（电机与电器专业论文）基于pc机的开放式直线交流伺服系统的研究.pdf

沈阳 业大学硕士学位论文 一 r e s e a r c ho no p e na r c h i t e c t u r el i n e r a cs e r v os y s t e mb a s e do i lp c a b s t r a c t ap c b a s e do p e na r c h i t e c t u r ea c s e r v os y s t e mi ss t u d i e di nt h i sp a p e r i t sb a c k g r o u n d p r o p e r t ya n da d v a n t a g ea r ed i s c u s s e d i nd e t a i l o p e na r c h i t e c t u r ea cs e r v os y s t e mi sa s y s t e m o fm o d u l a r i z a t i o n r e c o m b i n a t i o na n de x p a n s i o n i t sc o r ei s o p e n i n g n a m e l yt h es y s t e mi s e s t a b l i s h e do nt h ep cp l a t f o r mo fg e n e r a lu s i n gs y s t e mc o n s t r u c t i o n a n dt h em o d u l ei s i n d e p e n d e n t e a c ho t h e r t h e o p e n i n go f s y s t e m c a nm a k et h eu s e re m b e d d i n ga d v a n c e dc o n t r o l s t r a t e g ya n di n d i v i d u a l i t ym o d u l e i ni t c o n n e c ta g r e e m e n to f e a c hm o d u l ei sc l e a ra n dd e f i n i t e w h i c hc a nm a k ee v e r yk i n do f a p p l i e ds y s t e mo p e r a t i n ge f f e c t i v e l yo np l a t f o r mo fd i f f e r e n t s u p p l i e r t h es y s t e mh a sc h a r a c t e r so fi n t e r c o n v e r s i o n r e t r a c t i l i t y i r a n s p l a n t i n t e r p l a ya n d e n l a r g e m e n t t h ed e s i g np r o j e c to fp c b a s e do p e na r c h i t e c t u r ea cs e r v os y s t e mi si n t r o d u c e di nt h i s p a p e rf i r s t l y i nt h ed e s i g no f h a r d w a r ep l a t f o r m t h ei n d u s t r yc o n t r o lp c a n di t si op e r i p h e r y i n t e r f a c ec a r da r es e l e c t e d t h ec h o i c eo fs o f t w a r ee x p l o i t a t i o ne n v i r o n m e n ta n dp r o g r a m m e l a n g u a g ea r ea c c o m p l i s h e di nt h ed e s i g no fs o f t w a r ep l a t f o r m t h ef u n c t i o no fag r a p h i c s l a n g u a g el a b v i e w a n dt h eb a s i cd e s i g n p r i n c i p l e o f s y s t e ms o t t l w a r ea r ei n t r o d u c e da n dt h e n s o m e c a p a b i l i t y t e s to f v o p e r i p h e r y i n t e r f a c ec a r di nt h el a b v i e wi sa c c o m p l i s h e d t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h er e a l i z a t i o no fp c b a s e dl i n e a ra c s e r v os y s t e ma