基于ARM的伺服电机控制器设计

2009届毕业生毕业论文题目基于ARM的伺服电机控制器设计院系名称电气工程学院专业班级自动0501学生姓名郭海亮学号20054280103指导教师于心俊教师职称高级实验师2009年06月10日I摘要运动控制技术能够快速发展得益于计算机、高速数字处理器、自动控制、网络技术的发展。基于ARM的控制器逐步成为自动化控制领域的主导产品之一。高速、高精度以及具有良好可靠性始终是运动控制技术追求的目标。本文介绍了基于ARM伺服电机控制器的设计。该控制系统采用PHILIPSLPC2114芯片作为控制核心，经D/A转换控制伺服电机驱动器，从而控制伺服电机的转速。该系统通过硬件实现智能控制算法，同时完成任务的合理调度及实时控制。在该系统中设计一种实时性强的自适应在线插值模糊控制器，具有良好的稳定性、较好自适应性、高可靠性、快速性、高的跟踪精度。本文实现运动控制技术对高速、高精度的追求目标，设计并实现以微处理器为核心的控制器，改变了传统单片机运算能力和控制功能不足的现状和弱点。可以对电机的转速位移进行智能化，精确化控制。关键词ARM；伺服电机；D/A数据采集；控制器IITITLEDESIGNINGOFSERVOMOTORCONTROLLERBASEDONARMABSTRACTMOTIONCONTROLTECHNOLOGYCANBENEFITFROMTHERAPIDDEVELOPMENTOFCOMPUTERS,HIGHSPEEDDIGITALPROCESSORS,AUTOMATICCONTROL,THEDEVELOPMENTOFNETWORKTECHNOLOGYARMBASEDCONTROLLERHASGRADUALLYBECOMETHEDOMINANTAREAOFAUTOMATIONANDCONTROLPRODUCTSTHEGOALISALWAYSHIGHSPEED,HIGHPRECISIONANDRELIABILITYWITHGOODMOTIONCONTROLTECHNOLOGYTHISARTICLEINTRODUCESDESIGNINGOFSERVOMOTORCONTROLLERBASEDONARMTHECONTROLSYSTEMADOPTSPHILIPSLPC2114CHIPCONTROLSERVOMOTORDRIVESTOTHED/ACONVERTERHARDWAREIMPLEMENTATIONOFTHESYSTEMTHROUGHTHEINTELLIGENTCONTROLALGORITHM,ANDAREASONABLESCHEDULETOCOMPLETETHEIRTASKSANDREALTIMECONTROLINTHISSYSTEMDESIGNAREALTIMEONLINEADAPTIVEFUZZYCONTROLLERINTERPOLATION,ITHASAGOODSTABILITY,GOODSELFADAPTIVE,HIGHRELIABILITY,RAPID,HIGHPRECISIONTRACKINGINTHISARTICLE,MOTIONCONTROLTECHNOLOGYTOACHIEVEHIGHSPEED,HIGHPRECISIONOFTHEPURSUITOFOBJECTIVES,DESIGNANDREALIZATIONOFTHEMICROPROCESSORASTHECOREOFTHECONTROLLERTOCHANGETHETRADITIONALSINGLECHIPCOMPUTINGPOWERANDINSUFFICIENTCONTROLSANDWEAKNESSESMOTORSPEEDCANBECARRIEDOUTONINTELLIGENTOFACCURATECONTROLKEYWORDSARM；SERVOMOTOR；D/ADATAACQUISITION；CONTROLLERIII目次1绪论111引言112国内外发展现状12相关技术简介1321ARM原理简介1322伺服电机的控制原理简介203系统设计2431ARM微控制器PHILIPSLPC2114简介2432系统总体设计2633继电器驱动电路设计3334系统软件设计33结论38致谢39参考文献40附录系统硬件电路图4211绪论11引言随着工业的发展，嵌入式技术应用日益广泛和成熟。ARM处理器因其具有高性能、低功耗、低成本等显著优点，已被广泛应用于工业控制、消费电子、汽车、网络等各类行业。一些基于ARM7TDMI内核的微控制器都可支持DSP运算并能够达到较高的运算指标，节约成本并降低系统的复杂性，使其在变频系统中有着良好的发展前景。嵌入式系统是近年来逐渐发展起来的面向控制、监视的实时系统，它的特点是采用高速处理器，体积小，集成度高，运算速度快，存储器容量大，功耗低，支持多种网络接口。本文讨论了一种基于ARM微处理器的交流伺服电机控制器设计。我们这儿的伺服电机选择交流伺服电机，交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。12国内外发展现状121嵌入式技术发展概况嵌入式微机工业控制技术是20世纪以来在计算机应用实践中产生和发展起来的非常经济实用的一种自动化技术,它集电气、机械、计算机、通信等技术于一体,具有速度快、工作方式灵活、可靠性高、信息处能力强等特点,在工业领域中已得到广泛的应用。目前国内工业控制中用的嵌入式工控设备的趋势是用16位或32位微处理器替代。本设计采用嵌入式微处理器ARM,将控制板、电源和被控制设备集成于一体,形成嵌入式一体化工业控制机。