（电机与电器专业论文）两自由度步进电机的微机控制系统.pdf

塑坚查堂堡! ：! 堡堡兰 一一 a b s t r a c t t h ep e r f o r m a n c eo ft h et w o d e g r e e o f - f r e e d o mm o t o ri sh i g h e rt h a nc o n l i n o n m o t o ls oi t sf i e l d so fa p p l i c a t i o n i sm u c hm o r e c o m p r e h e n s i v e t h i sp a p e r p r e s e n t sa n e wt w o d e g r e e o f - f r e e d o m s t e p m o t o rw h i c hh a so r t h o g o n a lc y l i n d r i c a ls t r u c t u r e b a s e do nt h e g e n e r a l i z a t i o n o ft h er e s e a r c hp r o d u c t i o na b o u tt h et w o d e g r e e o f - f r e e d o mm o t o ri nt h ew o r l d ，a n db r e a kt h r o u g ht h ec o n v e n t i o n a lg l o b es t r u c t u r e a c c o r d i n gt o t h i st w o d e g r e e o f - f r e e d o ms t e pm o t o lt h i sp a p e ri n t r o d u c e sa c o n t r o ls y s t e mf o rt h i ss t e pm o t o r t h i sc o n t r o ls y s t e mc a nb ed i v i d e di n t ot w o p a r t s ， t h ep cc o n t r o ls y s t e ma n dt h es i n g l e c h i pc o n t r o ls y s t e m t h ep cc o n t r o ls y s t e m p r e s e n t st h ei n t e r f a c eb e t w e e np e o p l ea n dc o m p u t e r ，a n dp l a n st h em o t o r sm o t i o n t r a c e t h es i n g l e c h i pc o n t r o ls y s t e mr e c e i v e st h ec o m m a n da n dd a t af r o mt h ep ca n d c o n t r o lt h em o t o r sm o t i o n t h et w oc o n t r o l s y s t e m s c o m m u n i c a t i o n i sr e a l i z e d t h r o u g h t h es e r i a lp o r t t h ep cc o n t r o ls y s t e m sp l a n sa b o u tt h em o t o r sm o t i o nt r a c ec a ni n f l u e n c et h e e f f e c to ft h em o t o r sp r a c t i c a b l em o t i o nt r a c e t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ea l g o r i t h mo f t h em o t i o n p l a n n i n gd e t a i l e d a tf i r s td e f i n e st h eo p t i m a lp a t hb e t w e e n t h et w o p o i n t s o nas p h e r e ，a n dt h e ns t a r t si n t e r p o l a t i o nc a l c u l a t i o nb a s e do nt h eo p t i m a lp a t h ( i ti sa c u r v e ) a f t e rt h ec a l c u l a t i o n ，t h ep a t hh a sb e e ni n t e r p o l a t e dt om a n ys m a l ls e g m e n to f ac u r v e t h e ns t a r t st h ep t p ( p o i n tt op o i n t ) c o n t r o li ne v e r ys m a l ls e g m e n tt i l lt h e s m a l ls