f t e rh a r d w a r e a n ds o f t w a r ep l a t f o r ma r ec o n f i r m e d t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h es y s t e mi s d e s i g n e d w h i c h i n c l u d e ss e n s o l sa n d p o w e r d r i v i n gm o d u l e t h ep a p e rp r e s e n t sc o m p o u n dm e a s u r em e t h o do f m a g n e t i cp o l ep o s i t i o nb a s e d o n p o s i t i o ns e n s o ro f h a l l s w i t c ha n d g r a t i n gr u l e r w h i c h r e a l i z e d t h ep r e c i s i o no r i e n t a t i o no f m a g n e t i cp o l ep o s i t i o na n de n s u r e dt h ep e r f o r m a n c eo fv e c t o r c o n t r 0 1 t h e p r o g r a mo f t h em a g n e t i cf i e l do r i e n t a t e dc o n t r o lo fl i n e a rm o t o rb a s e do nl a b v i e w l a n g u a g ei sg i v e n p r o g r a ms t r u c t u r eo f s t a n d a r dm o d u l a r i z ed e s i g ni sa d o p t e d w h i c hm a i n l y c o n s i s t so fp a n e lm o d u l e c u r r e n ts a m p l i n gm o d u l e v e l o c i t ya n dp o s i t i o nc a l c u l a t em o d u l e v e c t o rc o m m u t a t i o nm o d u l e p ia d j u s tm o d u l e f a u l th a n d l em o d u l e s v p w m p r o d u c e m o d u l e p i dc o n t r o la r i t h m e t i co f i m e g r a ld e t a c h e di su s e di nt h ed e s i g no f p i dc o n t r o l l e r 2 沈阳工业大学硕士学位论文 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp cs o f t w a r ea n dh 砌w a r et e c h n o l o g y t h ep e r f o r m a n c ea n d o p e n i n gd e g r e eo fp c b a s e do p e na r c h i t e c t u r ea c s e r v os y s t e mw i l lb ef l l r t h e rp e r f e c t i o na n d i m p r o v e m e n t t h a th a v et h ee x t e n s i v e a p p l i e df o r e g r o u n d k e yw o r d s e r v o s y s t e m i n d u s t r yc o n t r o lp c l i n e a rm o t o r v e c t o rc o n t r 0 1 3 独创性说明 本人郑重声明 所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方 外 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果 也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意 签名 虹日期 盟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公 布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论 文 保密的论文在解密后应遵循此规定 魏查丝 铷躲弛吼芝垡兰 姿坠 些查望堕 兰堂垡堡墨 1 绪论 1 1 交流伺服系统的现状及发展趋势 近四十年来 自动化技术在世界上得到蓬勃发展 以微电子技术为基础 以自动化 技术和计算机技术为核心 综合机电一体化技术发展起来的交流伺服系统广泛应用于工 业生产的各个领域 1 