虽然利用ARM只控制电机略显奢华,但是对于多信息的受对象而言,ARM的优点将凸现无疑。基于ARM的电机机控制器是一种集电动机保护、测量、控制和通信于一体的新型多功能智能化保护与测控电器。这种控制器将热继电器、漏电保护器、欠过2压保护继电器、热电阻保护器、时间继电器、变送器、测量互感器的功能融为一体，汇集了分立元器件的优点并克服其缺点，同时有很优异的控制精度，并具有模块化的多功能智能化电器为电机保护与控制系统提供了一种新型的理想的解决方案。一些基于ARM7TDMI内核的微控制器都可支持DSP运算并能够达到较高的运算指标，节约成本并降低系统的复杂性，使其在变频系统中有着良好的发展前景。LPC2214ARM微控制器是PHILIPS公司生产的基于ARM7TDMIS核的芯片，特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机。整个系统采用双闭环矢量控制，实验结果证明了该设计思想的正确性，实际为伺服机控制器的选型和开发提供了一个新的思路。在某些传动领域内，需要对被控对象实现高精度的位置控制，而实现精确位置控制的一个基本条件是需要有高精度的执行机构。当脉冲当量和进给速度都要求太高时，传统的步进电机或直流伺服电机将面临一系列问题，且实现起来难度大，成本较高。随着现代工业自动化程度的逐渐提高，交流伺服系统的应用已成为工业控制的主流，并且在当代工业设备生产中占有相当重要地位。用ARM微控制器可以用很低的成本实现很复杂的控制方案。随着计算机技术、网络技术和微电子技术的深入发展，嵌入式系统的应用无处不在。ARM是目前公认的业界领先的32位嵌入式RISC精简指令计算机微处理器。ARM技术日益成熟和不断发展，正在逐步渗入到我们生活的各个方面。首先了解嵌入式系统的基本概念，随之了解由ARM微处理器构成的嵌入式系统简称ARM嵌入式系统的基础知识，最后认识一下ARM技术的产业化发展过程及发展趋势。嵌入式系统的英文叫做EMBEDDEDSYSTEM，是一种包括硬件和软件的完整的计算机系统，但又跟通用计算机系统不同。嵌入式系统的定义是嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统所用的计算机是嵌入到被控对象中的专用微处理器，但是功能比通用计算机专门化，具有通用计算机所不能具备的针对某个方面特别设计的、合适的运算速度、高可靠性和较低比较成本的专用计算机系统。ARM是ADVANCEDRISCMACHINES的缩写，是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量廉价、高性能、低功耗的RISC处理器、相关技术及软件。ARM技术有很好的性能和功效，其合作伙伴包括世界许多顶级的半导体公司。目前，共有33O家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议，其中包括INTEL、IBM、LG半导体、NEC、SONY、PHILIPS和国家半导体这样的大公司。可以说，ARM不仅仅代表一个公司，代表了一类微处理器，代表了一种技术，还代表了一种新型的产业发展模式。ARM（ADVANCEDRISCMACHINES）适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行。（ARM体系结构目前被公认为是业界领先的32位嵌入式RISC微处理器结构ARM体系结构为满足ARM合作者以及设计领域的一般需求正稳步发展。每一次ARM体系结构的重大修改，都会添加极为关键的技术。在体系结构作重大修改的期间，会添加新的性能作为体系结构的变体。目前ARM的收入来源已经实现了多元化首先是专利授权费用，这是客户采用ARM专利时一次性付给ARM的费用；其次是按照一定比例收取客户产品的专利使用费，即客户每卖出一片芯片，就收取同等比例的费用。这两项专利技术收入分别占公司总收入的40和30。另外，该公司在设计工具销售方面的收入有15左右，剩下的来自设计顾问服务和培训支持服务等。值得注意的是，在2003年第一季度，ARM专利使用费用比上一季度大幅上涨了33，而其合作伙伴卖出的芯片数量也127亿片上升到178亿片。这表明，ARM不仅仅自己发家致富，也为合作伙伴带来了财运。正是采用共生共存的合作方式，ARM为客户创造利润的同时，也为自己觅得了商机。ARM公司成立于1990年11月，全称是“ADVANCEDRISCMACHINESLTD”，它是由英国ACORN公司提供技术和12名工程师、美国苹果电脑和VLSITECHNOLOGY（目前已被飞利浦收购）出资合手组建的美英混血公司。ARM的第一个客户就是苹果电脑公司，为其新开发的NEWTON掌上电脑提供高速度、低功耗的RISC（精简指令集算法）处理器。由于ARM只有技术，缺乏资金来购买昂贵的芯片制造、封装和测试设备，因此ARM授权伙伴公司VLSITECHNOLOGY生产，并提供必要的技术支持，这种合作方式的初步成功也为今后ARM的发展模式奠定了基础。在以后的几年中，ARM凭借高超的技术和相对低廉的授权方式，赢得了不少客户的青睐，这其中包括大名鼎鼎的夏普、GECPLESSEY、德州仪器和CIRRUSLOGIC4等厂商。由于ARM的授权方式灵活多变，价格相对便宜，在技术上也独树一帜，因此加入ARM联盟的厂商越来越多,目前全球有112家厂商在使用ARM公司的技术授权，而以微软和SUN为首的一批知名公司也为ARM处理器开发软件。