e g m e n tl i n kt oa c o m p l e t es m o o t hc u r v e a n db a s e dt h e s ec a l c u l a t i o n ，t h i s p a p e rd e d u c e st h ek i n e m a t i ce q u a t i o n so f t h i st w o d e g r e e o f - f r e e d o ms t e pm o t o r k e y w o r d s ：t w o - d e g r e e o f - f r e e d o ms t e pm o t o r , m o t i o np l a n n i n g ，i n t e r p o l a t i o n s i n g l e c h i p ，s e r i a lp o r t ，d e l p h 浙江大学硕l 学位隆文 1 1 引言 第一章序论 微特电机是指原理、结构、性能、作用等与常规电机不同，并且体积和输出 功率都很小的电机。一般地，微特电机的外径不大于1 6 0 r r m ，功率在数百毫瓦和 数百瓦之间。在军事、民用的各种现代化装备及其控制系统中得到广泛的应用。 如今，在实际应用中，微特电机已由过去简单的起动控制、提供动力的目的， 发展到对其速度、位置、转矩等的精确控制，特别是工业自动化、办公自动化和 家庭自动化方面，几乎都采用了电机技术、微电子技术和电力电子技术等相结合 的机电一体化产品。电子化是微特电机发展的一个必然趋势。 随着我国经济的逐渐发展，微特电机在国内的需求与应用正在逐渐增长。我 国微特电机的生产能力自2 0 世纪8 0 年代以来不断增长，目前我国的主要产品有 有刷永磁直流电机、小功率交流电机、交直流串激电机、罩极电机、步进电机、 振动电机( 手机用) 等，并且已经实现大规模、大批量的生产。技术含量高的微特 电机，如精密无刷电机、高速同步电机、高精度步进电机、片状绕组无刷电机、 高性能伺服电机以及新原理新结构的超声波电机国内尚未形成商品化或批量生 产能力。 微特电机的应用主要包括信息产业、家电产品、车辆、航空航天等几个领域， 朝着小型、高速、高力矩、高效率、低噪声的方向发展。 1 2 步进电机及其驱动技术简介 步进电机是微特电机的一种，它是将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线 位移的变换器。它可以用脉冲信号直接进行开环定位控制，而无需位置或速度传 感器，并且控制线路简单，使用方便、可靠。在自动控制系统中，常常需要有将 数字信号转换为角位移或线位移的电磁装置，步进电机的工作特点恰好符合此要 求，可以说它是和现代数字控制技术结合的最好的一类电机，很容易和其它数字 浙江大学顼i 一学位论文 器件进行接e l 。因此广泛应用于工业自动控制、数控机床、机器人等领域。 传统的步进电机存在步距角大、运行噪声大、震动大、低频运行有振荡等缺 点，往往满足不了某些高精度定位、精密加工等方面的要求，影响了步进电机系 统的性能，限制了步进电机的应用范围。 为了改善步进电机的这些缺点，人们从两个方面着手进行了努力。一个是从 电机本身出发，通过增加相数和齿数等方法来提高系统性能，另一个就是通过优 化它的控制方法来提高系统的性能。第一种方法能提高步进电机系统的性能，但 受制于材料、工艺和成本等。相比于前者，后者具有更大的发展空间和前景。 步进电机作为常用的数字化执行元件，其控制结果的优劣绝大程度上取决于 其驱动电源的性能。实现细分驱动是减小步距角、提高步进分辨率、增加电机运 行平稳性的一种行之有效的方法。根据电机学原理，要使电机在运行中具有恒定 的力矩以达到电机的平稳运行，电机内应该有均匀的圆形旋转磁场，也就是要求 各相绕组产生的合成磁势矢量在空间做等幅匀速旋转。根据电机学理论可知，如 果在空间正交的两相绕组上各通以相位相差9 0 。的正弦电流，那么这两相绕组 的合成空间电流矢量将做等幅匀速旋转，由此产生的控制合成磁势也将做等幅匀 速旋转，电机也将获得最佳的运行性能。这就是步进电机细分控制方式的原理。 步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机的励磁绕组中电流的控 制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距 角的细分。一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小， 相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。因此，要想实现对步 进电机的恒转矩均匀细分控制，必须合理控制电机绕组中的电流使步进电机内部 合成磁场的幅值恒定，而且每个进给脉冲所引起的合磁场的角度变化也要均匀。 由于步进电机驱动电源技术的逐步提高，步迸电机的运行性能也因此得到了 很大的改善，它的应用范围也就越来越广泛，在精度上已经达到能和伺服系统相 媲美的效果并且由于步进电机无需反馈，其控制方式相对简单，位置误差不会 累加，与伺服系统相比可以大大的降低成本，在越来越多的应用场合中占据了一 席之地。 