伺服运动控制器的研制毕业论文设计.doc

长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 I 摘 要 随着科学技术的进步 传统的运动控制系统由于本身的特性限制难以满足现代 工业的要求 研究和开发具有开放式结构的高性能运动控制器已成为当前运动控制 领域的重要发展方向 本论文以永磁交流同步伺服电动机为核心 对运动控制器的硬件结构进行了全 面的改进 实现了运动控制单元和外围处理单元 研制了一种用常规芯片系列组成 的运动控制器 提出了采用单稳态多谐振荡器和数据选择器的四倍频辨向电路 该 系统硬件结构是基于普通 PC 机或工控机的 ISA 总线而开发 其功能集 12 位 DAC 转 换 定时中断 脉冲接收 倍频辨向计数 零点检测及使能报警等于一体 该系统 的软件结构通过对系统 CMOS 实时时钟 RTC 编程实现高精度定时硬件中断 对 系统 CMOS 实时时钟 RTC 编程实现高精度定时 在中断程序中加入 PID 控制算法 可以满足高精度的伺服电机位置控制的要求 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖 关键字 伺服系统 实时钟 PID 控制 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 II ABSTRACT With the progress of the technology it is diffcult for the traditional Motion ControlSystem to satisfy the demands of the modern industry Currently it has been an important trendin the motion control field to develop the high capability Motion Controller with the openstructure Motion controller composed of general chip series is developed and Quadruple differential Circuit utilizing dual monostable multivibra tors with Sehmitt trigger inputs and dual 4 line to 1 line data selectors or multiplexers is put forward Hardware framework of the system is basedon ISA buses of general PC or IPC including 12 bit multiplying D A conversion time interruptpulse receiving zero check and on off and warning circuit Software framework is put forward based on the technical programming the CMOS Real Timer Clock adopting VtoolsD to programme VxD and real time position control of servo electromotor is realized So the key problem of developing NC in the Windows is solved And PID controller is designed PID control arithmetic is programmed parameters of control system are adjusted online experiment is researched and the result is analyzed Experimental result showed that programming CMOS RTC realizing high precision time through program VxD along with PID arithmetic in the interrupt can meet the requjre of high preci sion position control of servo electromotor 聞創沟燴鐺險爱氇谴净 The paper firstly introduces the origin research significance related technical status and main contents of the task and describes the system as a whole in detail then discusses the hardware design software design and the algorithms design respectively Finally The paper brings forward the main contents of advanced research 残骛楼諍锩瀨濟溆塹 籟 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 III Keyword 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 III 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别加以标 注和致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的 材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体 均已在文中作 了明确的说明并表示了谢意 酽锕极額閉镇桧猪訣锥 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和电子版本 学校有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并提供目录检索与 阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布论文的部分或全部内容 彈贸摄 尔霁毙攬砖卤庑 作者签名 日 期 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 IV 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 V 目 录 摘 要 I謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔 目 录 III厦礴恳蹒骈時盡继價骚 第一章 绪 论 1茕桢广鳓鯡选块网羈泪 1 1 引言 1鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴 1 2 位置伺服系统的构成 2籟丛妈羥为贍偾蛏练淨 1 3 伺服系统的发展历程 3預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴 1 4 伺服系统的发展趋势 4渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦 第二章 永磁交流同步伺服电动机的工作原理及数学模型 7铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡 2 1 永磁交流同步伺服电动机的结构 7擁締凤袜备訊顎轮烂蔷 2 2 永磁交流同步伺服电动机的工作原理 7贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷 2 3 永磁交流同步伺服电动机的数学模型 8坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚 第三章 伺服控制系统设计 10蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘 3 1 系统方案设计 10買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄 3 2 I SA 总线 11綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴 3 3 总线驱动 数据锁存及译码电路 13驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦 3 4 中断定时电路 14猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑 3 5 使能报警 I 0 电路 15锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔 3 6 倍频辨向电路与脉冲接收电路 15構氽頑黉碩饨荠龈话骛 3 7 数模转换电路 17輒峄陽檉簖疖網儂號泶 第四章 系统 CMOS 实时时钟硬件中断定时 20尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅 4 1 WINDOWS系统中时钟的选择 20识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒 4 2 通过对系统 CMOS 实时时钟 RTC 编程实现高精度定时 21凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴 4 2 1 系统 CMOS 实时时钟简介 21恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦 4 2 2 WINDOWS 98 环境下实时钟的使用 23鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫 4 2 3 对 RTC 编程的实现 23硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹 4 3 中断时间的测试 25阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖 第五章 P ID 控制 27氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩 5 1 P I D 控制简介 27釷鹆資贏車贖孙滅獅赘 5 2 P L D 控制器设计 28怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉 5 3 P I D 控制器的软件编制 30谚辞調担鈧谄动禪泻類 5 4 控制系统参数的整定 30嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 VI 第六章 总结与展望 32熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库 6 1 总结 32鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞 参考文献 34纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 1 伺服运动控制器的研究 第一章 绪 论 1 1 引言 随着科学技术的进步 传统的运动控制系统由于其自身的特性限制已不能满足 现代工业和社会发展的要求 归纳起来 主要表现在以下几个方面 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷 1 封闭式结构 提供给用户的只是特定环境下特定功能的目标作业 控制系统的 内 部包括控制算法和底层的接口等对用户是一个 黑箱 这种结构不便于对系 统的功能进行扩展和改进 也不便于对系统资源进行共享和再利用 濫驂膽閉驟羥闈詔寢 賻 2 控制软件的兼容性差 控制软件的结构依赖于处理器硬件 在不同的系统间移 植比较困难 同时也给软件的升级和更新带来了不便 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼 3 容错性和可靠性差 由于采用了多片单片机并行的结构 使得系统的通讯和同 步难以实现 