X-Y工作台微型计算机控制试验系统说明书.doc

本科生毕业设计 X Y 工作台微型计算机控制试验系统 X Y worktable microcomputer control experiment system 学生姓名 所在专业 机械设计制造及其自动化 所在班级 申请学位 工学学士 指导教师 职称 副 指 导 教 师 职称 答辩时间 2006 年 6 月 10 日 目 录 设计总说明 I INTRODUCTION II 1 绪论 1 2 X Y 工作台的设计 1 2 1 设计要求 1 2 1 1 设计任务 2 2 1 2 设计参数的确定 2 2 1 3 方案的分析 比较 论证 2 2 1 4 进给伺服系统总体方案方框图 2 2 2 传动比的确定 3 2 3 初选伺服电机 3 2 4 丝杠的选型及计算 4 2 4 1 计算丝杠承受的质量 4 2 4 2 计算铣削力 4 2 4 3 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 5 2 5 导轨的选型及计算 9 2 5 1 初选导轨型号及估算导轨长度 9 2 5 2 计算滚动导轨副的距离额定寿命 10L 2 6 伺服电机的验算 11 2 6 1 传动系统等效转动惯量计算 11 2 6 2 验算矩频特性 12 3 伺服电机控制原理 14 3 1 交流伺服电机介绍 14 3 2 交流伺服电机的控制模式 14 3 2 1 位置控制模式 Pr02 0 14 3 2 2 速度控制模式 Pr02 1 15 3 2 3 转矩控制模式 Pr02 2 15 3 3 伺服电机的 PID 调节方案 15 4 运动控制卡控制原理 18 4 1 DSP 芯片 TMS320LF2407 介绍 18 4 2 PCI 总线与 DSP 通讯电路 19 4 2 1 PCI 总线接口电路 20 4 2 2 PCI DSP 通讯电路 20 4 3 参数曲线的时间分割插补算法 21 4 3 1 时间分割插补原理 22 4 3 2 参数曲线自适应插补算法 22 4 4 DMC3000 控制卡中的固化函数 25 5 硬件连接 27 6 PC 端控制软件设计 28 6 1 主界面简介 28 6 1 1 参数设定界面 28 6 1 2 NC 代码格式 28 6 1 3 程序基本操作 28 6 2 NC 代码的读取 29 6 3 插补过程 31 6 3 1 直线插补 31 6 3 2 逆圆插补 35 6 3 3 顺圆插补 37 6 4 运动卡固化函数调用 40 鸣 谢 42 参考文献 43 设计总说明 本设计结合机电一体化课程教学环节需要 设计用微型计算机作为控制系统的 X Y 工作台 通过论述 X Y 工作台机械结构设计和控制电路接口设计 阐述了机电一体化设 计中的共性和关键技术 并用 VB 软件设计了一个实验系统的控制界面 使操作更简便 本设计采用的雷赛 DMC3000 运动控制卡以 DSP 芯片 TMS320LF2407 作为处理器 基 于 PCI 总线开发了多轴开放式运动控制器 并采用 PCI 9052 和 ISP 1581 作为接口芯 片构建 PC DSP 通讯电路 利用 CPLD 器件 EPM7128 构建两路 QEP 信号处理电路并辅助 完成译码等功能 接口卡负责完成控制卡与外部器件的互联并进行光电隔离和电平转 换 PC 端控制软件完成与上位机的通讯 调用 DSP 内部嵌入的许多控制算法 包括基 于前馈补偿的 PID 控制算法 参数曲线的自适应时间分割插补算法 直线 圆弧插补算 法等 同时 控制软件还调用 DSP 提供的丰富的动态链接库函数供用户调用 并在此 基础上开发了测试软件 实验和仿真结果表明 系统设计合理 具有实时性好 跟随 误差小 加工精确度高等优点 关键词 X Y 工作台 微型计算机 运动控制卡 INTRODUCTION Originally design combining electro mechanics integrated course teaching link to need design the X Y worktable which use microcomputer as the control system Through expounding the design of the of the X Y worktable s mechanical structural and the interface of the control circuit have explained the generality and the key technology in the electromechanical integrated