伺服运动控制器的研制毕业论文设计(编辑修改稿)

伺服运动控制器的研制毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

及位移检测的任务，以便简化机械部分和控制部分的结构。 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 22来说明。 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 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。 永磁体 NS交替交换，使位置传感器产生相位差 120176。 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 60176。 电角度，转子跟随定子磁场转动相当于 60176。 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 60176。 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。 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； (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 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 =Kfiq (24) Kf= φ f (25) 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，τ n为极距， φ f为永磁体有效磁链， μ 为动子线速度，且 v=2τ nf≈ vs (26) 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． dq 轴电压电流方程 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分别为动手 d 轴、 q 轴电压； id、 iq分别为动 子 d、 q 轴电枢电流；φ d、 φ 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。 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 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 31所示。 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。 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 32 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、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。 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 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。 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。 （ 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。 （ 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。 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PCchip2，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。 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。 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。 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 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。 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 )。 三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 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。 系统地址总线采用一个三态单向缓冲器 74LS244 来驱动 A0～ A IOR、 IOW、RESET。 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。 A 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 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 14 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。 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。 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。 使能报警 I/O 部件主要由一片 74LS244，一片 74LS273 加上光电隔离 TLP524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。 TLP524 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。 长春工业大学人文信息学院。