同时数据相关性复杂 导致控制系统的容错性和可靠性变差 挤貼綬电麥 结鈺贖哓类 4 缺少网络功能 不利于构造大系统 无法实现多系统协调以及远程和漫游控制 针对传统运动控制系统的这些缺陷 研究和开发具有开放式结构的高性能运动 控制器己成为当前运动控制领域的一个重要发展方向 引起了人们的广泛关注 1986 年以来 世界工业界一直致力于在制造业中推广开放 积木式结构控制技术 1O 多年来 这一技术己在计算机行业取得巨大成功 在开放式结构控制技术的指导 下 计算机控制器完成了从造价昂贵的专业化大中型机到开放 积木式通用个人计 算机的变革 使计算机技术很快地进入到各行业的各个部门和家庭 这为发展开放 式结构的运动控制系统积累了经验 创造了良好的条件 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈 现代通讯和网络控制技术日新月异 并在人们的生活中占据越来越重要的位置 发展智能运动控制系统也将是我国 21 世纪的发展战略 塤礙籟馐决穩賽釙冊庫 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 2 运动控制器利用高性能微处理器及大规模可编程逻辑器件实现伺服电机的多轴 协调控制 将实现运动控制的底层软件和硬件集成在了一起 具有伺服电机控制所 需的各种速度 位置控制功能 与传统的数控装置相比 运动控制器具有以下特点 裊 樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺 1 技术更新 功能更加强大 可以实现多种运动轨迹的控制 2 结构形式模块化 可以方便地组合 建立适用于不同场合的控制系统 3 操作简单 在 PC 机上经简单编程即可实现运动控制 不需要专门的数控软件 以运动控制器作为独立的标准部件可以明显缩短新产品的研制开发周期 有利 于使用者创造自己的品牌产品 目前 运动控制器的应用日益广泛 可以说只要有 伺服电机应用的场合就离不开运动控制器 运动控制器以其特有的灵活性和优异的 轨迹控制能力使许多工业生产设备焕发出勃勃生机 尤其值得注意的是 运动控制 器在随动系统 伺服跟踪平台 天线稳定平台和火炮系统等领域有着广泛的用途 对于我军武器装备的改造和研制具有重大的影响 因此 对运动控制器进行研究与 开发具有重要的意义 仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁 1 2 位置伺服系统的构成 按伺服系统调节理论 机床伺服系统通常可分为开环 半闭环和闭环系统 开 环系统没有测量反馈环节 半闭环和闭环系统有测量反馈环节 其中 半闭环系统 只有安装在丝杠或驱动电机转轴上的测量元件 检测与角位移有关的物理量 而闭 环系统具有安装在工作台上的测量元件 可检测与直线位移有关的物理量 开环系 统没有反馈信号 其精度差 而半闭环和闭环系统 可根据检测器的反馈信号与指 令信号的比较结果来进行速度和位置控制 有较高的控制精度 由于丝杠和工作台 间传动误差的存在 半闭环系统的精度要比闭环系统的精度低 但比闭环系统简单 易调整 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧 数控系统和其他位置伺服系统一样 是一个双闭环系统 如图卜 l 所示 内环 是速度环 作为一个独立的控制单元 它是由速度调节器 电流调节及功率驱动放 大器等部分组成 速度控制单元的外环是位置环 位置伺服系统是由位置控制模块 速度控制单元 位置反馈及检测等部分构成 其工作过程是 由 CNC 来的位置输入 指令与位置反馈装置检测出的进给坐标的实际位移量进行比较 把比较得来的偏差 信号 经过位置控制装置的运算 将结果输出到 D A 转换器 经伺服放大器放大 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 3 后变成电压信号 成为速度环给定信号 控制电机向消除偏差的方向旋转 直到偏 差为零时 电机停止运动 到达指定位置 这样 进给坐标的实际位置就能跟随指 令变化 构成一个位置伺服系统 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙 1 3 伺服系统的发展历程 1 直流伺服系统 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程 电气伺服系统 根据所驱动的电机类型分为直流 DC 伺服系统和交流 AC 伺服系统 50 年代 无刷电机和直流电机实现了产品化 并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛 的应用 70 年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉 2 交流伺服系统 从 70 年代后期到 80 年代初期 随着微处理器技术 大功率高 性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提 高 交流伺服技术 交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品 交流伺 服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一 并将逐渐取代直流伺服 系统 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 永磁同步 SM 型 电动机交流伺服系统和感应式异步 IM 型 电动机交流伺服系统 其中 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 4 永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟 具备了十分优良的低速性 能 并可实现弱磁高速控制 拓宽了系统的调速范围 适应了高性能伺服驱动的要 求 并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低 其在工业生产自动化领域 中的应用将越来越广泛 目前已成为交流伺服系统的主流 感应式异步电动机交流 伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固 制造容易 价格低廉 因而具有很好的 发展前景 