design And design one control interface of the experimental system with the VB software which make operating simpler and more convenient This thesis develops multi axis motion controllers based on PCI bus respectively with TMS320LF2407 as their processors PCI 9052 and ISP 1581 chips are adopted to construct the PC DSP communication channel CPLD component EMP7128 is used to achieve the functions of two groups of QEP signal processing and address decoding at the same time the auxiliary I O card is also developed to connect the controller and external components after photo electricity isolation and level transformation Besides the communicating with PCs the DSP has also been embedded many control algorithms including the PID control algorithm with feed forward compensation the parameter curve auto adapted time division interpolation algorithm the line circle NURBS interpolation algorithm etc A lot of dynamic link library functions are also provided for the users and test software is developed with the functions Experiment and simulation result indicates that the system is designed reasonably with many advantages such as good real time performance little following error and high processing precision KEYWORDS The X Y worktable Microcomputer Motion control card X Y 工作台微型计算机控制试验系统 毕业设计说明书 1 绪论 机电一体化毕业设计在机电一体化专业教学中占有重要位置 它关系到学生知识 的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力 因此设计内容选择很重要 基于微型计算机控制的 X Y 工作台是典型的机电一体化系统 以此为设计内容有较强 的教学研究意义 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础 这个基础是否牢固直接影响 到一个国家的经济发展和综合国力 关系到一个国家的战略地位 因此 世界上各工 业发达国家均采取重大措施来发展的数控技术及其产业 在我国 数控技术与装备的 发展亦得到了高度重视 近年来取得了相当大的进步 特别是在通用微机数控领域 以 PC 平台为基础的国产数控系统 已经走在了世界前列 但是 我国在数控技术研究 和产业发展方面亦存在不少问题 特别是在技术创新能力等方面情况尤为突出 在新 世纪到来时 如何有效解决这些问题 使我国数控领域沿着可持续发展的道路 从整 体上全面迈入世界先进行列 使我们在国际竞争中有举足轻重的地位 将是数控研究 开发部门所面临的重要任务 本设计是以 PC 平台为基础的数控 X Y 工作台实验系统 它具有直线插补和圆弧插 补等数控系统所使用的常用功能 结构简单 操作方便 控制精度相对较高 可靠性 稳定性和实用性都很好 2 X Y 工作台的设计 2 1 设计要求 2 1 1 设计任务 2 1 1 1 机械结构装配图 A0 图纸一张 要求重要剖面表达完整 向视表 达完整 视图适合标准 2 1 1 2 X Y 工作台与 PC 