2000年，全球ARM处理器的发货量达到4亿；到2001年，ARM处理器就拥有超过768的RISC处理器的市场份额；2002年则几乎垄断了全球嵌入式RISC处理器市场。据DATAQUEST的最新报告显示，2002年ARM公司再次成为排名第一的IP提供商，其市场份额高出排名第二RAMBUS公司约一倍左右。在ARM的客户名单中，全是业界耳熟能详的名字英特尔、三星、德州仪器、摩托罗拉和美国国家半导体等，几乎涵盖了所有芯片厂商。在半导体消费普遍衰退的今天，ARM能够逆市上扬，给人们留下太多的启示，可见RAM具有很强的市场发展潜能。ARM公司开发了一系列ARM处理器核。目前最新的系列已经是ARM11了。ARM6及更早的系列已经罕见了，ARM7以后的核也不是都获得广泛应用。目前应用最多的是ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM1O系列、SECURCORE系列、INTEL的STRONGARM、XSCALE系列。ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMIS、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T和扩充了IAZELLE的ARM7EJS。该系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括INTERNET设备、网络和调制解调器设备以及移动电话、PDA等无线设备。ARM9系列包括ARM9TDMI、ARM92OT和带有高速缓存处理器宏单元的ARM940T。该系列主要应用于引擎管理、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、PDA、网络电脑以及带有MP3音频和MPEG4视频多媒体格式的智能电话中。ARM9E系列为综合处理器，包括ARM926EJS、带有高速缓存处理宏单元的ARM966ES、ARM946ES。该系列强化了数字信号处理功能，可应用于需要DSP与微控制器结合使用的情况，将THUMB技术和DSP都扩展到ARM指令集中，并具有EMBEDDEDICERT逻辑，更好地适应了实时系统的开发需要。RM10系列包括ARM1020E和ARM1020E微处理器核。其核心在于使用向量浮点VFP单元VFP10提供高性能的浮点解决方案，从而极大地提高了处理器的整型和浮点运算性能，为用户界面的2D和3D图形引擎应用夯实基础，如视频游戏机和高性能打印机等。SECURCORE系列包括SC100、SCLL0、SC200和SC210处理器核。该系列主要针5对新兴的安全市场，以一种全新的安全处理器设计为智能卡和其他安全IC开发提供独特的32位系统设计，并具有特定的反伪造方法，从而有助于防止对硬件和软件的盗版。STRONGARM系列STRONGARM处理器将INTEL处理器技术和ARM体系结构融为一体，致力于为手提式通信和消费电子类设备提供理想的解决方案。XSCALE系列提供全性能、高性价比和低功耗的解决方案，支持16位THUMB指令和DSP指令。随着中国经济的迅速崛起和人民生活水平的普遍提高，中国已经成为全球最大的半导体消费市场，中国电子产品企业的营业收入也在逐年上升。但是我们也注意到，中国电子产业的利润率却并没有随之增长。这其中的一个主要原因是缺乏创新。但是，缺乏创新并不意味着没有创新。重邮信科研制成功的全球第一颗采用013微米工艺的TDSCDMA手机核心芯片，大唐微电子的COMIP芯片平台，杰得微电子的中国第一颗013微米多媒体应用处理器Z228，海思半导体的WCDMA基带芯片和IPTV及DTV多媒体芯片，国微技术的PCMIACAM芯片，这些都是非常优秀的创新。很多朋友都看到过我最近使用的一部超薄11L2MM手机TCLV9，它的多媒体处理器芯片C625是由上海复旦微电子和智多微电子联合设计的并且在中芯国际018微米工艺制造，它的操作系统和应用程序是由一家深圳公司编写的。正是这样一部完全由“中国设计”并且“中国制造”的手机，具有卡拉OK、MP3、MPEG4、摄像、USB等多种功能。这样一个三四年前中国半导体企业可能连想都不敢想的成就，现在已经成为了现实，这正是一个非常了不起的创新这些成功的案例显示了中国企业创新的能力和决心，相信随着时间的推移，我们会听到越来越多类似的消息，中国电子行业也将由此而实现真正的腾飞。ARM可以提供业界最广泛的处理器选择，从1美元的MCU到频率达到1GHZ的CORTEXA8处理器；我们提供广泛的工具和软件，帮助工程师设计基于ARM的系统；我们提供业界领先的ARTISAM物理JP，帮助客户的设计能够以最先进的工艺生产；更重要的是，ARMCONNECTEDCOMMUNITY中有数百个成员，它们一起构成了一个庞大而完善的生态系统，我们的合作伙伴能够在其中找到合适的资源来帮助他们实现产品的设计和开发。ARM已经不再是一个单纯的CPU技术提供商，而是一个完整的数字世界系统解决方案提供商。由于投资和风险巨大、缺少自主的核心技术,虽然在中低端微处理器方面有了6一定进展,但在设计和制造高性能处理器芯片方面一直是我国业的“芯病痛,要达到当代处理器的国际先进水平,还难以在短期内有大的突破。即使已经具有设计和制造先进微处理器的能力,还一时无法成为市场的主流产品,不会改变世界计算机市场的格局。