代表了将来伺服技术的方向 但由于该系统采用矢量变换控制 相对永 磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂 而且电机低速运行时还存在着效率低 发热严重等有待克服的技术问题 目前并未得到普遍应用 系统的执行元件一般 为普通三相鼠笼型异步电动机 功率变换器件通常采用智能功率模块 IPM 为进一 步提高系统的动态和静态性能 可采用位置和速度闭环控制 三相交流电流的跟随 控制能有效地提高逆变器的电流响应速度 并且能限制暂态电流 从而有利于 IPM 的安全工作 速度环和位置环可使用单片机控制 以使控制策略获得更高的控制性 能 电流调节器若为比例形式 三个交流电流环都用足够大的比例调节器进行控制 其比例系数应该在保证系统不产生振荡的前提下尽量选大些 使被控异步电动机三 相交流电流的幅值 相位和频率紧随给定值快速变化 从而实现电压型逆变器的快 速电流控制 电流用比例调节 具有结构简单 电流跟随性能好以及限制电动机起 制动电流快速可靠等诸多优点 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類 3 交直流伺服系统的比较 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 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 FA 等各个领域得到了广泛的应用 从伺服驱动产品当前的应用来 看 直流伺服产品正逐渐减少 交流伺服产品则日渐增加 市场占有率逐步扩大 在实际应用中 精度更高 速度更快 使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产 品 栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬 4 伺服系统的发展趋势 从前面的讨论可以看出 数字化交流伺服系统的应用越 来越广 用户对伺服驱动技术的要求越来越高 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 5 1 4 伺服系统的发展趋势 1 交流化 伺服技术将继续迅速地由 DC 伺服系统转向 AC 伺服系统 从目前国际市场的情 况看 几乎所有的新产品都是 AC 伺服系统 在工业发达国家 AC 伺服电机的 市场占有率已经超过 80 在国内生产 AC 伺服电机的厂家也越来越多 正在逐步地 超过生产 DC 伺服电机的厂家 可以预见 在不远的将来 除了在某些微型电机领 域之外 AC 伺服电机将完全取代 DC 伺服电机 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺 2 全数字化 采用新型高速微处理器和专用数字信号处理机 DSP 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 全数 字化的实现 将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制 从而使在伺服系统中应 用现代控制理论的先进算法 如 最优控制 人工智能 模糊控制 神经元网络等 成为可能 詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜 3 采用新型电力电子半导体器件 目前 伺服控制系统的输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导 体器件 主要有大功率晶体管 GTR 功率场效应管 MOSFET 和绝缘门极晶体管 IGBT 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 尤其值得一提的是 最新型的伺服控制系统已 经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块 称 为智能控制功率模块 Intelligent Power Modules 简称 IPM 这种器件将输入 隔离 能耗制动 过温 过压 过流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的 模块之中 其输入逻辑电平与 TTL 信号完全兼容 与微处理器的输出可以直接接口 它的应用显著地简化了伺服单元的设计 并实现了伺服系统的小型化和微型化 则 鯤愜韋瘓賈晖园栋泷 4 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 同一个控制单元 只要通过软件设置系统参数 就可以改变其性能 既可以使用电机本身配置的传感 器构成半闭环调节系统 又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 6 精度的全闭环调节系统 高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积 使得 伺服系统的安装与调试工作都得到了简化 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻 5 智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势 伺服驱动系统作为一种高级的工 业控制装置当然也不例外 最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品 它们的智能化特点表现在以下几个方面 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減 首先他们都具有参数记忆功能 系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方 式由软件来设置 保存在伺服单元内部 通过通信接口 这些参数甚至可以在运行 途中由上位计算机加以修改 应用起来十分方便 其次它们都具有故障自诊断与分 析功能 无论什么时候 只要系统出现故障 就会将故障的类型以及可能引起故障 的原因通过用户界面清楚地显示出来 这就简化了维修与调试的复杂性 除以上特 点之外 有的伺服系统还具有参数自整定的功能 众所周知 闭环调节系统的参数 整定是保证系统性能指标的重要环节 也是需要耗费较多时间与精力的工作 带有 