交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分主要有两大类 感应式异步电动机交流伺服系统和永磁同步电动机交流伺服系统 感应式异步电动机制 造容易 价格低廉 不需要特殊维护 但在控制上采用矢量变换控制 因而系统比较复 杂 另外 转子电阻随温度而变化将影响磁场定向的准确性 同时 低速运行时发热比 较严重 而低速运行又往往是机床进给机构经常所处的运行状态 因此 这种交流伺服 系统的一个显著特点是 容易进行弱磁控制 实现高速运转 在交流伺服系统发展初 期 感应式异步电动机交流伺服系统曾一度得到发展和应用 但由于存在上述一些问 题 这种系统在机床的进给机构驱动中并未得到普遍的应用 随着永磁材料性能的大幅 度提高和价格的降低 目前已经开发出多种类型的永磁同步电动机交流伺服系统 并 跃成为交流伺服系统的主流 在工业生产自动化领域中得到极其广泛的应用 就永磁交流伺服电动机的控制形式来分 交流伺服系统通常可分为方波电流控制型 和正弦波电流控制型两种 前者多被称为无刷直流伺服电动机 b d c m 交流伺服系统 后 者多被称为三相永磁同步电动机 p m s m 交流伺服系统 按控制电路所使用的基础器件来 分 交流伺服系统还可分为以采用模拟电子器件为主的交流伺服系统 以采用模拟与数 字电路混合控制形式构成的交流伺服系统 以微机为基础的数字化交流伺服系统和以高 速的数字信号处理器为核心的全数字化交流伺服系统 微机和数字信号处理器的应用 为在交流伺服系统中应用现代控制理论 实现复杂的控制算法和故障诊断 提高工作的 可靠性与柔性提供了强有力的技术手段 并使伺服技术由硬件伺服进人了软件伺服的新 时代 按控制策略分 交流伺服系统又可分为固定结构和滑模变结构控制两大类 目前 仍以固定结构控制为主 其结构的基本形式是从磁极位置和速度检测元件取得定子电流 相位控制信号和速度反馈信号 通过电流传感器取得定子电流反馈信号 组成双闭环 速度环和电流环 p i d 控制方式 不同的产品主要表现在所用的磁极位置和转子速度检 沈阳工业大学硕士学位论文 测元件不同 因而提取这些控制信号的具体电路之间也有很大差异 滑模变结构控制作 为一种控制策略 虽然经过多年大量的理论研究 证明了对于驱动系统结构与参数的变 化具有很强的鲁棒性 但由于在滑模线上及原点附近的抖振问题尚未得到很好地解决 因此在实用上发生困难 时至今日 滑模变结构控制的交流伺服系统的应用尚不多见 无传感器的永磁电动机交流伺服系统 省去了磁级位置和速度传感器 系统的结构得以 简化 可靠性提高 成本降低 但这是以牺牲系统的性能和增加计算复杂性为代价的 在某些要求不高的场合可以考虑选择这种控制方案 但检测电压和电流瞬时值及要求高 速计算能力等一系列问题需要进一步解决 采用直接驱动的交流伺服系统对工业机器人 各关节的驱动很有价值 从整个运动链上考虑 由于省去了谐波减速器 因而消除了减 速器所带来的不良影响 从这方面看 直接驱动的交流伺服系统在机器人关节驱动中应 用将会增长 但由于机械上的简化势必增加交流伺服系统本身技术的复杂性 成本也将 随之提高 综合交流伺服系统的发展与现状 展望其未来 它的发展趋势主要表现为 1 伺服技术将继续迅速地由直流伺服系统转向交流化 可以预见 在不久的将 来 交流伺服系统将完全取代直流伺服系统 2 交流伺服系统将向两大方向发展 一个方向是简易低成本的交流伺服系统将迅 速发展 应用领域进一步扩大 简易数控机床 办公室自动化设备 家用电器 计算机 外围设备以及对性能要求不高的工业运动控制等 是一个量大面广 不可忽视的应用领 域 与此相反 另一个方向是向更高性能的全数字化 智能化软件伺服方向发展 以满 足高精度数控机床 机器人 特种加工设备精细进给的需要 这是交流伺服系统发展的 主流 反映了交流伺服系统发展的水平和主导方向 3 交流伺服系统由以采用模拟电子器件为主转向采用数字电路 微处理器 数 字信号处理器 实现半数字化或全数字化 进而由硬件伺服技术转向软件伺服技术 由 于软件伺服技术的发展 极大地增强了交流伺服系统设计与使用的柔性 同时提供了十 分丰富的自动诊断 保护 显示等功能 一2 一 沈刚工业大学硕士学位论文 4 由于微机用于交流伺服系统 在控制上通常所采用的p i d 控制开始转向应用 现代控制理论 注意将人工智能 模糊控制 神经元网络等新成果应用于交流伺服系统 研究中 5 交流伺服系统中所用的电力电子器件将不断向高频化方向发展 智能功率集 成电路将进一步得到普遍应用 逆变器也将逐渐转变为高频化 小型化的无噪声逆变 器 6 交流伺服系统中所用的位置与速度传感器将由单一功能向多功能一体化方向 发展 光电编码器的分辨率将大幅度提高 传感器电子信号处理部分将以微处理器为核 心构成独立的微机系统 成为高性能交流伺服系统一个关键的组成部分 另一方面 与 简易低成本交流伺服系统的发展相适应的小型 低成本 低分辨率传感器也将得到更广 泛的应用 1 2 基于p c 机的开放式交流伺服系统的研究背景 目前 交流伺服系统得到了广泛的应用 制造水平有了很大的提高 因此对交流伺 服控制系统的深入研究就显得十分必要 但现在市场上每个公司的交流伺服电机及其驱 动系统都有其独立性 各自采用了不同的标准 形成了各种不同的封闭系统 以至于不 同的电机和控制模块之间无法互换 不同的软件之间无法实现信息的传输 不同的数据 之间无法实现数据的共享 系统的扩展性和开放性几乎没有闭 