伺服運動控制器的研制畢業論文設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 及位移檢測的任務，以便簡化機械部分和控制部分的結構。 2． 2 永磁交流同步伺服電動機的工作原理 永磁交流同步伺服電動機的工作原理可以通過圖 22來說明。 長春工業大學人文信息學院 畢業論文設計 伺服運動控制器的研制 8 永磁交流同步伺服 內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的 U/V/W 三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器 根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度 。 永磁體 NS交替交換，使位置傳感器產生相位差 120176。的 U、 V、 W 方波，每種狀態下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態，定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動 60176。電角度，轉子跟隨定子磁場轉動相當于 60176。電角度空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感器 U、 V、 W按約定產生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產生的磁場軸再前進 60176。電角度，如此循環，無刷直流電動機將產生連續轉矩，拖動負載作連續旋轉。正因為無刷直流電動機 的換向是自身產生的，而不是由逆變器強制換向的，所以也稱作自控式同步電動機。 2． 3 永磁交流同步伺服電動機的數學模型 條件 ： (1)忽略鐵心飽和； (2)不計渦流和磁滯損耗； (3)動子上沒有阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼作用。 (4)電動勢是正弦的。 在磁場定向矢量控制條件下 (I。 =0)，永磁交流同步伺服電動機的數學模型可描述如下 : 1．機械運動方程 Fe=M +Bv+Ff 長春工業大學人文信息學院 畢業論文設計 伺服運動控制器的研制 9 =Kfiq (24) Kf= φ f (25) 式中， M為電動機動子質量， B為粘滯摩擦系數， Ff為負載阻力， Fe為電磁推力，τ n為極距， φ f為永磁體有效磁鏈， μ 為動子線速度，且 v=2τ nf≈ vs (26) 式中， f為逆變器輸出的電源頻率， vs為電動機同步速度， kf為推力系數。 2． dq 軸電壓電流方程 ud=rdid vφ q+ = vφ q+ uq=rqiq+ v(φ f+φ d)+ =rqiq + vφ f+ 式中， =Ldid (29) =Lqi q (210) 式中， ud、 uq分別為動手 d 軸、 q 軸電壓； id、 iq分別為動 子 d、 q 軸電樞電流；φ d、 φ q分別為由動子 d、 q 軸電樞電流產生的 d、 q軸磁鏈： rd、 rq分別為動子 d、 q軸電阻； Ld、 Lq分別為動子 d、 q軸電感。 長春工業大學人文信息學院 畢業論文設計 伺服運動控制器的研制 10 第三章 伺服控制 系統 設計 系統 方案 設計 位置控制主要是對數控機床的進給運動的坐標軸位置進行控制。例如：工作臺前后左右移動，主軸箱的上下移動，圍繞某一直線軸旋轉運動等。軸控制是數控機床上要求最高的位置控制，不僅對單個軸 的運動和位置精度的控制有嚴格要求，而且在多軸聯動時，還要求各移動軸有很好的動態配合。位置伺服控制不同于普通電動機調速系統，它是以足夠的位置控制精度 (定位精度 )、位置跟蹤精度 (位置跟蹤誤差 )和足夠快的跟蹤速度作為主要的控制目標。系統工作原理框圖如圖 31所示。 該系統是以光電編碼器作為位置檢測元件的閉環位置伺服系統。