2 浙江大学硕i ：学位论文 1 3 电机控制中的微机 电机的控制主要是对电机转速和方向的控制，通常称为电机调速。随着现代 电机控制的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本，另一方面又不断 的有技术指标极其苛刻的特殊应用的系统需求。控制要求和技术指标的提高，必 然要带动其控制手段的提高。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控 制理论的完善、仿真工具的日渐成熟，给电机控制行业带来了很多机遇和发展契 机。现代的电机控制基本上都是以计算机为核心的电机控制方案，各利t 各样的微 型计算机也被运用于各种控制场合。 大规模集成电路技术的发展，使得把计算机的核心部件如微处理器、存储器、 定时器、a d 转换器、串并行接口等集成在一块芯片之上成为可能。于是一块大 规模集成电路芯片就具有了一台计算机的全部功能，这样的集成电路芯片被称为 是单片机。自1 9 7 5 年美国德9 t i t 仪器公司推出第一片四位单片机t m s 一1 0 0 0 以来， 由于具有很多独特的优点，单片机的发展极为迅速，各大厂商竞相开发和仿制， 目前至少已经有5 0 多个系列4 0 0 多种机型，成为微型计算机的一个非常重要的 分支。 微型计算机是电机控制的核心，对于系统较简单或者对动态特性及控制精度 要求不是很高的系统，可以考虑使用单片机；对于控制复杂度较高，或对动态特 性及控制精度要求较高的系统，可以选择十六位甚至三十二位微机；也可以考虑 采用多台微机各自承担一部分控制任务，构成多微机控制系统。 对于现代高性能的电机控制系统而言，除了要有一个功能强大的计算内核 外，还需要一些附加的外部电路，如高分辨率的a d 变换器、多路输入输出i 0 口等，尤其需要一个用于产生驱动逆变器功率开关元件的p _ i v m 信号的波形发生单 元和定时器单元，这也是电机微控制器共同的重要特点。 与通用微机相比，用于电机控制的控制微机应具有以下的特点： 1 ) 具有高的可靠性。只有控制微机本身具有高的可靠性才能保证它所控制 的电机调运系统具有高的可靠性，不至于影响工业过程的连续运行，此外还要求 控制微机具有良好的维修性。 2 ) 具有强的实时性。对于电机调速系统这样的快过程系统的控制，强的实 时性和高的计算速度是一t 。分重要的。在这样的快过程系统中，微机在很短的周期 浙江大学硕士学位论童= 内( 几个毫秒甚至更短j 要完成诸如坐标变换、磁通观测、产生触发脉冲以及紧 急故障处理等诸多的工作，因此要求微机的实时性强并且有完善的q 一断系统。 3 ) 对环境的适应性要强。控制微机工作于工作现场，工作环境有时候很恶 劣，常有很强的电磁干扰，或者振动冲击以及较大的温度变化等。控制微机在这 样的t 作环境中应该能够保持正常的运行。 4 ) 具有完善的输入输出通道。电机调速是一个复杂的多变量系统，要实现 这样的系统的控制，微机应具有完善的模拟量输入输出通道和数字量输入输出通 道，同时应具有完善的输入输出指令和逻辑判断指令。 1 4 两自由度步进电机的微机控制方案 我们所要控制的两自由度步进电机具有步进电机的一切特点，因此可以完全 按照步进电机的控制方案进行控制。根据步进电机的特点，如果不通过驱动电源 直接对步进电机进行控制的话，其效果是很不理想的，根本不能满足实际的控制 要求。所以实际上步进电机的控制是对步进电机驱动电源的控制，通过微处理器 发送给驱动电源的脉冲信号从而由驱动电源对电机实现最终的控制。 由于步进电机自身结构的特殊性，使得它很适合与数字电路相配合进行具体 的控制。可以说它是与数字电路最为匹配的执行元件之一。用传统的模拟控制的 方式控制，不但控制电路复杂，而且也不能体现出步进电机数字化的优势。所以 步进电机的控制基本上都是采用数字化的控制方式。 在简单的控制系统中，多用单片机对步进电机进行控制。但是随着现代数字 控制技术的发展，控制系统的要求也越来越复杂，制约最终控制结果的因素也越 来越多。因此，仅仅用一块单片机是很难满足具体的要求的。由于近年来数字技 术的飞速发展，许多的新型控制方式也随之出现，如p l c 、c n c 等。 p l c 的优点是精度高，抗干扰能力强，在工业控制中已经越来越多的被采用。 p l c 有很高的集成度，将多种工业控制的软硬件集中到各种模块中，用户可以根 据自己的需要选择自己所要使用的模块来架构自己的控制系统。但是在其良好的 控制性能之下，又有一些缺点，如降格昂贵、通用性较低，因此必将有其他的控 制方式所存在。 4 浙江大学硕二l 学位论立 c n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 技术是随着计算机技术飞速发展兴 起的一种新的控制方案。现在大部分的步进电机控制方案都是采用c n c 控制。整 个c n c 系统是一个专用的多任务计算机系统，在它的控制软件中融合了许多软 件技术中的先进技术，其中最突出的是多任务并行处理和实时处理。 1 ) 多任务并行处理 c n c 装置通常作为一个独立的过程控制单元应用于工业自动化生产过程中。 它的软件必须完成管理和控制两大功能。系统的管理部分包括：输入、i o 处理、 显示、诊断；系统的控制部分包括译码、补偿、速度处理、插补、位置控制。在 c n c 装置的实际运行过程中，这多个任务中的若干个任务要同时进行。 