接口线路图 2 1 2 设计参数的确定 由静止到最大快进速度过度时间 0 1sPt 工作台行程 纵向 180mm 横向 120mm 最大快进速度 纵向和横向 3m min 铣削最大宽度 4mm0a 铣削最大深度 2mmp 最大铣刀直径 16mm 加工材料 碳钢 2 1 3 方案的分析 比较 论证 2 1 3 1 数控 X Y 工作台的总体方案设计应考虑以下几点 A 工作台应具有沿纵向和横向往复运动 暂停等功能 因此数控控制系统采用 连 续控制系统 B 在保证一定加工性能的前提下 结构应简单 以求降低成本 因此进给伺服 统采用伺服电机开环控制系统 C 纵向和横向进给是两套独立的传动链 它们各自由各的伺服电动机 联轴器 丝杠螺母副组成 D 为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性 选用摩擦小 传动效率高的滚 珠 丝杠螺母副 并应有预紧装置 以提高传动刚度和消除间隙 E 为减少导轨的摩擦阻力 选用矩形滚动直线导轨 2 1 4 进给伺服系统总体方案方框图 2 2 传动比的确定 当 1 时 可使伺服电机直接与丝杠联接 有利于简化结构 提高精度 因此本i 设计中取 1 2 3 初选伺服电机 根据公式 pbLi 360 其中 为传动比 为电机步距角 为滚珠丝杠导程 为脉冲当量 ib0Lp 因为 1 现取 4mm 4 05 o 得 0 045mm 0Lb p 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证 以山洋全数字式交流 伺服电机为例 对于带标准 2000 线编码器的电机而言 由于驱动器内部采用了四倍频 技术 其脉冲当量为 360 8000 0 045 因此根据检测器省配线数 2000 初选山洋 P50B05020DXS 型伺服电机 微 机 运 动 控 制 卡 运 动 控 制 卡 驱 动 器 驱 动 器 伺服电 机 伺服电 机 X 向 Y 向 联轴器 联轴器 图 2 1 进给系统总体方案方框图 2 4 丝杠的选型及计算 2 4 1 计算丝杠承受的质量 工作台的行程为 X 180mm Y 120mm 工作台尺寸一般为工作台行程的 1 1 倍 所以 X 180 1 1 198mm Y 120 1 1 132mm 圆整 取 X 200mm Y 150mm 选择工作台的型槽为 T 型槽 查 袖珍机械设计师手册 表 3 25 可得所选 T 型槽 的参数 A 12mm B 21mm C 9mm H 20mm 间距取 50mm 一取工作台厚度为 T 型槽厚度的 2 倍 即 2 20 40mm 工作台质量 0 7 8 10 3 20 15 4 9 36kg 即纵向丝杠所承受的质 量 因工作台有 T 型槽 故取 0 9kg 减去 3 个 t 型槽的重量得到的大概数值 横向丝杠所要承受的质量 为工作台质量加上拖板质量 一般以工作台质量的 3 5 倍计 即 3 5 9 27kg 2 4 2 计算铣削力 2 4 2 1 切向切削力 的计算ZF 选用高速钢直柄立铣刀 其铣削力公式为 ZdaaCFtpfeFZ 86 072 086 1 9 查得 68 2 16mm 4mm 0 02 0 04mm 2mtdef pa 公式和参数查 机电综合设计指导书 湛江海洋大学 2005 年 3 月 P10 查 机械加工工艺设计手册 航天工业出版社 P632 得直柄立铣刀的齿数 3 粗 和 6 细 ZZ 以细齿计算得 147 23861204 2 81 98 07 6 ZF 2 4 2 2 进给工作台工作载荷的计算 根据 机电综合设计指导书 表 2 1 可得 A H B C 40 85 FL ZCV 其中 为工作台纵向进给方向载荷 为工作台垂直进给方向载荷 为工作台横向进L VFCF 给方向载荷 所以 259147 2380 80 5 CVLF 2 4 3 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 滚珠丝杠螺母副初步选型的主要依据是根据最大工作载荷和最大静载荷 初步选 型后 进行轴向刚度验算和压杆稳定性验算 2 4 3 1 最大工作载荷的计算 本设计中 选用矩形滚动直线导轨 见 机电综合设计指导 P14 得滚珠丝杠上 的工作载荷 FmGFfKCVL 其中 为工作台纵向进给方向载荷 为工作台垂直进给方向载荷 为工VFCF 作台横向进给方向载荷 G 为移动部件重力 和 分别为考虑颠覆力矩影响的实验系Kf 数和导轨上的摩擦系数 对于矩形滚动导轨取 1 1 0 005 f 所以 纵向 537 24 9 825 18 90 542 01 Fm 横向 07 2 4 3 2 最大动载荷 的计算和主要尺寸的初选C 