而ARM体系结构的产品,已经几乎成为嵌人式RISC芯片的垄断机种,通过购买合法授权就可以得到相关的设计和制造技术,在主流芯片的设计和制造中占有一席之地,相对风险要小得多。ARM公司也非常看好中国的市场,已开始与中兴公司合作,并十分希望与国内更多的企业合作,应该说双方只要抓住机会就很可能实现双赢。有了这样一个大的创新平台，中国企业足以更快的速度应用技术设计生产出更具创新性的产品。ARM预计2010年全球基于ARM技术的产品的年付运量将达到45亿。这些数字在四五年前是没有人会相信的，但事实证明ARM技术正在被越来越多的数字产品选用。嵌入式系统已经成为数字世界的发展趋势，ARM将继续致力于以最优秀、最全面的技术和支持来帮助中国企业取得成功。122伺服电机控制技术发展概况现代电机控制理论发展使机床数控伺服系统实现交流化、数字化、智能化机床数控系统中，常用的伺服电机和控制系统有1开环控制系统采用步进电机作为驱动器件，无须位置和速度检测器件，也没有反馈电路，控制电路简单，价格低廉。步进电机和普通电机的区别主要就在于它的脉冲控制，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机，步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。2半闭环和闭环位置控制系统采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动部件，可以采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，也可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。70年代，美国GATTYS公司发明了机床用直流力矩伺服电机，从此各国数控7机床开始大量采用直流伺服电机驱动。开环系统逐渐由闭环系统取代。以直流伺服电机作为驱动器件的直流伺服系统，控制电路比较简单，价格较低。其主要缺点是直流伺服电机内部有机械换向装置，碳刷易磨损，维修工作量大，运行时易起火花，给电机的转速和功率的提高带来较大的困难。交流异步电机虽然价格便宜、结构简单，但早期由于控制性能差，所以很长时间没有在数控系统上得到应用。随着电力电子技术和现代电机控制理论的发展，1971年，德国西门子的BLASCHKE发明了交流异步机的矢量控制法1980年，德国人LEONHARD为首的研究小组在应用微处理器的矢量控制的研究中取得进展，使矢量控制实用化。从70年代末，数控机床逐渐采用异步电机为主轴驱动电机。如果把直流电机结构进行“里翻外”的处理，即把电枢绕组装在定子，转子为永磁部分，并以转子轴上的编码器测出磁极位置控制电子开关进行电子换相，这就构成了永磁无刷直流电机。这种交流伺服电机具有良好的伺服性能。从80年代开始，逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。交流伺服系统采用交流伺服电机作为驱动器件，可以和直流伺服电机一样构成高精度、高性能的半闭环或全闭环控制系统，由于交流伺服电机内是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高。目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中，伺服技术取得的突破可以归结为交流伺服取代直流伺服、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。这两种突破的结果产生了交流数字驱动系统，应用在数控机床的伺服进给和主轴装置上。由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，采用高速微处理器和专用数字信号处理器DSPDIGITALSIGNALPROCESSOR的全数字化交流伺服系统出现后，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。原来的硬件伺服控制变为软件伺服控制，一些现代控制理论中的先进算法得到实现，进而大大地提高了伺服系统的性能，例如OSPU10/U100网络式数控系统的伺服控制环就是一种高性能的伺服控制网，它对进行自律控制的各个伺服装置和部件实现了分散配置，网络连接，进一步发挥了它对机床的控制能力和通信速度。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强，大大推动了高精高速加工技术的发展。采用状态观察器和卡尔曼滤波器可以进行电动机参数的在线辨识采用滑模变结构控制可增强电动机控制系统的鲁棒性。如能将各种智能控制理论有机地结合起8来，必将开创交流伺服控制的新天地。如模糊控制和神经元网络控制都不需要精确的对象模型和参数，使系统具有很强的鲁棒性。传感器检测技术的发展也极大地提高了交流电动机调速系统的动态响应性能和定位精度。普遍采用的霍尔传感器具有小于1S的响应时间。交流电动机调速系统一般选用无刷旋转变压器、混合型的光电编码器和绝对值编码器作为位置、速度传感器。随着它们的转速、分辨率的不断提高，系统的动态响应、调速范围以及低速性能也相应提高。传统的具有A、B两相信号的编码器，由于它不能兼顾分辨率和高速度，且信号线太多，从而影响了高精度、高速度的伺服系统的实现。而新型的编码器则克服了上述缺点，如日本FANUC公司生产的脉冲编码器绝对型，由于它将来自正余弦信号的角度转化成数字量，使它具有4000R/MIN的高速以及高达1000000P/R或65536P/R的分辨率。