2 ) 实时处理 c n c 软件在工业自动化的实际应用过程中，为了满足生产的要求，必须具有 实时性。c n c 系统充分利用了w i n d o w s 的多任务的优点，在同一界面上同时进行 数据的输入和输出，极大程度的提高了控制的效率，有着传统的控制方式所无法 比拟的优点。现在c n c 技术已经在越来越多的电机控制系统方案中被采用。 通常一套步进电机的c n c 控制系统由三个部分组成：上位p c 机、下位控制 系统、步进电机驱动电源。在复杂的控制系统中，需要输入的参数和指令，以及 需要检测的数据都是相当多的，利用p c 机可以做出很好的人机界面，同时进行 数据、指令的输入和检测。同时p c 机有强大的运算能力和较大的存储空问，所 以把系统中需要计算的参数都放到p c 机上进行运算、存储，再把计算结果传递 给下位控制系统。虽然p c 机有强大的运算能力，但是它没有具体的执行机构， 所以要进行电机的控制下位控制系统必不可少。它在整个系统中相当于台p c 的手脚，得到指令、数据，对驱动电源进行具体控制：同时检测电机当前状态， 把参数返回给p c 机。 在本文介绍的微机控制系统中就采用了上述的c n c 控制，以保证电机运行的 可靠性以及控制的实时性。 上位p c 机与下位控制系统之间的数据传递是整个系统中很重要的一个环节， 根据控制要求的不同可以采用不同的总线连接方式： 1 ) i s a 总线。早期电机控制与p c 机的结合是通过i s a 总线实现的。i s a 总 线是种8 位或1 6 位非同步数据总线，工作频率为8 m h z ，数据传输率在8 位时 浙江大学硕上学位| 仑支 为1 m b s ，1 6 位时为2 m b s 。但是i s a 总线的响应速度较慢，并且在多任务的操 作环境下占用太多的系统资源，这成为限制i s a 总线发展的瓶颈。 2 ) p c i 总线。p c i 总线是一种同步的独立于c p u 的3 2 位或6 4 位局部总线， 最高工作频率3 3 m h z ，数据传输率为1 3 2 m b s 。并且p c i 总线上的外围设备可与 c p u 并发工作，提高了系统的整体性，但是其协议规范较为复杂。 3 ) u s b 总线。u s b 总线支持即插即用，可扩充至1 2 7 个外部设备，因此可以 实现多台电机同时的多自由度的复杂运动，1 2 m b p s 的高速传送速度，已能满足 大部分外围设备的传输使用( 在u s b 2 0 规范中的高速模式已能达到4 8 0 m s ) 。 4 ) 串行总线。最常用的p c 机外围扩展接口规范协议较为简单，但是由于 是串行，收发数据各自只通过一条线完成，其传输速率较低，适用于对传输速率 要求不是很高的系统中。 根据不同的系统要求，可以选用不同的总线扩展下位控制系统，以实现实时 控制的目的。 1 5 本论文章节安排 第一章序论。主要介绍步进电机的背景及其控制方式，并且对步进电机的微 机控制系统进行了一定的介绍。 第二章对两自由度电机进行介绍，并讨论了当前两自由度电机的研究成果和 未来的发展方向，最后简单介绍了本控制系统所需控制的两自由度步进电机。 第三章介绍了两自由度步进电机的控制系统。包括上位机软件系统、下位机 软硬件系统、二者的通讯部分。 第四章介绍该两自由度电机的运动学方程，荇在实际要求下进行了上位机的 轨迹规划，同时分别在笛卡儿坐标系和自定义的盘，卢坐标系中都导出了电机 的运动学方程。 第五章实验结果及前景展望介绍了采用本控制系统对两自由度步进电机进 行控制后得到的实验结果，并且对两自由度电机及其控制系统的前景进行展望。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章多自由度电机简介 2 1 多自由度电机的特点 这里所讲到的两自由度电机、多自由度电机均是指电动机。 传统的异步电机、同步电机，只有转子旋转这一个自由度，通过齿轮或者蜗 杆的配合可以将这一旋转运动变成直线运动。在很多场合中，直线或者旋转运动 就足够满足被控制对象的需要；但是在一些比较复杂的运动场合( 如机器人手臂 的控制、雷达的定位控制等) ，一个自由度不能满足需要，必需要有多个电机的 配合使用才能达到目的。 但是如果由多台电机实行控制就会产生很多的问题： 1 ) 机械结构复杂。每一台电机都需要各自相对独立的机械传动装置来实现 自己的控制要求。当被控对象有多个自由度的对候，就需要有多套的机械传动装 置来配合实现要求，从而使得传动系统的结构变得复杂。 2 ) 增加体积和重量。由于是各台电机分别控制，必将使得传动系统占用过 多的空间，同时大大增加了传动装置的体积和重量。 3 ) 精度和动态特性难以保证。在被控对象上多个自由度的运动是高度统一 的，但是其控制电机却把几个自由度分离开来，这样使得控制难度增加，在控制 软件设计上需要各个自由度的控制程序配合的十分默契才能够达到要求，一旦有 某个自由度的控制电机出现问题那么整个控制系统也就失去了准确性，产生很糟 糕的动态效果。 正是在多自由度控制中如果采用多台电机控制有诸多的缺陷，人们便逐渐开 始研究是否能够将一台电机做成多自由度的，使电机能够模拟被控对象所要实现 的运动轨迹。由于被控对象多是用于实现复杂的旋转运动，因此多自由度电机又 被称为球面电机、旋转电机。 多自由度电机指具有两个或三个旋转自由度，可以绕过定点的空间轴线旋转 的电机。