，下文就从这几个 角度入手对i ic 0 s i i 和a r m l i n u x 进行分析比较。 进程调度 任务调度主要是协调任务对计算机系统内资源( 如内存、i o 设备、c p u ) 的争 夺使用。进程调度又称为c p u 调度，其根本任务是按照某种原则为处于就绪状态 的进程分配c p u 。由于嵌入式系统中内存和i o 设备一般都和c p u 同时归属于某 进程，所以任务调度和进程调度概念相近，下面提到的任务就是迸程的概念。 进程调度可分为剥夺型调度和非剥夺型调度两种基本方式。 非剥夺型调度，是指一旦某个进程被调度执行，则该进程一直执行下去直至 该进程结束或由于某种原因自行放弃c p u 进入等待状态，才将c p u 重新分配给其 他进程。 剥夺型调度，是指一旦就绪状态中出现优先权更高的进程，或者运行韵进程 已用满了规定的时间片时，便立即剥夺当前进程的运行( 将其放回就绪状态) ，把 c p u 分配给其他进程。 作为实时操作系统，l lc 0 s i i 是采用可剥夺型实时多任务内核。可剥夺型的 实时内核在任何时候都运行就绪的最高优先级的任务。1 1 , c o s u 中最多可以支持 6 4 个任务，分别对应优先级o 6 3 ，其中0 为最高优先级。调度工作的内容可以分 为两部分：最高优先级任务寻找和任务切换。其最高优先级任务寻找是通过建立 就绪任务表来实现的。l lc o s i i 中的每一个任务都有独立的堆栈空间，并有一个 称为任务控制块t c b ( t a s kc o n t r o lb l o c k ) 数据结构，其中第一个成员变量就是 保存的任务堆栈指针。任务调度模块首先用变量o s t c b h i g h r d y 记录当前最高级就 绪任务的t c b 地址，然后调用o s _ t a s ks w ( ) 函数来进行任务切换。 h r m l i n u x 的进程调度沿用了l i n u x 的传统，系统每隔一定时间挂起进程，同 时系统产生快速和周期性的时钟计时中断，并通过调度函数( 定时器处理函数) 决 定进程什么时候拥有它的时间片。然后进行相关进程切换，这是通过父进程调用 f o r k 函数生成子进程来实现的。 中国科学技术大学硕士学位论文 由上述分析可以知，pc 0 s i i 内核是针对实时系统的要求设计实现的。相对 简单，可以满足较高的实时性要求。而a r m l i n u x 则在结构上继承了标准l i n u x 的 多任务实现方式，仅针对嵌入式处理器特点进行改良。 文件系统 文件系统是指负责存取和管理文件信息的机构，也可以说是负责文件的建立、 撤销、组织、读写、修改、复制及对文件管理所需要的资源( 如目录表、存储介质 等) 实施管理的软件部分。 l ac o s - i i 是面向中小型嵌入式系统的，如果包含全部功能( 信号量、消息邮 箱、消息队列及相关函数) ，编译后的pc o s - i i 内核仅有6 i o k b ，所以系统本身 并没有对文件系统的支持。但是pc 0 s 一具有良好的扩展性能，如果需要的话 也可自行加入文件系统的内容。 a r m l i n u x 则是继承了l i n u x 完善的文件系统性能。其支持多种文件系统，如 r a m d i s k 、j f f s 2 等。h r m l i n u x 还继承了l i n u x 网络操作系统的优势，可以很方便 的支持网络文件系统( n f s ) 且内嵌t c p i p 网络协议，这为a r m l i n u x 开发网络接 入设备提供了便利。 由两种操作系统对文件系统的支持可知，在复杂的需要较多文件处理的嵌入 式系统中a r m l i n u x 是一个不错的选择。两| l c o s i i 则主要适合一些实时控制系 统。 l lc 0 s 一和a r m l i n u x 移植比较 嵌入式操作系统移植的目的是指使操作系统能在某个微处理器或微控制器上 运行。pc o s i i 和a r m li n u x 都是源代码公开的操作系统，且其结构化设计便于 把与处理器相关的部分分离出来，所以被移植到新的处理器上是可能的。 