滚珠丝杠最大动载荷 可用下式计算 见 机电综合设计指导 式 2 14 P15mFfL3C 式中 为工作寿命 为丝杠转速 为最大切610 ntL 0 1Lvn 削力条件下的进给速度 可取最高进给速度的 1 2 1 3 现取 1 3 为丝杠导程 为额定使用寿命 可取 15000h 为运转状态系数 现 1 5 为丝杠工作t tmf mfmF 载荷 因为 10 2510256 0 min 43 166rntLv 所以 纵向 4 837 C33mFf 横向 502652 查 机电综合设计指导书 P14 本设计选内循环滚动螺旋副 FLM1604 3 P4 查 袖珍机械设计师手册 表 P1014 表 19 24 根据 4mm 选丝杠公称直径0L 有 md16 970C15 23 8DW oam额 定 静 载 荷 额 定 动 载 荷丝 杠 螺 旋 升 角 列 数 圈 数 滚 珠 直 径 因为 所以初选的丝杠螺母副合格 Na8 6 2 4 3 3 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 为 见 机电综合设计指导 公式 2 15 P15 tg 式中 为丝杠螺旋升角 为摩擦角 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 0 003 0 004 f 其摩擦角约等于 01 所以 94 0 1 52 tgt 2 4 3 4 刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形 丝杠与螺母之间滚道的接触变形 丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 滚珠丝杠的扭转变形较小 对纵向变形的影响更小 可忽略不计 螺母座只要设计合 理 其变形量也可忽略不计 只要滚珠丝杠支承的刚度设计得好 轴承的轴向接触变 形在此也可以不予考虑 A 丝杠的拉压变形量 1 滚珠丝杠应计算满载时拉压变形量 其计算公式为 见 机电综合设计指导 公式 2 15 EALFm 1 P23 式中 为在工作载荷 作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量 mm 为丝杠1m mF 的工作载荷 N 为滚珠丝杠在支承间的受力长度 mm E 为材料弹性模量 对钢L E 20 6B 10 4MPa A 为滚珠丝杠按内径确定的截面积 mm 2 号用于拉伸 号用于压缩 根据滚珠直径 DW 2 381mm 22211 03 1459 34 dA8062d 7 70 383 1 25 mReemwwW 截 面 积滚 珠 丝 杆 按 内 径 确 定 的螺 杆 小 径偏 心 距滚 珠 直 径螺 纹 滚 道 曲 率 半 径 公式见 机电一体化设计基础 P25 其中 为丝杠公称直径 为丝杠底径 m1d 取纵向进给的丝杠长度 L 300mm 横向进给的丝杠长度 L 300mm 所以 纵向 0 21548 203 4120 657 1 横向 m674 B 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 该变形量与滚珠列 圈数有关 即与滚珠总数量有关 与滚珠丝杠长度无关 其 计算公式 有预紧时 见 机电综合设计指导 公式 2 17 P2332wm2DF01 ZYJ 式中 为滚珠直径 mm 为滚珠总数量 圈数 列数 Z 为一圈的wD 滚珠数 3 内循环 为滚珠丝杠的公称直径 mm 为滚珠丝杠的工wmDd Z mdmF 作载荷 kgf 为预紧力 kgf 1kgf 9 8N 取工作载荷 的 1 3 YJF 因为 91 832 164 圈数 列数 19 3 3 191 Z 纵向 846 753 23FYJm 横向 101J 所以 纵向 06m9846 72 30 22 横向 11 5 0 1322 因为滚珠丝杠有预紧力 且预紧力为工作载荷的 1 3 时 值可减少一半左右 2 所以纵向和横向 2 0 8m C 滚珠丝杠副刚度的验算 丝杠的总的变形量 应小于允许的变形量 一般 不应大于机床进给系统21 规定的定位精度值的一半 因为 纵向 m03 8 0 21 横向 机床进给系统规定的精度值为 0 01mm 其一半为 0 005mm 0 003mm 所以 总的变形量和机床进给系统规定的定位精度值的一半小 故纵向和横向的 滚珠丝杠可以满足要求 2 4 3 5 压杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆 若轴向工作载荷过大 将使丝杠失去稳定 而产生纵向弯曲 即失稳 失稳时的临界载荷 为KF 见 