电子论文-基于光电码盘的电机高精度转角定位系统.pdf

基于光电码盘的电机高精度转角定位系统基于光电码盘的电机高精度转角定位系统 方献梅 1 熊伟2 董大明2 高晓波1 1 河池学院计算机与信息科学系 宜州 546300 2 中国科学院安徽光学精密机械研究所 合肥 230031 摘摘 要 要 在转动系统中 如何对电机进行高精度控制和小角度转角定位 是一个不易解决的 问题 以 TI 公司的 TMS320LF2812 型 DSP 为核心控制器 用 CPLD 对光电码盘实现倍频 从而通过角速度的反馈量精确控制电机 文中讨论了光电码盘的工作原理 倍频方法 以及 整个系统的硬件实现和控制策略 该系统完全可以实现电机的精密控制 有较好的实用性 关键词 关键词 光电码盘 DSP CPLD 中图分类号 中图分类号 TN911 72 TN820 文献标识码 文献标识码 A High Precision Control and Angle location of Motor Based on Photo electricity Coder FANG Xian mei1 XIONG Wei 2 DONG Da ming2 GAO Xiao bo1 1Dept of Computer DSP CPLD 1 1 问题的提出 问题的提出 随着生产和社会的发展 精密机械在我们的生活中起着越来越重要的作用 而电机作为 精密机械构成的主要部件 对其控制的精密度要求也越来越高 比如计算机中的光盘驱动器 生产车间中的光机电设备 都需要实现对电机的极其精密的控制 使其工作在匀速的状态下 我们的一个项目中 需要实现一个非常精确的匀速转动 并在每转过 5 秒的角度时 反 馈出一个电信号 传统的直流饲服系统 往往是以位置信号作为反馈 来控制直流电机的转动的 其原理 如图 1 所示 图 1 无刷直流电动机的原理框图 直流电源 开关电路 电动机 位置传感器 这种通过位置传感器检测反馈的方式 可以对电动机进行控制 并且可以用软件计数的 方式对转角定位 但是 通过实际验证 这种控制方式不能满足我们的精度要求 其对转角 的定位也远远不能达到 5 秒的精度 因此 需要设计一种新型的控制系统 利用精密的角位移传感器 对电机或电机负载的 转角进行精确测量 从而定位转角 并通过转角数值实时测速 将速度信号反馈 构建速度 和位置同时反馈的双闭环系统 精确控制电机的转速 2 2 新型系统的构建 新型系统的构建 2 1 光电码盘及其细分光电码盘及其细分 光电码盘 是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传 感器 本系统中采用了 EPC 755A 型光电编码器 用以检测转角信号 并将之反馈 EPC 755A 光电编码器具备良好的使用性能 在角度测量 位移测量时抗干扰能力很强 并具有 稳定可靠的输出脉冲信号 且该脉冲信号经计数后可得到被测量的数字信号 由于成本及采购难度的原因 本系统中采用的为 16 位光电码盘 因此如果直接使用的 话 可将一个圆周分为 64000 份 但是这个精度是不能达到我们的要求的 因此 我们采用 对光电码盘细分的方法来达到系统的要求 这种方法也可称之为对光电码盘的倍频 根据系 统指标 将光电码盘 4 倍频即可 图 2 光电码盘四倍频原理 传统的光电码盘倍频 一般是将原码盘输出的 N 位编码 经过门电路组成的编码器 输 出 N 2 位编码 本系统中采用 CPLD 代替了门电路 使系统设计更加方便 工作状态更加 稳定 2 2 系统工作原理系统工作原理 由于我们要实现一个高精度的匀速运动 所以对马达的性能要求比较高 选用的马达既 要考虑到调速的精度 又要有很强的带负载能力 为此 选用永磁无刷直流电动机 无刷直流电动机具有非常优秀的线性机械特性 宽的调速范围 大的启动转矩 广泛应 用于计算机的软驱 硬盘 光驱的定位系统中 可以满足极高控制精度的要求 