它具有机械集成度高、电机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等待 点，在具有多个运动自由度的机械系统中，台多自由度电机可以代替两台或多 台单自由度电机，可以大大简化机械系统的结构，减小体积和重量，从而提高系 浙江大学硕士学位论文 统的精度和动态性能，提高性能价格比。因此多自由度电机在机器人、多坐标机 械加工中心、航天飞行器、电动陀螺仪、全方位跟踪天线、炮塔转台、人体假肢、 医疗器械、摄像操作台、全景摄影操作台、搅拌机、球形阀等具有多个运动自由 度的设备中具有广泛的应用前景。另一方面，多自由度电机的研究必然会涉及到 一些单自由度电机研究中所未涉及的新问题，形成一些新的研究方向，这就扩展 了电机学科的研究范围，因此多自由度电机的研究不仅具有实际意义，而且还具 有很高的理论意义，己成为电机学科的前沿方向。 2 2 多自由度电机目前的研究状况 多自由度电机的研究起源于五十年代，到了八十年代中期，空间技术、机器 人及自动化技术的迅速发展，促进了多自由度电机研究的发展，各种工作原理和 不同结构的多自由度电机层出不穷，对其的研究也进入了高潮阶段。 2 0 世纪5 0 年代初，为改善感应电机的调速性能，英国f c w i l i i a m s 等人 研制了一种变速球形感应电机，该电机的定转子都是可动的，可以说是多自由度 电机的雏形。与此同时，前苏联学者研制出一种自整角原理的三自由度电机。自 此后直到8 0 年代初期，多自由度电机的研究处于低潮，主要研究成果有b e r s n s 的球形绕组电机专利，i l a i n g 和n ，l a i n g 的球形电机泵专利，以及球形 电机在陀螺方面的应用。进入2 0 世纪8 0 年代，机器人和空间技术的迅速发展促 进了多自由度电机研究的发展，同时电机新材料的出现和制造工艺水平的提高、 电机理论和自动控制理论研究的深入以及电力电子技术和计算机技术的飞速发 展，为多自由度电机本体制造及其驱动控制系统的实现提供了有利的条件，此后 美国、日本和欧洲等地学者的研究工作十分活跃，各种工作原理和不同结构的多 自由度电机层出不穷。下面简单介绍几种n 9 f r # n n 典型的样机结构和工作原 理。5 1 i ) 两自由度球形自整角机 图2 1 ( a ) 是一种三相自整角机原理的两自由度球形电机的定、转子分解图。 电机的定子和转子分别由四块铁芯组成 交的三相绕组，定转子间填充树脂材料 定子和转子上分别布置两套相互垂直正 用以保持二者同心并减小摩擦。这种电 浙江大学硕小学位论文 机能进行两个方向上的有限偏转，可用于人体假肢和机器人关节。 。 扣z ( a ) ( b ) 图2 - i 两自由度球形自整角机定转子结构和三自由度球形直流电机转子结构 2 ) 三自由度球形直流电机 图2 一l ( b ) 是日本研制的一种三自由度直流电机的转子结构图。电机转子的 铁轭上固定了4 个永磁体，转子轴的一端与一个万向支架相连，定子则是一个上 面布置三套绕组的球壳。通过微机控制三套绕组的电流，就可以对电机转矩的大 小和方向进行控制，从而实现三自由度运动。 3 ) 三自由度球形感应电机 美国g j v a c h t s e v a n o s 等人研制了一种用于驱动机器人执行器的球形感 应电机。电机的外形及其所驱动的机器人执行机构如图2 2 ( a ) 所示。电机的定 子是一个一端敞开的大半球壳，球壳内表面嵌有两套相互正交的三相绕组，转子 是一个在球形铁芯上沉积了一层导体的球体，转子轴可以自转，同时也可以在定 子球壳开口的范围内偏转。电机的转子轴与个并联机构和一个夹持机构相联， 共同构成一个机器人执行器。 4 ) 三自由度球形步进电机 美国i t o k m e n s l e e 等人研制了种用于驱动机器人腕关节的球形步进电动 机a 其结构如图2 - - 2 ( b ) 所示，电机由定子、转子、支撑系统和方位测量系统组 成。定子是一个开孔的球壳，m 个定子线圈均匀布置在定子球壳上，转子是一个 非铁磁性材料的球体，转予球体内径向均匀布置n 个相交于球心的铁芯制成的转 浙江大学硕士学位论文 子极，定转子之问有特殊的传动支撑。通过控制电路按适当方式给定子线圈通电 就能使转子实现三自由度转动。 抖拜 生叶j 一生瞄科 ( a ) b ) 图2 2 球形感应电机及其驱动的机器人执行机构和三自由度球形步迸电机结构 我国对多自由度电机的研究始于2 0 世纪8 0 年代后期起步虽然较晚，但国 家有关部门非常重视，8 6 3 计划和国家自然科学基金都资助过多自由度电机方面 的研究项目。西北工业大学、华中理工大学、哈尔滨工业大学和浙江大学等高校 在认真总结国外研究成果的基础上，研制出了各自的多自由度电机样机，并对有 关问题进行了较为深入的研究。 西北工业大学研制了一种三自由度球形直流电机。该电机的转子采用内框架 式支撑结构，转子轭为球形壳体，在赤道3 0 。纬度内的周边上粘有两组6 片球 面形稀土永磁磁片，n 极s 极各占圆周角9 0 。定子为外球形壳体。紧贴内壁有 两组互为直角的定子绕组。通过控制两组定子绕组的电流就可使转子实现三自由 度运动。 华中理工大学研制了一台三自由度球形感应电机。该电机采用框架支撑结 构，转子是一个球，定子是一个开孔的球壳。