i c o s i i 的移植 要移植“c o s i i ，目标处理器必须满足以下要求： 处理器的c 编译器能产生可重入代码，且用c 语言就可以打开和关闭中断； 处理器支持中断，并能产生定时中断； 处理器支持足够的r a m ( 几k 字节) ，作为多任务环境下的任务堆栈； 处理器有将堆栈指针和其他c p u 寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指 令。在理解了处理器和c 编译器的技术细节后，i ic o s - i i 的移植只需要修改与处 理器相关的代码就可以了。具体有如下内容： o sc p u h 中需要设置一个常量来标识堆栈增长方向； o s - c p u h 中需要声明几个用于开关中断和任务切换的宏； o s _ c p u h 中需要针对具体处理器的字长重新定义一系列数据类型； o s c p u a a s m 需要改写4 个汇编语言的函数； t 2 中国科学技术大学硕士学位论文 o s c p u c c 需要用c 语言编写6 个简单函数； 修改主头文件i n c l u d e h ，将上面的三个文件和其他自己的头文件加入。 a r m l i n u x 的移植 a r m l i n u x 其实是l i n u x 针对嵌入式系统的一种改进，其结构比较复杂，相对 p c o s i i ，a r m l i n u x 的移植也复杂得多。a r m l i n u x 的移植大致可以分为3 个层 次： 结构层次的移植； 平台层次的移植； 板级移植。 通过对pc 0 s l i 和a r m l i n u x 的比较，可以看出这两种操作系统在应用方面 各有优劣。l ac 0 s 占用空间少，执行效率高，实时性能优良，且针对新处理器 的移植相对简单。a n a l i n u x 则占用空间相对较大，实时性能一般，针对新处理器 的移植相对复杂。但是，a r m l i n u x 具有对多种文件系统的支持能力、内嵌了t c p i p 协议，可以借鉴l i n u x 丰富的资源，对一些复杂的应用。a r m l i n u x 具有相当优势。 总之，操作系统的选择是由嵌入式系统的需求决定的。简单的说就是，小型控制 、检测系统可充分利用l ac o s i i 小巧且实时性强的优势，如果开发p d a 和互联 网连接终端等较为复杂的系统则a r m li n u x 是不错的选择”。 2 4 小结 本章通过介绍刻绘杌系统的工作原理、p i d 控制的楣关理论、嵌入式硬件系统 及嵌入式操作系统的相关知识，为系统设计及软件实现提供了理论准备。 j 3 中国科学技术大学硕士学位论文 第3 章系统总体设计方案 3 1 系统功能描述 刻绘机伺服电机控制系统的主要功能包括： 接收来自上位机的图形数据并进行分解处理； 输出伺服电机控制信号( p 吼波形) ： 接收电机光电码盘反馈信号( 光电脉冲) ； 接收外围硬件( 按钮、刀压、限位开关等) 的控制信号并作出相应的显示( 液晶 显示屏) ： 3 2 系统的体系结构 伺服电机控制系统硬件体系结构如图3 - - 1 所示： 圈3 - 1 伺服电机控制系统硬件体系结构图 3 2 1 系统的硬件模块组成 按系统功能划分，可以将系统分成以下几个部分： 主控单元( a r m 处理器) 模块：该模块主要由a 跳处理器和存储器构成。 伺服电机驱动模块：该模块主要是由驱动桥电路及光电隔离芯片组成。 q e p 反馈模块：该模块主要由q e p 电路及数据缓存芯片组成。 液晶、按钮等外围接口模块：该模块主要通过处理器芯片的i o 端口连接，与按 钮联结的i o 口需要外加上拉电阻。 3 2 2 硬件器件的选择 处理器芯片的选择 1 4 中国科学技术大学硕士学位论文 处理器芯片选用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 x 【1 7 l 。该芯片基于a 瑚9 2 0 t 核的，芯片的主要 特点： a p 瑚9 2 0 t 嵌入式处理器内核，主频可达2 0