另外，伺服电动机本身也在向高速方向发展，与上述高速编码器配合实现了60M/MIN甚至100M/MIN的快速进给和1G的加速度。而在电动机磁路设计上也作了改进，使电动机旋转更加平滑，再配合高速数字伺服软件，可使电动机即使在小于1M转动时也显得平滑而无爬行。以IGBT绝缘栅双极型晶体管和IPM智能功率模块等新型电力电子器件为基础的新一代高载波、低噪声变频器的开发，以及新的控制软件的引入，把变频调速引入了一个全新的领域，使原来仅用于开环控制的变频器演变成了既能用于开环控制,也能用于闭环控制的称之为“通用型驱动器”。以英国的CT公司的UNIDRIVE产品和德国AMK公司的AMKASYN产品为代表，使变频器登上了新的舞台。下面以CT公司的UNIDRIVE产品为例，给予简单的介绍。CT公司在1996年推出了通用型驱动器系列产品。它的控制板主要由INTEL80166CPU、快闪存储器以及3片CT公司设计的专用芯片组成，硬件高度集成化，控制板芯片数量仅为当前市场上通用变频器的1/4。它按功率可分成5个等级，其中等级1输出功率为0754KW为基本单元，等级5额定功率为120KW它由基本单元加上扩展功率单元组成，最多可8台并联，组成1000KW功率输出。通用型驱动器配置有大量的参数和20个菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下,方便地设置成V/F控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式，适用于各种场合。通用型驱动器的出现，将大大降低机床用进给系统和主轴系统的硬件成本。3机床大功率电主轴的高速化、一体化9当前，世界数控技术及其装备发展趋势之一是高速、高效、高精度。从80年代开始，由于数控机床的主轴、进给系统等功能部件的突破，数控机床的主轴转速和进给速度都大幅度提高，以及制造技术的全面进步，使金属切削加工进入了高速切削的新阶段。90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速电主轴单元转数在30000R/MIN有的高达1105R/MIN以上工作台的移动速度进给速度在分辨率为1M时,在100M/MIN有的到200M/MIN以上,在分辨率为01S时，在24M/MIN以上。为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。超高速加工是继数控技术之后，使制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术。超高速机床是实现超高速加工的物质基础，而高速主轴单元则是超高速机床的“核心”部件，它的性能直接决定了机床的超高速加工性能。最佳适合高速运转的主轴形式是将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，形成电主轴，实现机床主轴系统的一体化、“零传动”。电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。电主轴的工作转速极高，这对其结构设计、制造和控制提出了非常严格的要求，并带来了一系列技术难题，如主轴的散热、动平衡、支承、润滑及其控制等。在应用中，必须妥善解决这些技术难题，才能确保电主轴高速运转和精密加工的可靠性。电主轴一体化所融合的技术包括A高速电机技术。电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡B高速轴承技术。电主轴通常采用复合陶瓷滚动轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限C油雾润滑。电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑也可以采用脂润滑，10但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。D冷却装置。为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。E内置脉冲编码器。为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。主轴系统所用的位置编码器分辨率也已达到360000P/R。F高频变频装置。要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千HZ。当前高速高精加工机床一般都使用矢量控制的变频驱动电主轴，常内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的准确配合，电机定子和主轴轴承用恒温水循环冷却。所使用的主轴轴承主要是定时定量油气润滑的高精度陶瓷球角接触球轴承，转速不太高的机床也有采用脂润滑的。主轴与刀具的接口以适合高速加工的HSK等接口为主，但也可选择传统的724锥孔。对精度的要求，主轴径向跳动小于2M，轴向窜动小于1M，轴系不平衡度达到G04级。预计在2010年前，油气润滑的陶瓷球轴承电主轴依然是主流，空气静压轴承、电主轴和磁悬浮轴承电主轴仍会比较少。主轴传动用电动机和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。