定转子上分别布置两套相互正交的 三相绕组，通过控制各绕组的电流就可以控制电机的电磁转矩，使电机的输出轴 实现三自由度运动。 浙江大学研制了一种用于机器人球关节的两自由度的球形步进电机。由两台 五相混合式步进电机组成，主电机的定子为半球形，是整个球关节的外壳，其内 转子为中空环形，内部装有能在其中自由摆动的副电机，副电机采用封闭式球形 0 浙江大学硕二i ：学位论文 结构。以内定子轴为支承，输出轴直接固定在剐电机的外转子机壳上，主副电机 层叠一体，构成一个球关节。 从目前的研究清况看，样机的种类虽然较多，但大部还不十分完善，仍处于 实验室研究阶段，距实际应用还有一定的距离。因此，对已有样机的进一一步完善 和实用新型产品的开发是摆在研究者砸前的两项艰巨任务。 2 3 多自由度电机的研究方向分析 多自由度电机与单自由度电机相比有许多自身的特点，其应用场合也比较特 殊，因此下面几个方面应成为今后多自由度电机的研究重点。 1 ) 新原理样机的开发 从原理上看，各种工作原理的单自由度电机都可以扩展为相应的多自由度电 机，每种工作原理都有其各自的特点和适用场合，因此应根据应用场合对电机的 不同要求，继续研制开发采用新工作原理的实用化多自由度电机，以扩展多自由 度电机的种类，满足不同场合的需要。 2 ) 结构设计的优化 优化多自由度电机的结构，可以使电机结构简单，便于制造，提高电机的机 械集成度及材料的利用率，扩大转子的偏转范围，简化支撑结构，减轻重量，减 小体积。另外，还可以通过结构优化来简化各自由度之间的电磁及力学耦合关系， 提高系统的性能和稳定性。 3 ) 电磁场计算 由于多自由度电机结构有其自身的特殊性，其电磁场具有边界条件复杂、备 向异性、非线性等特点，而且多自由度电机的电磁场大都是典型的三维场，很难 用二维场进行简化，所以必须深入研究多自由度电机电磁场的计算问题，为多自 由度电机的运行原理论证和设计计算提供依据。 4 ) 电磁耦合问题的研究 由于多自由度电机结构集成度高，所以各自由度之间必然存在着复杂的电磁 耦合关系。如何定量的分析这些耦台关系及其对电机控制性能的影响，以及如何 消除这些不良影响，是多自由度电机研究中亟待解决的关键问题。 浙江大学硕士学位硷文 5 ) 运动学问题的研究 多自由度电机的应用场合大都要求能够实现高精度的点到点的控制和连续 轨迹控制，因此必须根据电机的具体结构建立运动学模型，研究适合于多自由度 电机特点的轨迹规划算法，开发多自由度电机运动仿真软件。 6 ) 动力学问题的研究 由于多自由度电机自身的特点，各自由度之间除了存在电磁耦合之外还存在 着f j 分复杂的力学耦合关系，这是多自由度电机难以控制的重要原因之一，因此 必须根据电机的具体结构，建立准确的力学模型，深入分析各自由度之间的耦合 关系，研究力学解耦控制策略，以提高电机的动静态性能及稳定性。 7 ) 电机设计方法及制造工艺方面的研究 由于多自由度电机的结构形状与常规的圆柱电机有明显的差别，所以许多用 于常规电机设计的公式和图表曲线很可能不适用于多自由度电机，因此必须针对 多自由度电机的特点，研究各种多自由度电机的优化设计方法。另外由于多自由 度电机结构复杂，加工比较困难，所以还必须重视多自由度电机的制造工艺的研 究。 8 ) 驱动控制系统的研究 多自由度电机是典型的机电一体化产品，其驱动控制系统不仅要对各自由度 的角位移、速度、加速度及输出转矩进行检测，还要进行各自由度之间的解耦计 算、轨迹规划，因此有必要研制适合于多自由度电机控制系统的专用控制元器件 并采用计算机控制，开发计算机控制系统。 上述几个方面并不是相互孤立的，有时是相互制约相互关联的，而且不同类 型的样机，不同的应用场合，侧重点也不同，因此必须根据具体情况，综合考虑。 可阻预见，随着上述问题研究的深入，多自由度电机可望在不久的将来得到实际 应用。 2 4 两自由度步进电机简介 本文根据国内外多自由度电机的发展状况，并且在对现有成果的总结的基础 上提出正交圆柱结构两自由度电机，突破了以往两自由度电机一贯采用的球形结 浙江大学砸士学位论文 构。该电机具有结构简单、加工易实现、转子偏转范围大、力能指标高等特点。 该电机的研制成功，将在卫星成像系统、点动陀螺仪、导引头平台、全方位跟踪 天线、炮塔转台、船舶推进系统、军用机器人等具有多个运动自由度的机构中得 到广泛的应用。 电机原理结构如图2 - 3 所示，该电机由两台两相混合式步进电机组成。在这 个结构中3 作为固定轴，1 7 是输出轴，电机的工作是由两套独立的极组来完成 的。如顶视图b ) 所见，依靠固定永磁极1 0 与可移动电磁铁n ，轴1 7 可发生咀 l 4 为轴心的左右偏移。再由侧视图c ) 可见，当轴3 为固定时，电磁铁2 也是不 动的，则将使原来装有永磁极6 的圆环7 转动。7 与9 以及框架i 3 、1 4 都是固 定在一起的。这样，便可使输出轴绕固定轴3 旋转，再伴以对轴1 4 的偏移，就 可以使输出轴实现在空间任意方位的偏移。 图2 - 3 正交结构框架式电机 此两自由度步进电机的作用是控制输出轴在一个一定张角( 4 0 。) 的球面 上达到精确定位。该电机由两台两相混合式步进电机组成，两电机轴相互垂直正 交，一个控制水平扫描范围，使轴能在z 轴上3 6 0 。旋转，另一个则控制俯仰运 动角度范围，使其x 轴4 0 。摆动。这样两个运动叠加使输出轴能在一个球冠面 上一定分辨率下的任意点定位。 