因而迫切希望交流伺服 系统具有开放性和移植性 用户能在开放的平台上进行硬件 软件和功能扩展 设计满 足特定需要的伺服系统 现代交流伺服系统理论不断向前发展 各种新型控制算法层出不穷 从传统的p i d 控制到现代的模糊控制i 孙 自适应控制i 滑模变结构控制 5 智能控制旧等 虽然从理 论上分析 许多控制策略都能够实现良好的电机动静态特性 但是由于算法本身的复杂 性 很多控制策略难于在实际系统中实现 但随着微电子技术的发展 高速微处理器的 出现给复杂控制策略的在线实现带来了希望 而且随着硬件技术的发展 个人计算机从 一个实验室中的实验品 发展成了一个能处理各种计算工作的设备 它被广泛应用于各 个控制领域 甚至用于机器人的控制 并且 各种控制板卡 输入 输出接口层出不 穷 从经济和成本角度上讲 由于个人计算机市场的规模比专用设备的市场规模要大的 一3 一 沈阳工业大学硕士学位论文 多 这就意味着用户可以用更低的价格 购买到更好 更可靠的硬件产品 并且有着广 泛的选择余地 同时软件技术也在飞速发展 使得一些实时性要求很高 原本由硬件完成的功能 可以通过软件来实现 甚至许多原来用硬件电路难以解决或根本无法解决的问题 也可 以采用软件技术很好地加以解决 c o m c o m p o n e n to b j e c tm o d e l 组件对象模型 d c o m d i s t r i b u t e dc o m p o n e n tm o d e l 分布式组件对象模型 技术的出现提供了独立于 语言的对象模型 它允许应用程序在各个结构层上交互操作使得数据的通信变得更加容 易 d l l d y n a m i cl i n kl i b r a r y 动态连接库 技术使得各个模块更加容易地结合 并 且 越来越多的技术人员能够熟练的掌握w i n d o w s 的界面的编制 以及v i s u a lc v i s u a lb a s i c 编程 所有这一切都使交流伺服控制系统建立在一个开放 经济 可靠的p c 平台上成为 了现实 1 3 基于p c 机的开放式交流伺服系统的性能特征 开放式交流伺服控制系统即为模块化 可重构 可扩充 8 的软硬件系统 其核心是 开放式 9 1 即这一系统是建立在通用体系结构的p c 机平台上 系统中各模块相互独 立 系统的开放性允许用户将先进的控制策略和个性模块植入其中 各模块的接口协议 明确 能使各种应用系统有效地运行于不同供应商提供的不同平台上 为伺服电机制造 厂商提供了与任何第三方的技术或产品进行集成的可能性 该系统具有互换性 可伸缩 性 可移植性 互操作性和可扩展性 l0 1 同传统的伺服系统相比 基于p c 机的开放式交流伺服系统具有如下的特点 1 系统是一种基于具有高性能c p u 的p c 机的伺服控制系统 它可以充分利用 p c 机的价格优势 软件资源优势和技术优势 以便充分利用现有的成果 简化系统开 发过程 降低系统研发时间和代价 2 系统的集成度高 可靠性强 基于p c 机的开放式交流伺服系统主要由p c 机 和i o 外围板卡以及功率驱动模块构成 由于系统的构成部件数目大大减少 从而大幅 度缩小了系统的硬件规模 提高了系统的可靠性 4 沈阳 业大学硕士学位论文 3 系统的控制功能增强 许多原来用硬件电路难以实现或根本无法实现的控制 策略和控制算法 也可以采用p c 机软件技术加以实现 使控制形式多样化 4 系统对硬件的依赖程度大大降低 大部分功能都是由软件来实现 所以系统 的柔性增大 并且用户根据自己的设备特点和需求 只要花很少的工作量即可改变伺 服系统的软件拓扑结构 以建立不同类型的控制系统 系统具有可重构性 5 系统向未来技术开放 由于软 硬件接口都遵循公认的标准协议 只需少 量的重新设计和调整 新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳 吸收和兼 容 这将使系统的开发费用大大降低而系统性能将不断改善 并处于长生命周期 6 系统向用户开放 通过更新新产品 扩充功能 提供可供选择的软硬件产品 的各种组合以满足用户特殊应用要求 另外用户自身的技术能方便地融入 创造出自己 的产品 7 系统可与基于p c 机的开放式c n c 系统嵌套在一起 构成全软件化集成式一体 化数控伺服系统 这种内装式伺服控制的全软件化集成式数控伺服系统 其硬件规模将 达到晟小化 整个系统除 个p c 平台外 剩下的只有驱动机床运动的功率接口和反馈 接口 这既有效提高了系统可靠性 又消除了信息传递瓶颈 提高了系统性能 同时还 可显著降低系统成本 1 4 基于p c 机的开放式交流伺服系统的基本构成 开放式交流伺服系统是一个实时多任务控制系统 13 1 采用模块化设计 可以针对交 流伺服电机 永磁同步伺服电机 无刷直流电机 直线交流伺服电机分别进行控制 并 针对各类型号电机分别进行软件系统编程以及建立其数据库 开放式交流伺服系统的研 究中将主要解决以下几个关键问题 这些问题也是研究的创新之处 1 实时控制在p c 平台上的实现 2 功率接口及反馈接口的研究 3 系统建模及编程控制 4 嵌套接口新技术 上述几部分攻关内容 只是构成开放式交流伺服控制系统所必须的最基本内容 解 决了这几部分内容便可形成该系统的基本构架结构 s 沈阳工业大学硕士学位论文 圈1 1 系统功能模块框图 基于p c 