自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行 自动将系统的参数整定出来 并自动 实现其最优化 对于使用伺服单元的用户来说 这是新型伺服系统最具吸引力的特 点之一 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜 6 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 Factory Automation 简称 FA 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 为适应 这一发展趋势 最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口 如 RS 232 或 RS 422 接口等 和专用的局域网接口 这些接口的设置 显著地增强了伺服单元与其 它控制设备间的互联能力 从而与 CNC 系统间的连接也由此变得十分简单 只需要 一根电缆或光缆 就可以将数台 甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个 数控系统 也可以通过串行接口 与可编程控制器 PLC 的数控模块相连 综上 所述 伺服系统将向两个方向发展 一个是满足一般工业应用要求 对性能指标要 求不高的应用场合 追求低成本 少维护 使用简单等特点的驱动产品 如变频电 机 变频器等 另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品 伺服电机 伺服 控制器 追求高性能 高速度 数字化 智能型 网络化的驱动控制 以满足用户 较高的应用要求 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 7 第二章 永磁交流同步 伺服电动机的工作原理及数学模型 2 1 永磁交流同步伺服电动机的结构 在数控机床中 交流伺服电机正在逐渐代替直流伺服电机 这是由于交流伺服 电机本身结构简单 坚固耐用 体积较小 重量较轻 没有整流子机械换向 所以 远比直流伺服电机便于维护 特别是由于近年来大功率电子器件 以及用高速微处 理器与功率电子器件相结合发展出来的大功率交流逆变技术 使其静态与动态性能 不仅已经达到了直流伺服电机的水平 在有些方面 比如输出转矩的平稳性方面 甚至超过了直流伺服电机的水平 永磁式交流伺服电动机主要有三部分构成 包括 定子 转子和检测元件 如图 2 1 所示 转子为励沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應 磁 定子为电枢 转子上的永磁材料通常采用铁氧体或稀土材料制成 磁场强度高 矫顽磁力很强 而价格又比较适当 可以有效的减少转子的惯量 提高输出转矩和 电机的功率比 由于转子上没有绕组 不通过电流 所以在运行时电机轴的温度不 会升高 这样就避免了像直流伺服电机那样 由于温升引起与轴相连的减速器或滚 珠丝杠的热变形 从而影响机床精度的现象 电机内部的发热 只取决于定子电枢 电流 由于定子铁心直接暴露于外部空气之中 其散热条件较好 便于实现小型化 此外 由于在电机轴上没有直流伺服电机的整流子和电刷 电机的轴向尺寸可以小 一些 永磁同步型交流伺服电机内部采用单一的角度位置传感器来连续检测 并以 检测的结果为依据使三相电机电流实现正交控制 常用的检测传感器为光电脉冲编 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 8 码器和旋转变压器 除了完成转子位置的检测任务之外 传感器通常还要负担速度 以及位移检测的任务 以便简化机械部分和控制部分的结构 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺 2 2 永磁交流同步伺服电动机的工作原理 永磁交流同步伺服电动机的工作原理可以通过图 2 2 来说明 永磁交流同步伺服内部的转子是永磁铁 驱动器控制的 U V 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 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮 永磁体 N S 交替交换 使位置传感器产生相位差 120 的 U V W 方波 每种状态下 仅有两相 绕组通电 依次改变一种状态 定子绕组产生的磁场轴线在空间转动 60 电角度 转子跟随定子磁 场转动相当于 60 电角度空间位置 转子在新位置上 使位置传感器 U V W 按约定产生一组新 编码 新的编码又改变了功率管的导通组合 使定子绕组产生的磁场轴再前进 60 电角度 如此循 环 无刷直流电动机将产生连续转矩 拖动负载作连续旋转 正因为无刷直流电动机的换向是自身 产生的 而不是由逆变器强制换向的 所以也称作自控式同步电动机 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘 2 3 永磁交流同步伺服电动机的数学模型 条件 1 忽略铁心饱和 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 9 2 不计涡流和磁滞损耗 3 动子上没有阻尼绕组 永磁体也没有阻尼作用 4 电动势是正弦的 在磁场定向矢量控制条件下 I 0 永磁交流同步伺服电动机的数学模型可描 述如下 1 机械运动方程 Fe M Bv Ff Kfiq 2 4 Kf f 2 5 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚 式中 M 为电动机动子质量 B 为粘滞摩擦系数 Ff为负载阻力 Fe为电磁推力 n为极距 f为永磁体有效磁链 为动子线速度 且莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减 v 2 nf vs 2 6 式中 f 为逆变器输出的电源频率 vs为电动机同步速度 kf为推力系数 2 d q 轴电压电流方程 ud rdid v q v q uq rqiq v f d rqiq v f 式中 Ldid 2 9 Lqi q 2 10 式中 ud uq分别为动手 d 轴 q 轴电压 id iq分别为动子 d q 轴电枢电流 d q分别为由动子 d q 