机电综合设计指导 公式 2 18 P242LEIfFZK 式中 I 为截面惯性矩 对丝杠圆截面 d 1为丝杠底径 L 为丝杠最 641mI 大工作长度 mm E 为材料弹性模量 对钢 E 20 6 10 4MPa 为丝杠支承方式系Zf 数 本设计中 丝杠为短丝杠 故支承方式选用一端轴向固定一端简支 即 0 20 Zf 492 16745 31 644 mdI 所以 纵向 829 753049 16 024KF 横向 14 2242 临界载荷 与丝杠工作载荷 之比称为稳定性安全系数 如果 大于许用稳KFmFKnK 定性安全系数 则滚珠丝杠不会失稳 因此 滚珠的丝杠的压杆稳定条件为 n 见 机电综合设计指导 公式 2 19 P24KmKF 一般取 2 5 4 考虑到丝杠自重对水平滚珠的丝杠的影响可取 4 n Kn 又因为 纵向 46 357 2489 KmKn 横向 0 KFn 所以 纵向和横向的滚珠丝杠都不会失稳 2 4 3 6 滚珠丝杠螺母副的选择 根据最大动载荷选用 其代号为 MDT 1604 3 P3 由 机电综合设计指导 表 2 12 查得 MDT 1604 3 P3 的安装连接尺寸 mm 公称直径 基本道程滚珠丝杆 副规格 dm L0 D1 D D4 B D5 D6 h 1604 16 4 28 52 38 11 5 5 10 5 7 2 5 导轨的选型及计算 2 5 1 初选导轨型号及估算导轨长度 导轨为直线滚动矩形导轨 本设计中共用 4 条导轨 每条导轨用 2 个滑块 根据 纵向最大动载荷 C 2048 451N 横向最大动载荷 C 2056 580N 通过查 机电综合设计 指导 表 2 16 P33 初选 4 条导轨的型号都为 GDA20SV 其部分参数如下 mll60221 根据工作台的长度和工作台的行程 从 机电综合设计指导 表 2 16 中查得公式 式中 为支座长度 为导轨两孔之间的距离 可算得纵向导轨的21nll ln 10 横向导轨的 10 n 估算出导轨的长度为 纵向进给的导轨长度为 640mm 横向进给的导轨为 640mm 2 5 2 计算滚动导轨副的距离额定寿命 L 滚动导轨副的距离额定寿命可用下列公式计算 滚动体为球时 见 机电综合设计指导 公式 2 20 350 WCTHafFL P30 式中 为滚动导轨副的距离额定寿命 km 为额定载荷 N 从 机电综合a 设计指导 表 2 10 查得 12400N 为硬度系数导轨面的硬度为 58 64HRC 时 aCHf 1 0 为温度系数 当工作温度不超过 1000C 时 1 为接触系数 每HfTf TfCf 根导轨条上装二个滑块时 0 81 为载荷 速度系数 无冲击振动或CfWf 时 1 1 5 取 1 5 min 60v Wf 为每个滑块的工作载荷 N F 纵向 134 56 7 24 横向 0m 当加工时 考虑到工作台要承受工件的重量和铣削力等载荷 而这些载荷都通过工作 台直接作用滑块上 故取纵向和横向都为 F 100N 所以 纵向和横向 50km108 51231 0802453 L 大于滚动导轨的期望寿命 满足设计要求 初选的滚动导轨副可采用 L 2 6 伺服电机的验算 2 6 1 传动系统等效转动惯量计算 传动系统是转动惯量是一种惯性负载 在电机选用时必须加以考虑 由于传动系统 的各传动部件并不都与电机轴同轴线 还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算问题 最后 要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量 即传动系统等效转动惯量 本设计需要对电机转子 联轴节 丝杠 工作台进行转动惯量的计算 2 6 1 1 电机转子转动惯量 的折算DJ 由 机电综合设计指导 表 2 11 P34 查出 初选 P50B05020DXS 0 173 cm 2DJ 2 6 1 2 联轴器转动惯量 的折算LJ 选用 TL1 联轴器 查 机械设计实用手册 化学工业出版84324201 GB P666 可查出它转动惯量为 0 0004 m 2 得出 4 cm 2 LJ 2 6 1 3 滚珠丝杠转动惯量 的折算SJ 查 机电综合设计指导 表 4 2 P119 得出 1m 长的滚珠丝杠的转动惯量为 0 94 cm 2 纵向进给的丝杠长度 L 300mm 横向进给的丝杠长度 L 300mm 所以滚 珠丝杠转动惯量纵向 0 94 0 3 0 282 cm 2 横向 0 94 0 3 0 282 SJ SJ cm2 2 6 1 4 工作台质量 的折算G 工作台是移动部件 其移动质量折算到滚珠丝杠轴上的转动惯量 可按下式进行GJ 计算 见 机电综合设计指导 