机的开放式交流伺服系统的功能模块框图如图1 1 所示 该系统由通讯子 系统接受来自c n c 的各种信号 由反馈接口卡读取系统被控对象 伺服电机 的各种反 馈信息 按指令要求对被控对象做实时控制 其中包括 1 该系统能够根据要求分别独立实现电流闭环控制 速度闭环控制和位置闭环 控制功能 2 该系统各控制单元采用模块化结构 以便用户按需要对不同的控制环节选用 不同的控制方式 3 该系统将形成一个被控对象参数数据库 该数据库包括系列电机类型和相关 参数 传感器类型及相关参数 功率模块类型及相关参数等 系统应用软件将根据相应 设置 读取该数据库中相对应的参数 以进行相应的运算和控制 1 5 课题来源 本论文的选题源于辽宁省自然科学基金项目 基于p c 机的开放式交流伺服系统的 研究 1 6 论文的主要工作 在从事本论文课题的研究工作期间 主要开展了以下几方面的工作 1 本文在查阅大量文献基础上 对交流伺服系统的发展现状作了总结和概括 叙述了基于p c 机的开放式交流伺服系统的研究背景 性能特征和基本结构 一6 沈阳工业大学硕士学位论文 2 建立了基于p c 枧的开放式交流偈照系统的硬传平台 根据硬件平台的电路 设计要求分析 比较了工控机接口板卡的性能和特点 并从系统的经济性 通用性等 方面综合考虑 确立了控制系统的硬件平台 3 在基于p c 机的开放式交流伺服系统软件平台的设计中则完成了软件开发环境 和开发语言的选择 介绍了一种图形化编程语言l a b v i e w 的功能 提出了系统软件设 计的基本原则 并且在l a b v i e w 下对i 0 接口卡的性能进行了测试 4 研究了基于p c 机的直线交流伺服系统的具体实现方法 设计了系统硬件电 路 包含传感反馈单元及功率驱动模块 并针对直线电机传感检测的特点 提出了基 于霍尔开关型位置传感器十光栅尺的复合式磁极位置检测方法 从而解决了普通增量 式光栅尺的初始定位闷题 实现了电机磁极位置的精确定位 此夕 还编制了基予 l a b v i e w 语言的直线电机空间磁场的定向控制程序 程序结构采用标准模块化设计 由蓠面板模块 电流采样模块 电机转速和位置计算模块 矢量变换模块 p i 调节模 块 故障处理模块 s v p w m 生成模块等组成 由这些模块协调工作 共同来完成直 线交流伺服系统的控制调节工作 在p i d 控制器设计中 调节器采用了积分分离的 p i d 控制算法 7 沈阳工业大学硕士学位论文 2 基于p c 机的开放式交流伺服系统硬件平台选择与配置 2 1p c 机的选择 开放式交流伺服系统控制器采用工业控制计算机 简称工控机 i p c 工控机拥有 与p c 个人计算机 相同的体系 完全兼容p c 可以运行p c 能运行的所有应用软件及操 作系统 而且在计算机控制领域 随着硬件的发展 一些原本十分复杂的控制算法的设 计和仿真变得越来越容易实现 基于i s a e l a g p 总线的高性能工控机 i p c 是近来 应用最为广泛的主流产品 这主要得益于i p c 与p c 的软件兼容性 此外其开放性结 构 外围高性能i 0 模板的不断涌现以及工业网络的迅速发展都为i p c 创造了有利的发 展环境 在标准的工业总线基础上发展起来的i p c 机不仅克服了原来的p c 机的一些弱点 而且充分发挥了原p c 视软硬件产品丰富的优势 使它在工业控制领域中 已牢牢地占 据了应有的地位 如今 它不仅己能出色地完成工厂企业中的数据采集 过程控制 能 源管理 质量控制 机床自动化等一般化的任务 并且在大型控制系统中大显身手 促 使传统分散控制系统的结构体系也发生了深刻的变化 在新一代的d c s 系统的体系结构 中普遍采用工业控制机作为系统内的节点机 再由节点总线通过联网将各个节点机相连 组合成系统 并通过工业网络技术相互连接 将过程控制和数据处理两大应用领域有机 地结合成一体 显示了i p c 机的应用己到了一个新的高度 当前工业领域普遍采用的工业控制计算机的主要特点包括 1 4 全钢 密封机箱 微正压送风散热 过滤器防尘 采用尺寸相对小的无源母板取代大母板 板上信号用多层地线隔离 均匀分布电容 器 以增强其抗电磁干扰能力 系统功能分散到几块p c 卡上 如c p u 卡 v g a 卡 多功能卡等 使维修得到改善 同时也将危险分散 增加p c 插槽数目 开发了种类齐全的工业i 0 板 给系统提供了较灵活的组合配置 能力 采用长寿命 高可靠的工业开关电源 8 鎏里三些奎堂堡主堂堡堡塞 一 采用控制组态软件 系统设计受益于p c 机发展所形成的相关器件生产的规模效益 硬件成本低 市场竞 争能力强 从语言和编译连接软件 数据库 电子表格 网络通信 数据采集到控制组态软件 支持p c 架构的软件应有尽有 这些软件不需修改或稍加修改就可在工控机上运行 普通p c 机就可作为其廉价的开发平台 技术人员可以在熟悉的环境下方便地开发各 种应用程序 系统升级容易 随着微处理器性能的不断提高 工业p c 的处理能力 通信能力和界面友好程度达 到相当高的水平 足以满足工业控制系统各种复杂控制策略的要求 本系统采用研华公司i p c 一6 1 0 p 4 型工业控制计算机 c p u 主板为研华p c a 6 1 7 9 p e n t i u m i i i 底板采用研华a c s 一1 0 1 9 41 9 p c 总线无源底板 c p u 为p e n t i u m i