当代电主轴所使用的电机，不仅有异步交流感应电机，还有永磁同步电机，后者在相同功率下，外形尺寸较小，且转子为永久磁铁不发热。高速主轴单元技术在一些工业发达国家已经发展到较高水平，并被广泛应用于高速机床行业，已经产生了巨大的经济效益。为了满足国内发展高速、高精度数控机床的需求，在“九五”期间通过攻关，我国开发出了主轴功率为25KW29KW、扭矩为486NM、能应用于数控机床和加工中心的电主轴，并且已装备了部分国产数控机床。但是从总体上讲，国产的电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种11和质量都有较大差距，所以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴，仍然主要从国外进口。而高速电主轴单元技术是制约我国超高速加工技术的瓶颈。为了赶上高速加工技术发展的潮流，我国正在不断加大对超高速加工关键功能部件电主轴单元的研究力度。目前，国家高效磨削工程技术研究中心承担了国家“十五”攻关计划课题“高速主轴单元的研究开发与应用”，正在为提升我国的电主轴单元技术水平而不断努力。4以直线电动机直接驱动的直线伺服进给技术已趋成熟高速高精加工机床的进给驱动，主要有传统的“旋转伺服电机精密高速滚珠丝杠”和新型的“直线电机直接驱动”两种类型。滚珠丝杠由於工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高ISO34081级，而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度90M/MIN，加速度15G。但滚珠丝杠毕竟是机械传动，从伺服电机到移动部件间有一系列机械元件，势必存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应造成运动滞后和其它非线性误差，目前滚珠丝杠副的移动速度和加速度已提高较多，再进一步提高的余地有限。自1993年，在机床进给上开始应用直线电机直接驱动，它是高速高精加工机床特别是其中的大型机床更理想的驱动方式。目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达208M/MIN，加速度2GMAZAK的HMCF3660L加工中心的水平，并且还有发展余地。与滚珠丝杠传动相比，直线电机直接驱动的优点是A高刚度。直线电机直接和负载连接，没有间隙，有更高的动态刚度。B更宽的速度范围。现代电机技术，很容易实现宽调速，速度变化范围可达110000以上。例如，美国科尔摩根公司DDL永磁直线电机高速大于5M/S，低速1M/S。C加速特性好、运动惯量小、有更高动态响应性能。运行平稳，位置精度高基本上取决于位置反馈检测元件。D无行程限制。采用模块结构,可接长适应不同行程要求。采用直线电机直接驱动省去了一切中间机械传动，从根本上减小了机械摩损与传动误差，减少维护工作。E轨迹误差小，高速下可获得良好的定位精度。电机直接驱动的优点正好弥补滚珠丝杠传动的不足，与滚珠丝杠传动相比，其速度提高30倍，加速度提高1012倍，最大达10G，刚度提高7倍，最高响应频率达100HZ。直线电机直接驱动也存在一些缺点和问题，除控制难度大中间没有缓冲环节和存在端部效应外，还存在强磁场对周边产生磁干扰，影响滚动导轨副的寿命，同时给排屑、装配、维修带来困难，以及发热大、散热条件差。需解决散热、隔磁、足够的推力、自锁和移动部件轻量化等方面的问题，才能在机床上实际应用，同时成本较高也影响其推广应用。目前这些问题都已得到不同程度的解决，采用者愈来愈多。交流直线伺服电机也有感应异步式和同步式两大类，同步式次级为永久磁钢由于效率高、推力密度大、可控性好等优点，尽管其对隔磁防尘要求较高和装配较困难，现在也已成为机床用直线电机的主流。例如，美国INGERSOLL铣床公司生产的HVM800高速卧式加工中心，X、Y、Z三轴都采用永磁同步直线伺服电机，最大进给速度可达762M/MIN，最大加速度15G。在高速高精加工机床领域，直线电机驱动和滚珠丝杠驱动虽然还会并存相当长一段时间，但总的趋势是直线电机驱动所占比重会愈来愈大，将来很有可能成为此种机床进给驱动的主流。现在世界各国的知名机床制造商比如以发展滚珠丝杠驱动闻名于世的日本MAZAK公司和韩国的大宇公司都纷纷推出直线电机驱动的机床，而德国的DMG公司，2001年便已销售装有直线电机的机床约1000台，2002年要翻番，计划为2000台。种种迹象表明，直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。132相关技术简介21ARM原理简介211ARM处理器概述ARM公司自1990年正式成立以来，在32位RISCREDUCEDINSTRUCTIONSETCOMPUTER开发领域不断取得突破，其结构已经从V3发展到V6。现在设计、生产ARM芯片的国际大公司已经超过50家，国内中兴通信和华为等公司也已经购买ARM公司的芯核用于通信专用芯片的设计。ARM微处理作为典型32位RISC架构的处理器，广泛运用于工控设备、智能仪表、汽车电子、网络设备、电子商务、信息家电、智能玩具、通信设备、移动存储以及军事电子领域。具有以下几个主要特点1体积小、低功耗、低成本；2支持THUMB16位和ARM32位双指令集，能很好地兼容8/16位器件；3大量使用寄存器，指令执行速度快；4大多数数据操作都在寄存器中完成；5寻址方式简单，执行效率高；6指令长度固定；7拥有全球众多的合作伙伴。