轴电枢电流产生的 d q 轴磁链 rd rq分别为动子 d q 轴电阻 Ld Lq分别为动子 d q 轴电感 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 10 第三章 伺服控制系统设计 3 1 系统方案设计 位置控制主要是对数控机床的进给运动的坐标轴位置进行控制 例如 工作台 前后左右移动 主轴箱的上下移动 围绕某一直线轴旋转运动等 轴控制是数控机 床上要求最高的位置控制 不仅对单个轴的运动和位置精度的控制有严格要求 而 且在多轴联动时 还要求各移动轴有很好的动态配合 位置伺服控制不同于普通电 动机调速系统 它是以足够的位置控制精度 定位精度 位置跟踪精度 位置跟踪 误差 和足够快的跟踪速度作为主要的控制目标 系统工作原理框图如图 3 1 所示 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬 该系统是以光电编码器作为位置检测元件的闭环位置伺服系统 编码器输出的 脉冲必须由伺服控制卡的计数器进行加减计数 计算机在每个采样周期内 首先读 取计数器的值作为坐标轴实际运动增量 然后与坐标轴的位置增量命令相比较 算 出当前坐标轴的偏差 接着 对偏差进行数字 PID 控制运算 得到进给速度指令的 数字量 通过 D A 转换 电压放大 为伺服装置提供速度指令电压 去驱动坐标 轴运动 实现偏差的位置控制 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙 位置控制功能由软件和硬件两部分共同实现 软件负责偏差和进给速度指令数 值的计算 硬件主要由伺服控制卡组成 接收进给指令 进行 D A 转换 为速度 单元提供命令电压 同时位置反馈信号被处理 与指令值进行比较 伺服控制卡硬 件实现框图如图 3 2 所示 从该图可以看出 系统的硬件设计主要有以下部分组成 ISA 总线 总线驱动 数据锁存及译码电路 中断定时电路 使能报警 I O 电路 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 11 倍频辨向电路 脉冲接收电路 数模转换电路以及零点检测电路 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹 3 2 I SA 总线 ISA 总线是对 XT 总线的扩展 以适应 8 16 位总总线的要求 ISA 总线共有 98 根信号线 它 在 XT 总线 62 根线的基础上向前延伸了 36 根 它的插头 插槽有两部分组成 一部分为 62 根 总线连接器 分 A B 两面 每面 31 线 另一部分是新增的 36 线连接器 分 C D 两面 每面 18 线 62 线与 36 线之间有凹槽隔开 如此保证了与 XT 总线的兼容性 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝 1 ISA 总线的特点 1 ISA 总线能支持 16 位 I O 端口地址 24 位存储地址 8 16 位数据存取 15 级可屏蔽中断 7 级 DMA 通道及能产生 I O 等待状态 ISA 总线的数据传送率为 8MB s 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸 2 ISA 总线是一种多主控 Multi master 总线 除 CPU 外 其他主控设备 可以是 DMAC DRAM 刷新控制器和一个代处理器的智能接口卡 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺 3 ISA 总线可以支持 8 种类型的总线周期 即 8 16 位存储器读周期 8 16 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 12 位存储器写周期 8 16 位 I O 读周期 8 16 位 I O 写周期 中断响应周期 DMA 周 期 存储器刷新周期和总线仲裁周期 夹覡闾辁駁档驀迁锬減 目前 ISA 总线的接口逻辑已有原多个独立功能芯片发展到大规模单片控制集 成电路为主芯片 这种多功能芯片称为芯片组 如 486SLC 系统主板上使用的 208 脚的 PC chip2 该芯片组包括 DMA 控制器 存储器管理器 计数 定时器 中断控 制器 总线控制器及支持 CPU 所需的各种控制逻辑及所有的总线缓冲 奇偶校验电 路等 视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝 该控制系统采用 ISA 总线 PC AT 总线 实现计算机与控制卡之间的信息传递 ISA Industry Staridard Architecture 的意思是工业标准结构 ISA 总线就是 IBM PC AT 机的系统总线 所以也称 IBM AT 总线 后被推荐为 IEEE P996 标准 ISA 总线是针对 80286 CPU 在原 IBM PC 总线的基础上修改扩展而成的 16 位系统总 线 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠 ISA 总线设计成前 62 引脚和后 36 引脚的两个插座 它既可以利用前 62 引脚的 插座插入与工 BM PC 总线兼容的 8 位接口电路卡 也可以利用整个插座插入 16 位 接口电路卡 ISA 总线的前 62 引脚的信号分布与功能基本同 IBM PC 总线 仅有两 处改动 另外 ISA 总线修改了部分总线信号的名称 但它们与原 IBM PC 总线信号 保持完全的兼容 ISA 总线的后 36 引脚扩展了 8 位数据线 7 位地址线以及存储器 和 I O 设备的读写控制线 并有中断和 DMA 控制线 电源和地线等 所以 总线 信号共包括数据线 16 根 地址线 24 根 支持 16 级中断和 7 个 DMA 通道 该标准 的数据宽度为 16 位 工作频率为 8MHz 数据传输率最高为 8MHz 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 13 3 3 总线驱动 数据锁存 及译码电路 当应用系统规模过大 扩展所接的外接芯片过多 超过总线的驱动能力时 系 统将不能可靠工作 此时应加用总线驱动器来减少读数据的持续时间 而且 总线 驱动器除了起到驱动作用外 还能对其后的负载的变化起隔离作用 