i i9 3 3 2 5 6 m 内存 具有较高的速度 可以完成非常复杂的运算任务 该型工控机具有如下特 点 满足e i ar s 一3 1 0 c 标准1 9 英寸架装机箱 可更换的2 5 0 瓦电源 可拆卸的抗震软硬盘安装架 两个半高5 2 5 英寸架 两个3 5 英寸架 4 个8 0 t a r a 高速风扇用于温度控制 运行时 机壳内形成正向空压 可防止灰尘 粉尘进入 橡胶避震器和板卡卡条防止内部部件松动 振动 加锁门可保证系统安全运行 防止误操作 0o c 5 0 0 c 环境内正常工作 全钢 密封机箱 微正压送风散热 2 2i o 外围接口卡 工控机作为开放式伺服系统的核心 需要在每个采样周期通过数据采集卡来读取电 流 速度和位置反馈信号 通过 定的控制规律求得这个周期要输出的控制量信号 再 9 沈阳工业火学硕士学位论文 通过p g s i 输出卡送到功率驱动模块i p m 来驱动电机向给定的信息运动 工控机有良好的 扩展性能 很容易用接口卡扩展这些输入 输出端口 i o 接口卡通常基于两种计算机总线 p c i 和i s a p c i p e r i p h e r a lc o m p o n e n t i n t e r c o n n e c t 即外围设备互连总线 总线宽度是3 2 位并可升级刘6 4 位 时钟频率为 3 3 6 6 m h z 数据传输速度高达1 3 2 m b s 3 2 位总线 2 6 4 m b s 6 4 位总线 p c i 总线协议非常复杂 其总线规范定义了严格的电气特性和时序要求 它要求在接口卡和 终端设备之间有 个总线接口控制器 以解码p c i 总线规范并完成数据传送 这需要对 p c i 总线规范有非常深刻的理解 i s a i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e 即工业标准结构总线 也称为a t 标准 时 钟频率较低 很容易用常规元器件完成接口电路 其数据传输速度为1 6 m s 远超过了 数字伺服系统控制所需要的传输速度 8 位i s a 扩展i 0 插槽由6 2 个引脚组成 用于8 位的插卡 8 1 6 位的扩展插槽除了具有一个8 位6 2 线的连接器外 还有 个附加的3 6 线连接器 这种扩展i o 插槽既可支持8 位的插卡 也可支持1 6 位插卡 i s a 总线的主要性能指标如下 i o 地址空间0 1 0 0 h 一0 3 f f h 2 4 位地址线可直接寻址的内存容量为1 6 r i b 8 1 6 位数据线 6 2 3 6 引脚 最大位宽1 6 位 b i t 最高时钟频率8 m h z 最大稳态传输率1 6 m b s 中断功能 d r a 通道功能 开放式总线结构 允许多个c p u 共享系统资源 2 2 1 i o 外围接口卡的选择 i 0 外围接口卡的主要功能是采集伺服系统电流 速度 位置传感信号以及输出 p w m 控制信号 其次还要完成一些系统的数字信号的输入输出功能 电流传感信号一 1 0 一 鲨塑 些盔堂受 堂壁垒壅 般是电压信号或电流信号 需要的接口卡类型是a f d 转换卡 速度和位置传感一般选 用编码器 输出脉冲信号 故需要的接口卡类型为脉冲计数卡 而系统输出的p w m 信 号应该选用专用的p w m 输出卡或者高频动态数字输出卡来完成 关于板卡的选择 本文主要比较了n i 公司和研华公司的产品 板卡的具体参数如 表2 1 和表2 2 所示 表2 1n i 公司数据采集卡选型 名称型号 总努li 城速率价格 r m 丑 数量 多功能数1 6 路横拟输入 2 路楫 采样速率 据采集卡 p c i 6 口1 4p c l撇输出 8 路数字i 02 0 0 x s s 5 5 0 0 1 6 0 i 4 端早c b 栅l p 4 9 5i 6 0 1 4 电缆r 6 8 6 1 4 9 51 计数鼎p c i 酣叭p c i4 路计数嚣输入最丈源频率2 0 瓶j 4 0 5 01 酪0 1 端平c b 醅l p 4 9 5l 6 6 0 1 电缆 s h 6 9 6 8 1t 5 口1 高速数字 i o 卡d a 0 6 5 3 3 p c i3 27 d o k b v t e s t s8 1 5 0 1 s 5 3 3 i 千暑c b 6 84 0 5 0l 6 5 3 3 电垃8 h 6 嘲 l t 5 0i 表2 2 研华公司数据采集卡选型 名苇尔型号总线i 封8速率价格 r m b 数量 高速数字1 6 路模拟输入 2 路横 来集卡p c l 广1 8 0 0i s a n 输出 1 6 路数字i o3 3 0 k h z6 0 0 口 1 3 轴正交编璃自正交埚碣瓣输入最大 码计数卡p c l 8 3 3 i s aj 个数字置输入1 0 粕z2 7 2 81 6 通j 苴计数6 1 计数舞输入 3 个 器 定时器卡p g l 一8 3 6i s p 1 肌输出 17 5 52 1 6 j 匾道继电 器输出板p c l d 一8 8 5t t 5 5l 接缝端 v 板p c l d 一日8 05 t 52 1 6 通道光膈 d q 板p c l d t 8 212 6 t 1 接线端千扳a d a m 3 9 2 j3 5 0l 沈阳上业大学硕士学位论文 从表中可以看出n i 公司的数采卡的价格要远高于研华公司的产品 