編碼器輸出的脈沖必須由伺服控制卡的計數器進行加減計數，計算機在每個采樣周期內，首先讀取計數器的值作為坐標軸實際運動增量，然后與坐標軸的位置增量命令相比較，算出當前坐標軸的偏差，接著，對偏差 進行數字 PID 控制運算，得到進給速度指令的數字量，通過 D／ A轉換，電壓放大，為伺服裝置提供速度指令電壓，去驅動坐標軸運動，實現偏差的位置控制。 位置控制功能由軟件和硬件兩部分共同實現，軟件負責偏差和進給速度指令數值的計算。硬件主要由伺服控制卡組成，接收進給指令，進行 D／ A轉換，為速度單元提供命令電壓；同時位置反饋信號被處理，與指令值進行比較。伺服控制卡硬件實現框圖如圖 32 所示。從該圖可以看出，系統的硬件設計主要有以下部分組成：ISA 總線、總線驅動、數據鎖存及譯碼電路、中斷定時電路、使能報警 I/O 電路、倍頻 辨向電路、脈沖接收電路、數模轉換電路以及零點檢測電路。 長春工業大學人文信息學院 畢業論文設計 伺服運動控制器的研制 11 I SA 總線 ISA 總線是對 XT 總線的擴展，以適應 8/16 位總總線的要求。 ISA 總線共有 98 根信號線，它在 XT 總線 62 根線的基礎上向前延伸了 36 根，它的插頭、插槽有兩部分組成：一部分為 62 根總線連接器，分 A、 B 兩面，每面 31 線；另一部分是新增的 36 線連接器，分 C、 D 兩面，每面 18線。 62 線與 36 線之間有凹槽隔開，如此保證了與 XT 總線的兼容性 。 總線的特點： （ 1） ISA 總線能支持 16位 I/O 端口地址， 24 位存儲地址， 8/16 位數據存取，15 級可屏蔽中斷， 7 級 DMA 通道及能產生 I/O 等待狀態。 ISA 總線的數據傳送率為8MB/s。 （ 2） ISA 總線是一種多主控（ Multi master）總線，除 CPU 外，其他主控設備可以是 DMAC、 DRAM 刷新控制器和一個代處理器的智能接口卡。 （ 3） ISA 總線可以支持 8 種類型的總線周期，即 8/16 位存儲器讀周期， 8/16位存儲器寫周期， 8/16 位 I/O 讀周期， 8/16 位 I/O 寫周期，中斷響應周期， DMA 周期，存儲器刷新周期和總線仲裁周期。 目前， ISA 總線的接口邏輯已有 原多個獨立功能芯片發展到大規模單片控制集成電路為主芯片，這種多功能芯片稱為芯片組，如 486SLC 系統主板上使用的 208 腳的PCchip2，該芯片組包括 DMA 控制器、存儲器管理器、計數 /定時器、中斷控制器、總線控制器及支持 CPU 所需的各種控制邏輯及所有的總線緩沖、奇偶校驗電路等。 該控制 系統 采用 ISA 總線 (PC／ AT 總線 )實現計算機與控制卡之間的信息傳遞。ISA(Industry Staridard Architecture)的意思是工業標準結構。 ISA 總線就是 IBM PC／ AT 機的系統總線，所以也稱 IBM AT 總線，后被推薦為 IEEE P996 標準。 ISA 總線是針對 80286 CPU 在原 IBM PC 總線的基礎上修改擴展而成的 16 位系統總線。 ISA 總線設計成前 62引腳和后 36引腳的兩個插座。它既可以利用前 62 引腳的插座插入與工 BM PC 總線兼容的 8 位接口電路卡，也可以利用整個插座插入 16 位接口電路卡。 ISA總線的前 62 引腳的信號分布與功能基本同 IBM PC 總線，僅有兩處改動。另外， ISA 總線修改了部分總線信號的名稱，但它們與原 IBM PC 總線信號保持完全的兼容。 ISA 總線的后 36 引腳擴展了 8 位數據線 、 7 位地址線以及存儲器和 I／ O 設備的讀寫控制線，并有中斷和 DMA 控制線、電源和地線等。所以，總線信號共包括數據線 16 根、地址線 24 根，支持 16級中斷和 7 個 DMA 通道。該標準的數據寬度為 16 位，工作頻率為 8MHz，數據傳輸率最高為 8MHz。 長春工業大學人文信息學院 畢業論文設計 伺服運動控制器的研制 12 總線 驅動、數據鎖存及譯碼 電路 當應用系統規模過大，擴展所接的外接芯片過多，超過總線的驅動能力時，系統將不能可靠工作，此時應加用總線驅動器來減少讀數據的持續時間。