总线驱动可以 减少主机的负担 不管驱动器后面接多少块插件板或集成电路芯片 都能消除驱动 器后的负载电路对主机芯片的影响 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼 1 系统数据总线 数据总线用的驱动器必须具有双向性 地址总线用的只单方向即可 系统数据 总线通过三态双向缓冲器 74LS245 形成和驱动 双向总线驱动器 74LS245 有 16 个 三态锁存器 每个方向是 8 个 是为在数据总线之间的异步双路通信设计的 应用 其控制功能可使外部时间要求减至最小 在控制端 G 有效的情况下 由 DIR 端控制 驱动方向 DIR l 时 方向 A 到 B 允许输出 DIR 0 时 方向 B 到 A 输入允许 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 14 三态双向缓冲器 74LS245 的控制端由读写命令和一系列地址选择产生的信号控制 疠骐錾农剎貯狱颢幗騮 2 系统地址和控制总线 系统地址总线采用一个三态单向缓冲器 74LS244 来驱动 A0 A4 IOR IOW RESET 3 译码电路 一路为片选译码 译码电路的核心器件采用一片集成译码器 74Lsl38 A0 A2 经 74LS244 驱动后分别连接 138 译码器的 3 个编码输入端 A B c 控制输入端 G1 接 5V 瓦接读写命令 瓦接 A2 当 3 个控制端同时有效 时 译码器才进行正常译码 另一路译码电路为线选译码 A2 A3 与从比较器出来 的信号经基本逻辑与非门 74LS38 和 74L S00 共同完成译码 决定选中两个 8254 定 时器芯片中的一个 它们的可用地镞锊过润启婭澗骆讕瀘 址选择范围如表 3 1 所示 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 15 3 4 中断定时电路 在数控加工中 需要进行多任务的实时处理 包括输入 输出 插 补运算 位置控制和数据传输等 都必须在确定时刻开始 在有效的截止时间内完 成 因此 要完成实时控制任务 首先就是要能获得准确的时间 Windows 98 环境 下获得定时时钟的方法有利用 Windows 系统时钟和利用多媒体定时等方法 但是由 于在 wi r132 多任务抢占式工作方式下 应用程序不能完全占有 CPLJ 因此 wirldows 环境下软件定时不准确 所以在实际应用中 常常采用外界专门的硬件时 钟电路来获取可靠的时间触发信号 将外界的定时触发作为一个硬件中断 采用中 断的方式来进行实时系统中各种任务的处理 这种方式既能够保证精确定时 又可 随任务的不同而通过编程的方式将它们的定时周期进行更改 榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛 2MHz 晶振经 74LS74 两分频产生 1 脉冲 微秒信号接入计数器 8254 的 CLKO 端 8254 通道 0 工作在方式 3 下 OIJT0 端输出方波信号至带预置端和清除端的 D 型触 发器 74LS74 时钟端 再输出到 ISA 插槽的中断请求端 IRQn 邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑 3 5 使能报警 I 0 电路 使能报警 I O 主要任务就是完成电机的控制与状态的检测 这些功能由特殊 的电机控制 I O 部件实现 与常规工 O 接口相比 应具有更高的可靠性 能够阻 断或抑制工业现场的各种干扰经由 I 0 通路进入计算机 保证计算机的稳定工作 而且必须能在计算机与输入输出装置之间进行必要的信息形式转换 如电动机的启 停信号 开关量的开闭信号 零点检测信号等就必须经过信息形式的转换 通过使 能控制电路可以接通和关断至伺服驱动器的模拟量输出 从而在紧急情况出现时停 止电动机的运行 嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲 使能报警 I O 部件主要由一片 74LS244 一片 74LS273 加上光电隔离 TLP52 4 构成 主 CPU 可通过写命令接通和关断使能 并可查询使能状态 TLP52 4 是 TOSHIBA 公司生产的 16 引脚 DIP 封装 能提供 4 个单独隔离电路 其主要作用有 1 为了防止强电干扰以及其它干扰信号通过信号 I O 控制回路进入计算机 将输 入与输出端两部分电路的地线分开 各自使用一套电源供电 2 可以进行电平转 换 该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 16 3 6 倍频辨向电路与脉冲接收电路 倍频鉴向电路的功能有两个 一是鉴别方向 即根据整形环节输出的两路方波 信号 A 和 B 的相位关系确定出电机的旋转方向 二是将 A 和 B 两路信号进行脉冲倍 频 即将一个周期内的一个脉冲 方波 变为四个脉冲 这四个脉冲两两相距 1 4 周期 因一个周期内的一个脉冲表示工作台移动了一个栅距 这一个周期内的四个 脉冲中的每一个则表示了工劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙 作台移动了 1 4 栅距 这样就提高了光栅测量装置的分辨率 图3 2 是脉冲接收电 路 倍频鉴向电路和零 点检测电路的框图 实现脉冲接收电路 倍频鉴向电路和零点检测电路如图 3 3 所示 脉冲接收电路主要由带有 3 个输出通道的单片四路线性接收器 75175 构成 能满足 RS 423 RS 485 等标准协议 75175 接收电机传来的 A A B B Z Z 脉 冲 同时输出 A B Z 三种脉冲到倍频电路 倍频电路由两片斯施密特触发输入双 单稳多谐振荡器 74LS221 组成 这种倍频电路应用比较方便 工作也十分可靠 臠龍 讹驄桠业變墊罗蘄 此外 从图 3 2 也可以看出 真正实现四倍频 M1 M2 M3 和 M4 还需要 或 起来 这将由鉴向电路完成 鉴向线路实际上是由一个双 四选一 线路所组成 双 四选一 线路用专用的集成电路 74LSl53 构成 其真值表见表 3 2 A B Z 三种脉冲通过逻辑与门 74LS21 接入到触发器 74LS74 的时钟端 CP 来构成零点检测 电路 鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞 表 3 2 双 四选一 线路真值表 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 17 数据选择数据选择输出 ENAENBY 00Y C0 01Y C1 10Y C2 11Y C3 如果我们用 lY 表示正向脉冲输出端 2Y 表示反向脉冲输出端 根据 四选一 线路的真值表 可以画出方波 A 滞后于 B 即电机正向旋转 和 A 超前于 B 即电机反 向旋转 时的波形图如图 3 4 所示 从图中可以看出 当电机正向旋转时 在 1Y 段 输出了一系列代表移动距离的数字脉冲 而 2Y 端为低电平 反过来 当电机反向 旋转时 在 1Y 端为低电平 而穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺 2Y 端输出了一系列代表移动距离的数字脉冲 因次 只要 1Y 端有脉冲 就表示电 机 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 18 图 3 3 脉冲接收电路 倍频鉴向电路及零点检测电路 正向旋转 若 2Y 端有脉冲 则表示电机反向旋转 A 1 B 2 CLR 3 Q 4 Q 13 Cext 14 RCext 15 U24A 74LS221 A 1 B 2 CLR 3 Q 4 Q 13 Cext 14 RCext 15 U24A 74LS221 A 1 B 2 CLR 3 Q 4 Q 13 Cext 14 RCext 15 U25A 74LS221 A 1 B 2 CLR 3 Q 4 Q 13 Cext 14 RCext 15 U25A 74LS221 I0A 6 I1A 5 12A 4 13A 3 EA 1 ZA 7 I0B 10 I1B 11 I2B 12 I2C 13 EB 15 ZB 9 S0 14 S1 2 U26 74LS153 1 2EN 4 1A A2 1B A1 2A B6 2B B7 1Y 3 2Y 5 U23A 75175 1 2EN 4 1A A2 1B A1 2A B6 2B B7 1Y 3 2Y 5 U23B 75175 R15 R16 5V 检检检检检检 R17 5V C2 C3 R19 R18R20 C4 5V C5 R21 5 U10CLK1 U10CLK2 M4 M2 检检检检检检 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 19 伺服控制卡上的计数电路由一片可编程定时 计数器 8254 组成 8254 包含三 个独立的 16 位计数器 其中 通道 0 工作于方式 3 用于对时钟源 频率为 2Mt z 进行分频 其输出作为中断定时器 通道 1 通道 2 工作于方式 3 用来接收倍频 鉴向电路输出脉冲 进行加减计数 计算机在每个采样周期内 首先读取计数器的 值作为坐标轴实际运动位置 隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽 然后与坐标轴的期望位置命令相比较 算出当前坐标轴的偏差 接着对偏差进 行 PID 运算 得到进给速度的数字量 通过 D A 转换 经过电压放大输出双极性 控制信号 为伺服电机提供速度指令电压 实现位置控制 浹繢腻叢着駕骠構砀湊 3 7 数模转换电路 数模转换的主要任务是把比较器的数字量转变为电压信号 图 3 5 是数模转换 电路框图 计算机将实际位置与反馈位置做减法运算 此位置误差经数字 PID 调节 后送到数模转换器 经 D A 转换为直流电压送到伺服电动机的控制输入端 驱动 电动机旋转到指定的位置 鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝 本模块选用 MAXIM 公司生产的 MX7545A MX7545A 是分辨率为 12 的乘法型 DAC 转换器 内部带有两级缓冲器 由于 CPU 的数据总线宽度小于 D A 转换器的分辨 率 因此必须分两次送出数据 先送高字节 后送低字节 因此 在电路中加了锁 存器 74LS273 数模转换电路如图 3 6 所示 MX7545A 输入数据线的低 8 位 DB7 DB0 连到数据总线的 D7 D0 高 4 位 DB11 DB8 接到锁存器 74LS273 的 4Q 1Q 写 信号 WR 直接连到系统的 IOW 线上 CS 接 Y4 Y3 与 IOW 经过或运算接到锁存器 74L8273 的时钟端 惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 20 当译码输出 Y3 0 或者 而矿有效 即lOW 0 则向 锁存器写入高4 位数据 当 Y4 0 此时若 IOW 0 则 12 位数据一起写入 MX7545A 开始 D A 转换 贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐 为了增强驱动能力 需运算放大器来进行电压放大 驱动伺服电机 运算放大 器采用的是 OP07 经过两极放大 输出双极性控制信号 另外 由于存在零点偏移 非线性误差及温度漂移等原因 为了得到一定精度的 D A 转换结果 外接了调零 和调满刻度电位器 嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲 DB11 4 DB10 5 DB9 6 DB8 7 DB7 8 DB6 9 DB5 10 DB4 11 DB3 12 DB2 13 DB1 14 DB0 15 CS 16 WR 17 OUT1 1 AOND 2 RFB 20 DOND 3 Vref 19 vdd 18 D1 3 Q1 2 D2 4 Q2 5 D3 7 Q3 6 D4 8 Q4 9 D5 13 Q5 12 D6 14 Q6 15 D7 17 Q7 16 D8 18 Q8 19 CLK 11 CLR 1 U 74LS273 1 2 3 Y3A 74LS273 12 12 12 12 R27 R13R12 R22 R23 R14 R28 W1 W2 C1 D7 12 D1 D3 12 5 长春工业大学人文信息学院 毕业论文设计 伺服运动控制器的研制 21 图 3 6 数模转换电路 第四章 系统 CMOS 实时时钟硬件中断定时 4 1 Windows 系统中时钟的选择 在数控加工中 需要进行多任务的实时处理 特别是在系统中必须选