随着ARM技术的发展，新的ARM处理器还集成了以下几个主要特点。1THUMB16位指令集，用以改善代码密度；2DSP用于DSP应用的算术运算指令集；3JAZELLER允许直接执行JAVA代码的扩充。目前，ARM处理器有以下几个系列的产品ARM7TDMI、STRONGARMARM720T、14ARM9TDMI、ARM922T、ARM940T、RM946T、ARM966T、ARM10TDM1等。自V5以后，ARM公司提供PICCOLODSP的芯核给芯片设计者，用于设计ARMDSP的SOCSYSTEMONCHIP结构的芯片。ARM7处理器是低功耗的32位微处理器，最适合于对价位和功耗要求较高的消费类应用，广泛运用于工业控制、网络设备、数据通信等领域。目前，ARM7处理器包括ARM7TDMI、ARM7TDMIS、ARM7EJS和ARM720T。ARM9微处理器是ARM7处理器的升级，是高性能和低功耗处理器的代表，采用11MIPS/MHZ的哈佛总线结构，广泛运用于无线设备、仪用仪表、数字成像、数字机顶盒和网络产品中。目前，ARM9系统微处理器主要有ARM920T、ARM922T、ARM940T等产品。ARM9EE表示增强DSP指令处理器作为可综合的处理器，使用单一的处理器内核，提供微处理器、DSP、JAVA应用系统的解决方案，广泛运用于工业控制、无线通信设备、数字消费电子产品、网络通信设备等领域。目前，ARM9E系统微处理器主要有ARM926EJS、ARM946ES、ARM966ES。ARM11囊括了THUMB2、CORESIGHT、TRUSZONE等众多业界领先技术，同时由单一的处理器内核向多核发展，为高端的嵌入式应用提供了强大的处理平台。ARMSECURCORE系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案，具有低功耗、高性能的特点以及对安全解决方案的支持，广泛应用于对安全性要求较高的应用产品及应用系统中，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。目前的ARMSECURCORE系列微处理器包含SECURCORESC100、SECURCORESC110、SECURCORESC200和SECURCORESC210。基于ARM的INTEL处理器包括STRONGARM和XSCALE两类产品，其融合了ARM处理器和INTEL公司设计方案。STRONGARM广泛运用于消费电子、通信产品、掌上电脑等领域；XSCALE则广泛运用于移动数字电话以及网络产品中。212ARM硬件体系结构（1）冯诺依曼体系和哈佛总线15众所周知，早期的微处理器内部大多采用冯诺依曼结构，以INTEL公司的X86系统微处理器为代表，如图21所示，采用冯诺依曼结构的微处理器的程序空间和数据是合在一起的，即取指令和取操作数都是在同一条总线上，通过时分复用的方式进行的，其每条指令的执行周期为TTF取指令TD指令译码TE执行指令TS存储时间在高速运行时，不能达到同时取指令和取操作数的目的，从而形成了传输过程的瓶颈。冯诺依曼结构被大多数微处理器所采用，其中，ARM7处理器即采用此体系结构。随着微电子技术的发展，以DSP和ARM为应用代表的哈佛总线技术应运而生，如图22所示，在采用哈佛总线体系结构的芯片内部，程序空间和地址空间是分开的，这就允许同时取指令来自程序空间和取操作数来自数据空间，从而使运算能力大大提高，目前，绝大多数的DSP以及ARM9以上系列ARM处理器内核都采用哈佛体系结构，同时，修正的哈佛总线结构还可以在程序空间和数据空间之间相互传送数据。（1）CISC和RISC指令集。复杂指令系统计算机的CISC微处理器是台式计算机系统的中心，其核心为运行指令的电路。指令由完成任务的多个步骤所组成，例如把数值传送进寄存器或进行相加运算，都是需要指令的，这些指令称为微代码MICROCODE，不同制造商的微处理器有不同的微代码系统，制造商可按自己的意愿使微代码做得简单或复杂。指令系统越丰富，微处理器编程就越简单，执行速度也越慢，而且设计这样的处理器的代价也就越大，但是由于指令系统丰富，对上层的支持会比较好。1979年，美国加州大学伯克利分校提出了RISCREDUCEDINSTRUCTIONSETCOMPUTER，精简指令集计算机的概念，RISC并非只是简单地减少指令，而是把着眼点放在了如何使计算机的结构更加简单、合理地提高运算速度上，其8/2原则促进了RISC体系结构的开发。RISC结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等措施来达到上述目的。复杂指令系统计算机CISC包含一个丰富的微代码系统，简化了处理器上运行程序的编制。主要有以下几个特点16A具有大量的指令和寻址方式；B大多数程序只使用少量的指令就能够运行。精简指令系统计算机RISC有一个精简的指令系统。从而提高了微理器的效率，但需要更复杂的外部程序，也就是把在处理器层没有完成的工作放到了上层进行，而处理器层减少的这些成本可以用在对物理器件速度的提高方面。RISC有下特点C8/2原则80的程序只使用20的指令；D采用LOAD/STORE指令模式，凡数据由外存到内存、内存到寄存器方向的流动统一用LOAD指令，而对于反方向的操作都用STORE；E用小指令集、多寄存器，指令执行简单快速；F统一用单周期指令，从根本上克服了CISC指令周期数不确定、偶发性不确定、运行失常等缺点。