电机的一些主要技术指标罗列如下： l 、俯仰运动角度范围( x 轴) ：4 0 。 2 、水平扫描范围( z 轴) ：3 6 0 。 3 、x 轴最大静转矩： 6n m 4 、z 轴最大静转矩： 3n m 5 、x 轴角度误差：r 浙江大学硕卜学位论史 6 、电机寿命 5 0 0 h 2 5 两自由度步进电机驱动电源简介 这里所设计的两自由度步进电机由于具有两套相对独立的定转子，因此从控 制角度看可以看作两个独立的两相混台式步进电机，它符合一般两相混合式步进 电机的控制规律。因此其驱动电源的设计显得相对简单一些，可以直接采用两个 两相步进电机的驱动电源分别驱动两套相对独立的系统，通过二者的运动合成来 实现两个自由度的运动。为了提高电机运行的精度及运行的平稳度，这里采用了 两相的正弦波细分驱动。细分控制技术应用于两自由度步进电机上同样可以获得 优良的控制性能。 该系统的原理框图如图2 - 4 所示。主要包括电源、正弦参考信号发生电路、 电流控制电路和功率放大电路等四个部分。 图2 4 两相细分驱动电源的系统框图 电源部分设计采用了开关电源。相比传统的线性电源，开关电源可以方便地 获得多路控制电源，能适应较大的输入电源范围，更重要的是，作为功率放大电 路的控制电源，它能在有效地释放输入电源关闭以后系统剩余电能的同时保持控 制电源的正常，这对于避免频繁上下电对功率放大电路的损坏具有非常重要的作 用。具体设计中考虑到实际输出负荷，采用了集p w m 控制器和功率开关于一体的 开关电源控制器t o p 2 2 4 为核心的控制方案。 正弦参考信号发生电路是细分信号的产生电路，它要把输入的脉冲序列转换 成相应的正弦参考信号序列，并要能调节正弦信号的幅值以调节输出电流幅值。 4 浙江大学硕j 二学位沱文 正弦参考信号发生电路框图如图2 - 5 所示。它主要由计数器、e e p r o m 数据 存储器、d a 转换器和其他辅助电路组成。 脉冲信号( c p ) 、正反转控制信号( c w c c w ) 均由外部控制电路输入，在驱动器 内部通过高速光电耦合器与外部控制电路隔离，尽量减小由脉冲信号引入干扰的 可能性。 e e p r o m 储存器内存有正交两相正弦表格，两片4 位二进制计数器级联输出 作为它的地址输入信号，e e p r o m 的8 位数据输出作为双路d a 转换器的数据输 入。这样数字式的脉冲信号序列经过计数器一e e p r o m d a 转换器电路后转换成 了绕组正弦电流的参考信号( 实际上也是步进电机齿问位置信号) 。两片4 位二进 制计数器级联可以输出2 5 6 个地址，相应正弦参考最多也可以有2 5 6 个台阶，每 一个台阶对应于步进电机一个齿间的相应位置，也相当于对步进电机一个齿距进 行了2 5 6 等分。传统的两相混合式步进电机控制器把一个齿分成4 份( 也就是4 拍) ，1 2 8 等分相当于在原来的基础上进行了6 4 细分。 圈2 - 5p 栅信号产生电路示意图 根据控制器的控制要求，对于小于6 4 的细分，只要在e e p r o g 的2 5 6 个单元 中存放多个周期的正弦信号序列即可。比如要求3 2 细分，只要在相应2 5 6 个单 元中存放两个周期的正弦表格。如果要求更高细分，那就要求增加计数器级联数， 同时，也要相应考虑d a 的转换精度。 整个控制系统最终对电机的控制实际上是控制这里介绍到的两相混合式正 弦波细分驱动电源来实现的。通过给驱动电源输入不同的脉冲信号从而实现电机 最终平稳的运行。 浙江大学硕士学位论文 第三章两自由度步进电机控制系统 3 1 两自由度步进电机的整体控制方案 这里所介绍的控制系统是针对前边所提出的两自由度步进电机的方案进行 的控制。本控制系统采用的是c n c ( c o m p u t e r i z e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 控制。将 整个控制系统分成上下位机两个部分进行设计。 上位机即是计算机控制系统，利用计算机的高速处理特性，进行运动轨迹的 规划，具体的轨迹规划算法将在第四章中介绍。用户通过上位机的人机界面输入 希望电机行走的曲线轨迹，然后由上位机对输入的数据进行处理，生成自定义的 数据串。 下位机是两自由度步进电机的实时控制系统。它接受上位机传送过来的指令 和数据并对电机的驱动电源进行具体的控制。 在这里，上下位机之间通过什么方式进行通讯是一个值得推敲的问题。在前 面讨论过几种总线连接方式的特点。在选择采用什么总线进行通讯时，首先要考 虑的是可靠性，其次是传输速度和开发周期。i s a 总线传输速率慢，并且开发周 期也比较长，现在已经基本上被p c i 总线所取代了。p c i 总线可靠性高、传输速 度快，但是其开发周期长，它的总线规范也相当复杂，不适合在短期开发里采用。 剩下的u s b 总线和r s 一2 3 2 串行总线，u s b 总线的传输速率在2 0 规范中可以和 p c i 总线相比，其开发周期也相对较短；r s 一2 3 2 串行总线的传输速率较低，但是 它的开发是最容易的。所以现在考虑当适当提高r s - 2 3 2 串行总线的传输速度时， 能否满足电机连续运行的要求，如果可以就选择r s 一2 3 2 串行总线，如果不行就 采用u s b 总线。 