本次设计中从 性价比的角度出发 主要选择研华公司的板卡来构成开放式伺服系统的硬件平台 但是 研华公司的p w m 输出卡p c l 8 3 6 的高 低电平周期 1 6 5 5 3 5 x 1 0 0 p s 不能满足 系统的要求 因此p w m 信号输出选择n i 公司的高速数字i o 卡d a q c a r d 一6 5 3 3 以下将详细介绍系统的数据采集卡性能特征 2 2 2 高速d a s 卡p c l 一18 0 0 p c l 1 8 0 0 是一款高速 高性能多功能的插入式d a s 卡 主要采集电流传感信号和 霍尔位景传感器的开关信号 它有一个3 3 0 k h z l 2 位模拟量到数字量的转换器 其转换 时间为2 5 微秒 另外它还包含一个输入范围可软件编程的板上采样保持电路 你可以 由程序 板上可编程定时触发器或外部触发器来触发a d 变换 p c l 一1 8 0 0 包含了一个1 k 采样f i f o f i r s ti nf i r s to u t 缓冲器用以增加吞吐量并 改善w i n d o w s 下的工作性能 通过可编程索引可让你在某个时刻获取模一数转换数据1 到1 0 2 4 的任何一组元素 p c l 一1 8 0 0 有8 个差分或1 6 个单端模拟量输入 与研华其它的商眭能卡 样 p c l 1 8 0 0 提供了自动通道 增益扫描 该特性允许使用d m a 进行高速 可达2 0 0 k h z 多通道 采样 并且可以对不同的通道使用不同的增益 它还提供了两个1 2 位的双缓冲模拟量 输出通道 一个通道2 0 0 k h z 吞吐量的d 姒传输能力 板卡还能完成波形的存储及回 放 模拟量输出范围在采用内部参考电压时为0 5 v 或o l o v 在采用外部参考电压 时为最大l o v p c l 一1 8 0 0 还有1 6 个数字量输入通道 1 6 个数字量输出通道及一个1 6 位计数器通 道 特殊的用于模拟量触发的1 6 通道模拟量看门狗电路能让你精确地监视模拟量输入 信号 每根输入线上的两个8 位比较器储存了给定值并能与输入线读入地值相比较 看 门狗电路读取比较器的结果并触发一个中断 你可以对比较器分别进行设置 如果读取 值高于或低于给定值 那么就进行触发 并且 对于比较器读取值的任何组合你都可以 设置看门狗的触发 模拟量看门狗能保证对报警及输入电平 有快速及时的响应时间并 且无软件延迟的开销 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 所有这些复杂的功能 使得p c l 一1 8 0 0 成为高速及强大触发能力的实验室应用的理 想数据采集系统 2 2 33 轴正交编码器 t 十数器卡p c l 一8 3 3 p c l 8 3 3 是一款适用于i b mp c a t 及其兼容机 i s a 总线 上的三轴正交编码器及 计数器板卡 用于接收编码器计数脉冲信号 该板卡能让p c 机在运动控制系统中执行 位置监视功能 每个输入包括一个用于增量正交编码的编码电路 输入可接收单端或 差分信号 正交输入可使用或不使用索引 以允许线性或循环编码器反馈 p c l 一8 3 3 有三个独立的2 4 位计数器 其最大正交输入速率是1 o m h z 其计数器模 式的最大正交输入速率是2 4 m h z 你可以分别对每个计数器进行配置 以用于正交解 码 脉冲 方向计数或正反向计数 p c l 一8 3 3 提供了5 个数字输入通道 每个通道接收的数字输入可作为循环编码器的 索引输入或线性编码器的原点传感器输入 根据数字输入信号的形式 计数器的上溢 下溢或已编程的时间间隔 板卡可以向系统产生一个中断 在指定时间0 1 毫秒到2 5 5 秒之间 板卡都可以重复产生中断 这些中断能让你精确监视控制系统的速度 其特性 和规格如下 最大1 o m h z 正交输入频率 三个2 4 位计数器 可串接成4 8 位 2 5 0 0 v r m s 的光隔离 4 阶数字滤波器 最大2 4 m h z 输入脉冲频率 脉冲 方向和讵反向计数 数字量输入并可为每个轴产生中断 时间间隔可编程中断 半长a t 总线卡 轴数 3 轴相互独立 每个编码周期的计数 x 1 x2 编码类型 单端或差分 1 3 工作温度 0 6 0 0 c 3 2 1 4 0 f 储存温度 一2 0 7 0 c 一4 1 5 8 f 工作湿度 5 9 j r h 无凝结 2 2 4 高速3 2 位数字i o 卡d a q c a r d 6 5 3 3 n i 公司的d a q c a r d 6 5 3 3 是一款用于p c a t 及其兼容机上的高速3 2 位数字i o t 蕾 主要用于输出系统p w m 控制信号 其特性和规格如下 3 2 路数字i o 线 2 路独立的数据通道 最高7 4 0 k b y t e s s 的模式或握手数字i o 开始 停止触发 用于降噪的数字滤波器 1 6 位5 v t t l 数字量输入输出 模式改变监测 2 2 5 接线端子板p c l d 一8 8 0 p c l d 一8 8 0 通用螺丝端子板可提供方便且可靠的信号配线 并与数据采集卡的d b 3 7 接头相连接 p c l d 8 8 0 可在p c b 板上安装无源元件以建构自己的信号调理电路 可轻松地建立低通滤波 衰减或电流一电压转换等 