如图21和图22所示为CISC和RISC体系结构数据通道模型的比较。图21CISC体系结构数据通道模图22RISC体系结构数据通道模型（2）ARM处理器的指令流水线如图23所示为ARM7TDMI的指令流水线结构，ARM7TDMI采用3级流水线，分别为读取指令、解码指令和移位及ALU操作。FETCHDECODEEXECUTEARMTHUMBPCPCPC4PC2PC8PC4从存储器种读取指令解码指令寄存器读（从寄存器BANK）移位及ALU操作寄存器写（从寄存器BANK）图23ARM7TDMI的指令流水线结构ARM7TDMI处理器有两种操作状态AARM状态32位，按字排列的ARM指令集；BTHUMB状态16位，按半字排列的THUMB指令集。17ARM7TDMI核的操作状态可能通过BX指令分支和交换指令在ARM状态和THUMB状态之间切换。213ARM处理器内部结构（1）ARM7内部结构图及主要特点如图24所示是ARM7内部结构框图，包括ADDRESSREGISTER地址寄存器、ADDRESSINCREMENTER地址累加器、RESISTERBANK寄存器块、BOOTHSMULTIPLIER乘法器、32位ALU单元、READ/WRITEDATAREGISTER读/写数据寄存器、逻辑控制单元等部分。图24ARM7内部结构框图ARM7内核主要特点可综合为以下几点A32位的RISC结构处理器包括32位地址线和数据线；BLITTLE/BIGENDIAN小端/大端操作模式；C高性能RISC；D较低的电压损耗；E适用于对电源比较敏感的应用中；F快速中断响应；18G适用于实时系统；H支持虚拟内存；J支持高级语言；K具有简单但功能强大的指令系统。（2）ARM7功能结构简介根据ARM7的功能可以将其划分为以下几个部分。ACLOCKS时钟管理模块。由MEM时钟输入线MCLK和长时间等待信号线NWAIT组成，主要用来管理系统时钟。BPROCESSORMODE处理器工作模式选择模块。由处理器模式信号线NM40组成，输出信号为内部状态位的反向，表示处理器的操作模式。CINTERRUPTS中断模块。主要由外部中断信号线组成，用来处理系统外部所有的请求中断信号。EBUSCONTROLS总线控制模块。由总线使能信号线DBE和APE信号线组成，主要用来控制系统总线时序。FPOWER电源管理模块。提供系统所有芯片和器件的电源配置。HCONFIGURATION工作状态配置模块。配置系统状态，主要由BIGEND信号线控制系统是大端模型还是小端模式决定。IMEMORYINTERFACE存储器接口模块。管理系统存储器FLASH以及RAM存储器，主要由32根数据线和32根地址线组成。JMEMORYMANAGEMENTINTERFACE存储管理接口。管理存储器系统，如ABORT存储器异常信号线。KCOPROCESSORINTERFACE协处理器接口模块。如果系统需要配置协处理器，将使用协处理器接口单元。2ARM9内部及功能结构简介ARM9系列处理器主要包含ARM920T、ARM940T等类型，其内核处理器采用哈佛总线结构，分别由取指、解码、执行、存储和写操作等5级流水线组成，可以作为单独内核嵌入到其他复杂设备中。ARM9内核处理器同样支持32位和16位指令集，允许用户在此两种指令间切换。ARM9支持全性能的MMU。绝大多数嵌入式操作系统，如LIUNX、PALM、WINDOWCE等，可以方便地移植到ARM9中。以ARM9为内核的19处理器广泛运用于无线设备、仪器仪表、安全系统、数字机顶盒、高端打印设备、数字照相机和数字摄相机设备中。ARM9TDMI处理器内核采用ARMV4T架构，增加了可用的存储器宽度、指令存储器接口以及数据存储器接口，可以支持16位THUMB指令集和32位ARM指令，ARM9作为高性能的32位RISC处理器内核，可以实现对指令和数据存储器的同时访问。如图25所示为ARM9功能结构图，主要包含以下结构A16KB指令缓存和16KB数据缓存；B存储管理单元MMU，这是ARM7TDMI所没有的功能；C一个AMBAADVANCEDMICROPROCESSORBUSARCHITECTURE总线接口；D一个EMBEDDEDTRACEMACROCELLETM接口。图25ARM9功能结构图（3）XSCALE内部结构及功能INTEL公司为了应对市场需求，也生产了以ARM为内核的处理器INTELXSCALE类型。主要特点如下A数据CACHE的容量从8KB增加到32KB；B指令CACHE的容量从16KB增加到32KB；C微小数据CACHE的容量从512B增加到2KB；20D为了提高指令的执行速度，超级流水线结构由5级增至7级；E新增乘/加法器MAC和特定的DSP型协处理器CP0，以提高对多媒体技术的支持；F动态电源管理，使XSCALE处理器的时钟工作频率可达1GHZ、功耗16W，并能达到1200MIPS。XSCALE微处理器架构经过专门设计，核心采用了INTEL先进的018M工艺技术制造；具备低功耗特性，适用范围从01MW16W。同时，它的时钟工作频率将接近1GHZ。XSCALE系列处理器在075V时工作频率达到150MHZ，在10V时工作频率可以达到400MHZ，在165V下工作频率则可高达800MHZ。超低功率与高性能的组合使INTELXSCALE适用于广泛的互联网接入设备。在INTERNET的各个环节中，从手持互联网设备到互联网基础设施产品，INTELXSCALE都表现出了令人满意的处理性能。