而且，總線驅動器除了起到驅動作用外，還能對其后的負載的變化起隔離作用。總 線驅動可以減少主機的負擔，不管驅動器后面接多少塊插件板或集成電路芯片，都能消除驅動器后的負載電路對主機芯片的影響。 數據總線用的驅動器必須具有雙向性，地址總線用的只單方向即可。系統數據總線通過三態雙向緩沖器 74LS245 形成和驅動。雙向總線驅動器 74LS245 有 16 個三態鎖存器。每個方向是 8 個，是為在數據總線之間的異步雙路通信設計的，應用其控制功能可使外部時間要求減至最小。在控制端 G 有效的情況下，由 DIR 端控制驅動方向， DIR=l 時，方向 A 到 B(允許輸出 )， DIR=0 時，方向 B 到 A(輸入 允許 )。三長春工業大學人文信息學院 畢業論文設計 伺服運動控制器的研制 13 態雙向緩沖器 74LS245 的控制端由讀寫命令和一系列地址選擇產生的信號控制。 系統地址總線采用一個三態單向緩沖器 74LS244 來驅動 A0～ A IOR、 IOW、RESET。 一路為片選譯碼。譯碼電路的核心器件采用一片集成譯碼器 74Lsl38。 A0～ A2經 74LS244 驅動后分別連接 138 譯碼器的 3 個編碼輸入端 A、 B、 c，控制輸入端 G1接 +5V，瓦接讀寫命令，瓦接 A2，當 3 個控制端同時有效時，譯碼器才進行正常譯碼。另一路譯碼電路為線選譯碼。 A A3與從比較 器出來的信號經基本邏輯與非門 74LS38和 74L,S00 共同完成譯碼，決定選中兩個 8254 定時器芯片中的一個。它們的可用地 址選擇范圍如表 3— 1所示。 長春工業大學人文信息學院 畢業論文設計 伺服運動控制器的研制 14 中斷定時電路 在數控加工中，需要進行多任務的實時處理，包括輸入、輸出、插 補運算、位置控制和數據傳輸等，都必須在確定時刻開始，在有效的截止時間內完成。因此，要完成實時控制任務，首先就是要能獲得準確的時間。 Windows 98 環境下獲得定時時鐘的方法有利用 Windows 系統時鐘 和利用多媒體定時等方法。但是由于在 wi r132多任務搶占式工作方式下，應用程序不能完全占有 CPLJ，因此， wirldows環境下軟件定時不準確。所以在實際應用中，常常采用外界專門的硬件時鐘電路來獲取可靠的時間觸發信號，將外界的定時觸發作為一個硬件中斷，采用中斷的方式來進行實時系統中各種任務的處理。這種方式既能夠保證精確定時，又可隨任務的不同而通過編程的方式將它們的定時周期進行更改。 2MHz 晶振經 74LS74 兩分頻產生 1脈沖／微秒信號接入計數器 8254 的 CLKO 端，8254 通道 0工作在方式 3下 ,OIJT0 端輸出方波信號至帶預置端和清除端的 D 型觸發器 74LS74 時鐘端，再輸出到 ISA 插槽的中斷請求端 IRQn。 3． 5 使能報警 I／ 0 電路 使能報警 I／ O主要任務就是完成電機的控制與狀態的檢測，這些功能由特殊的電機控制 I／ O 部件實現。與常規工／ O 接口相比，應具有更高的可靠性，能夠阻斷或抑制工業現場的各種干擾經由 I／ 0通路進入計算機，保證計算機的穩定工作。而且必須能在計算機與輸入輸出裝置之間進行必要的信息形式轉換。如電動機的啟、停信號，開關量的開閉信號，零點檢測信號等就必須經過信息形式的轉換。通過使能控制電路可 以接通和關斷至伺服驅動器的模擬量輸出，從而在緊急情況出現時停止電動機的運行。 使能報警 I/O 部件主要由一片 74LS244，一片 74LS273 加上光電隔離 TLP524構成，主 CPU 可通過寫命令接通和關斷使能，并可查詢使能狀態。 TLP524 是 TOSHIBA公司生產的 16 引腳 DIP 封裝，能提供 4 個單獨隔離電路。其主要作用有： (1)為了防止強電干擾以及其它干擾信號 通 過信號 I／ O 控制回路進入計算機，將輸入與輸出端兩部分電路的地線分開，各自使用一套電源供電。 (2)可以進行電平轉換。 長春工業大學人文信息學院