只需在板上加一些电阻电容 2 2 6 1 6 通道光隔离d i 板p c l d 7 8 2 p c l d 7 8 2 数字量输入板在所有的输入通道皆有高电e 1 5 0 0 v 曲光隔离保护 各 通道间及输入通道与p c 问都有完全的隔离 这些隔离可预防漂移电流和地环流的影 响 也避免输入线发生潜在损坏 它的1 6 路输入通道通过一个2 0 p i n 扁平电缆来存取 数据 输入范围为0 2 4 v e c 卡上的螺丝端子可以方便的做输入配线 每个输入通道 都有一个l e d 指示状态 若输入信号是高电压 则l e d 亮 2 2 7 导轨安装的接线端子板a d a m 3 9 2 5 a d a m 3 9 2 5 通过d b 2 5 接头与p c l 8 3 3 相连 把传感器送来的计数脉冲送到p c l 8 3 3 中 它是低成本的通用导轨安装的螺丝端子模块 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 3 基于p c 机的开放式交流伺服系统软件平台的设计 3 1 软件开发环境的选择 随着w i n d o w s 操作系统成为p c 机操作系统的主流 基于w i n d o w s 的测控系统己成 为计算机测控领域发展的必然趋势 w i n d o w s 下的测控系统具有其他操作系统无法比拟 的优点 其人机交互界面友好 可以对多路信号进行实时海量数据采集及存储 并将它 们的变化规律以曲线图等形式实时表现出来 增强了数据的直观性 有利于状态在线监 控的实现 同时 w i n d o w s 操作系统有助于组织和管理数据 利用过程描述 历史趋 势 面板等功能 可将数据用图形方式显示在彩色屏幕中 并可同时观察多幅画面 窗 口中令人注目的动态连接库 d d e 功能 使同一台计算机中的不同作业或多台计算机 之间能动态交换数据 为工业实时控辱4 提供了有效的途径 1 系统采用w i n d o w sn t 操作系统作为澳4 控软件的开发平台 w i n d o w sn t 采用3 2 位 操作系统结构 内置的3 2 位保护模式子系统具有较强的防止系统崩溃能力 同时 w j n d o w sn t 还具有多任务多线程 即插即用 聊四 集成的网络支持 集中的安全机制 和系统策略 支持内建的远程通讯功能 设备和应用程序的兼容性 强大的多媒体等各 种功能 3 2 软件系统编程语言的选择 3 2 1l a b v l e w 概述 本软件系统实现伺服控制功能 所以选择合适的编程语言极为重要 本次设计中选 用美国n 1 n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司推出的一种基于g 语言 g r a p t h c sl a n g u a g e 图形 化编程语言 的虚拟仪器软件开发工具l a b v i e w l a b o r a t o r y v i r t u a l i n s n u m e n t e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 实验室虚拟仪器工程平台 1 6 o 特点就是 采用全图形化编程 在计算机屏幕上利用其内含的功能库和开发工具库产生一软面板 用来为测试系统提供 输入值并接受其输出值 该面板在外观和操作上模仿有形器件 在功能上则同于 段陨 用的语言程序 l a b v i e w 内部集成了大量的生成图形晃面的模板 如各种开关 旋钮 表头 刻度杆 指示灯等 包含了组成一个仪器所需的主要部件 而且用户也可方便地 设计库中没有的仪器 它还以块图方式继承了语言编程中结构化 模块化的编程特点 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 并可通过d l l 共享库 对象连接与嵌入等与外部代码 如c 程序 连接 l a b v i e w 是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统 其开发环境下提供的应用程序 有1 8 0 多种 除了具备其它语言所提供的常规函数功能和上述的生成图形界面的大量 模板外 内部还包括许多特殊的功能库函数和开发工具库 例如象f f t 这样的运算 只需选取一个图标即可实现 此外 还提供了多种硬件如 g p l b v x i r s 一2 3 2 r s 4 8 5 标准设备及数据采集卡 网络设备的驱动功能 通过n i 提供的众多流行仪器的源 码级驱动程序 可轻而易举地与外部设备进行通讯和控制 通过l a b v i e v 的申请建立 者工具箱 还可创建单独运行的应用程序 脱离l a b v i e w 平台使用 可移植性强 l a b v i e w 程序称为虚拟仪器程序 简称v i v i 包括3 个部分 前面板 框图程序 和图标 连接口 前面板用来输入数值和观察输出量 在虚拟仪器系统中 整个软件才 是系统的主体 硬件只是为了解决信号的输入输出而配置 l a b v i e w 的采用图形化编程 方案 控制v i 程序的运行方式叫做 数据流 对一个节点而言口 只有当它的所有 输入端口上的数据都成为有效数据时 它才能被执行 当节点程序运行完毕后 它把结 果数据送给所有的输出端口 使之成为有效数据 并且数据很快从源送到目的端 l a b v