在实际的控制过程中，步进电机存在突跳频率的问题，当电机要运行到较高 转速的时候，不能够直接发送较高频率的脉冲，而一定有一个加速的过程。在两 自由度步进电机的运行过程中，是要不断进行速度和方向的变化的，因此由于突 跳频率的限制，不能发送过高频率的脉冲，那样会造成电机的失步。 按照自定义的通讯格式( 具体格式会在后边说明) ，一个有效的数据帧由1 1 个字节构成，由于是串行传输，每个字节8 位，再加上起停的附加位一共是l o 1 6 浙江大学碗：l 学位论文 位。当采用5 7 6 0 0 b p s 的波特率时，一个有效的数据帧的传送时问约为2 m s 。当 电机以设定的最高速度2 0 ( 经度固定，只有纬度变化时，运行的曲线每秒钟相对 球心经过2 0 。的角度) ，精度为0 1 ( 运行轨迹以相对于球心每0 1 。进行一段划 分) 来运行时，电机运行完0 1 。的一段圆弧所要时问为5 m s ，大于2 m s ，并且这 是以电机可能运行的最高速度计算得出的结果，实际运行中电机的运行速度将更 低。因此，采用串行口5 7 6 0 0 b p s 的传输速率是完全能够满足电机的连续运行的。 所以本控制系统最终采用了r s 一2 3 2 串行口通讯，以减少开发周期。下面对r s 一2 3 2 串行通讯进行些介绍。 啷 孔型擂痊 t l 跚标难) d 鼢啪 0 鹏 魁头臌i 蛳饿 栽波检测 按收效据 发惩致槲 毂搿葵瑞鞔姥 瞎号地线 可数烬设器蕊绪睽源 r x d请求发送r t s 丁x d消除发送c y s i r摄铃旅示r t g n d 图3 - 1r s 一2 3 2 串口连接方法和引脚定义 r s 一2 3 2 作为标准的串行通信接口定义了2 5 根引脚，对于一般的双向数据通 信，只需要使用串行输入r x d ( 第三脚) 、串行输出t x d ( 第二脚) 、地线( 第七脚) 这3 个引脚，现在的p c 兼容机不但配置了标准的d b 一2 5 针连接器，还使用了d b 一9 针连接器，由于d 8 - 9 针连接器不是标准化产品，引脚的分配不统一，相当多的 厂商遵守的是i b m 公司的规定，我们在系统的实现时使用了d b 一9 针连接器，并只 定义了3 个弓 脚，而且引脚安排有所不同，连接方法如图3 - 1 所示。不管怎么安 浙江大学硕士学位论文 排引脚，只要能保证两端的数据收发核心器件的引脚对应相连( r x d a t x d b 、 t x d a r x d b 、g n d - g n d ) ，就不会影响通信的正常进行。 r s 一2 3 2 接1 ：3 中，逻辑电平定义为逻辑值0 对应+ 3 v + 1 5 v ，逻辑值l 对应 一3 v 一1 5 v ，由于p c 机的串行口采用t t l 电平，所以要加电平转换电路，m a x 2 3 2 是常用的r s 一2 3 2 电平转换器，它既能将r s 一2 3 2 电平转换为t t l 电平，也能将 t t l 电平转换成r s 一2 3 2 电平，而且只需要单- - 5 7 电源。这个在后边的下位机系 统中将进行介绍。 3 2 上下位机的通讯 前边简单讲了一些上下位机之间的通讯，这里具体讲述二者之间的通讯格式 的定义。 上下位机之间的通讯包括命令和数据两部分。由于具有两个自由度，这里把 它们定义为经度和纬度两部分，由具体的硬件分别进行控制。用户具体的操作在 上位机通过人机界面完成，然后上位机送出相应的命令和数据信号给下位机进行 具体的控制操作。 电机运行所要经过的是一段光滑的弧线，由于控制系统是无法准确无误的模 拟所需要的弧线的，只有通过将这一个大的弧线段进行插补，根据精度的不同插 补成不同的弧线段。然后对每一个小的弧线段进行分别控制，最后再串连成最终 所要走过的大的弧线段。在这里保证每一个被插补的小段中经度和纬度运行的同 步是很重要的。在每一个小段的起点，经度和纬度两个方向的运动要同时开始， 为了不发生误差，必须要保证二者在每一个小段的终点能够同时停止运动。因此 上位机在轨迹规划的时候有必要对经度和纬度的速度和步数进行很好的校验，务 必使二者能够同时停止在每一个小段上的运动，并且同时开始下一个小段的运 动。当精度越高，同一弧线段被插补成的小弧线段就越多，对整条曲线的拟合度 就越高。同时这里对于经度和纬度的段号的编排是统一的，即在同一个弧线段内 经度和纬度被分割的段数是相同的，只是通过速度和步数的不同。使得二者运行 的时候同步。对于只有经度运动而没有纬度运动或者只有纬度运动而没有经度运 动的小段，同样要对纬度或经度的小段进行编号，只是其速度和步数均为零，而 不能将这一一个为零的小段忽略。这样对于上位机数据帧的发送和下位机r a m 的管 理都有很好的统一作用，并且便于控制软件的编写。 序描述代码中的名称 命令码说明 号 1 经度数据帧 l o n g i t u d e 0 1 h ( 1 1 )0 9 9 h ，0 1 h n o l ，n o h ，s t e p s l ，s t e p s m d a i a s t e p s h ，s p e e d l ，s p e e d h ，c o u 肌v e r i f y s t e p s h 最高位代表i 正转，0 反转 2 纬度数据帧 l a t i t u d e 0 2 h ( 1 1 10 9 9 h ，0 2 h ，n o l ，n o h ，s t e p s