为实现光电码盘的细分 选用 MAX700S 系列的 EPM7128SLI84 型 CPLD 做细分电路 在系统调试过程 首先用 Quartus 软件对 CPLD 实现的现场门阵列进行编程和仿真 调试通 过后 通过 CPLD 的 JTAG 测试口 用下载电缆将程序烧写到 CPLD 中 在系统实际运行时 电机与光电码盘 系统控制板同时得电 控制板给电机发送启动信 号 电机转动后 其本身的位置传感器和光电码盘将检测到的物理量反馈给控制板 因而形 成了双闭环 3 3 系统控制解决方案 系统控制解决方案 德州仪器公司的的数字信号处理器 TMS320LF2812 系列整合了通用数字信号处理器快 EPC 755A CPLD 编码 电机 控制器 16 位编码 18 位编码 速运算功能和单片机外围丰富的特点 使得该系列特别适合于那些要求有较强的数据处理能 力 同时又要有较多控制功能的应用中 对直流无刷电机的控制就是这一系列 DSP 的典型 应用之一 图 3 为 DSP 控制板的结构原理图 图 3 DSP 控制板原理图 如上图 直流电机通过三个位置间隔的霍尔传感器经整形隔离电路后分别与 DSP 的三个 捕获引角 CAP1 CAP2 CAP3 相连 通过产生捕获中断来给出换相时刻 同时给出位置信 息 由于电动机每次只有两相通电 其中一相正向通电 另一相反向通电 形成一个回路 因此每次只需控制一个电流 用一个电阻作为廉价的电流传感器 将其安放在电源对地端 就可方便地实现电流反馈 电流反馈输出经滤波放大电路连接到 DSP 的 ADC 输入端 ADCIN00 在每一个 PWM 周期都对电流进行一次采样 对速度 PWM 占空比 进行控制 控制算法才用带死区的积分分离 PID 控制 给定转速与速度反馈量形成偏差 经速度调 节后产生电流参考量 它与电流反馈量的偏差经电流调节后形成 PWM 占空比的控制量 实 现电动机的速度控制 电流的反馈是通过检测电阻 R 上的压降来实现的 速度反馈则是通 过霍尔位置传感器输出的位置量 经过计算得到的 位置传感器输出的位置量还用于换相控 制 4 4 结论 结论 本文针对生产和生活中对精密控制越来越高的需求 提出了一种利用光电码盘 实现电 机高精度控制和转角定位的方法 系统以 TMS320LF2812 为核心控制器 用 CPLD 对普通 光电码盘实行细分 既节省了成本 又提高了精度 通过严格的调试与论证 系统对永磁无 刷直流电动机的角位移定位可以达到 2 秒 整个系统运行稳定 可靠性和精度较高 对相 关系统的设计有一定的参考和借鉴价值 本人作者创新点 首次提出了一种用 DSP 和 CPLD 协同配合光电码盘 实现电机的高精 度控制和转角定位的方法 这种方法弥补了光电码盘不易实现高精度转角定位的不足 而且 形成了双闭环控制 提高好了控制精度 驱动电路 电机绕组 位置传感器 ADCIN00 PWM1 CAP1 PWM2 CAP2 PWM3 CAP3 PWM4 PWM5 串口 PWM6 整形 隔离 电路 隔离 电路 控制 信号 PC 机 RS 232 TMS320LF2812 DSP 控制板卡 参考文献参考文献 1 肖海荣 安国建 刘文江等 用 AD2S80A 实现的高精度位置检测单元及其与 80C196KC 单片机的接口技术 J 微计算机信息 2001 3 P62 2 熊伟 基于 DSP 的红外实时信号处理软件设计 D 中国科学院研究生院硕士学位论 文 2003 7 3 陈兴文 刘燕 基于 DSP 实现机床切削力信号在线监测 J 微计算机信息 2005 4 P94 4 蒲海 陈自力 胡玫荣 基于 CPLD 的高速 m 序列码发生器的设计 J 微计算机信 息 2005 4 P172 5 徐斌 孔梦荣 一种新的图像定位和分类系统实现方案 J 微计算机信息 2005 24 P73 6 王晓明 王玲编著 电动机的 DSP 控制 M 北京航空航天大学出版社 2004 作者