公式MLJG20 2 6 P8 式中 为丝杠导程 cm 为工作台质量 kg 0L 所以 纵向 2 220 037 914 3 cmkgLJG 横向 2 220 1 M 2 6 1 5 传动系统等效转动惯量 计算 J 纵向 20 1734 280 374 90DLSGJJ kgcm 横向 1 2 6 2 验算矩频特性 伺服电机最大静转矩 是指电机的瞬时失速力矩 从山洋伺服电机说明书中查maxjM 得 伺服电机的名义启动转矩 与最大静转矩 的关系为 max1 96jM mqMmaxj maxjq 查 机电综合设计指导 表 2 17 P38 得 0 707 所以 0 71 9638572mq 伺服电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动 伺服电机所需空载启 动力矩可按下式计算 见 机电综合设计指导 公式 2 24 P270MKfaKq 式中 为空载启动力矩 N cm 为空载启动时运动部件由静止升速到最大ka 快进速度 折算到电机轴上的加速力矩 N cm 为空载时折算到电机轴上的摩擦KfM 力矩 N cm 为由于丝杠预紧 折算到电机轴上的附加摩擦力矩 N cm 0 有关 的各项力矩值计算如下 KqM 2 6 2 1 加速力矩 见 机电综合设计指导 公式 2 25 和 2 26 P37360 102maxa 2maxpbKvntnJ 式中 为传动系统等效转动惯量 为电机最大角加速度 为与运动部件 J maxn 最大快进速度对应的电机最大转速 t 为运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需 的时间 为运动部件最大快进速度 为初选伺服电机的步距角 为脉冲当量 maxvb p max304 570 min6 6bpvnr 纵向 2 2max3 147501 93 4656KanMJ cmt 横向 04706 2 6 2 2 空载摩擦力矩 见 机电综合设计指导 公式 2 27 iLfGkf 20 P38 式中 为运动部件的总重量 为导轨摩擦系数 齿轮传动降速比 为传动系数f i 总效率 取 0 8 为滚珠丝杠的基本导程 0L 纵向 cmMkf 028 1 4328 9 横向 f 47 2 6 2 3 附加摩擦力矩 见 机电综合设计指导 公式 2 28 2001 iLFYJ P38 式中 为滚珠丝杠预紧力 为滚珠丝杠未预紧时的传动效率 现取 0 94 YJ 0 0 纵向 cmM 694 0 18 4326 720 横向 015 所以 伺服电机所需空载启动力矩 纵向 0 3597N m035 2460 8 69435 8KqaKf c 横向 0 5154N m71fMm 初选电机型号应满足伺服电机所需空载启动力矩小于伺服电机名义启动转矩 即 见 机电综合设计指导 P40mqK 从上式可知 纵向和横向的电机初步满足要求 3 伺服电机控制原理 3 1 交流伺服电机介绍 交流伺服电机一般由永磁同步电机 转子位置传感器 速度传感器组成 交流伺 服电机和它的驱动器组成一个伺服系统 早期的交流伺服系统是一个典型的速度闭环 系统 伺服驱动器从主控制系统接收电压变化范围为 的速度指令信号 maxU a 电压从 变化到 的过程中 伺服电机可实现从反转最高速变化到零 然后再maxU max 变化到正转最高速 但是 这种交流伺服系统只能实现对速度的闭环控制 还不能直 接实现对位置的闭环控制 要实现对位置的闭环控制 必须在电机和控制系统之间构 成一个位置环 为了适应数字化控制的发展趋势 国外一些厂家在九十年代初相继推出了带位置 环的全数字式交流伺服系统 不仅可以进行位置的闭环控制 还使得交流伺服电机可 以象伺服电机一样易于控制 上位控制器可以是运动控制器 PLC 或者直接是 PC 机等 3 2 交流伺服电机的控制模式 以日本山洋公司的 Q 系列交流伺服系统为例 介绍这种交流伺服系统的控制原理 这种伺服系统可在驱动器中由参数 Pr02 设置为位置 速度和转矩三种控制模式 现分 述如下 3 2 1 位置控制模式 Pr02 0 当伺服系统处于位置控制时 控制系统给伺服驱动器的信号是脉冲和方向信号 这一点和伺服电机的控制方式类似 其接口电路如图 3 1 所示 PULS1 PULS2 SIGN1 SIGN2 脉冲输入 方向输入 驱动器 内部 驱动器 内部 图 3 1 交流伺服系统位置控制接口电路 指令脉冲的输入方式可分为以下三种 1 正交脉冲指令 频率相同但相位相差 90 的 A B 两相脉冲分别从 PULS1 PULS2 和 SIGN1 SIGN2 送入伺服驱动器 A B 两相脉冲的频率控制电机转速 脉冲数控制电机的角位移 2 CW CCW 脉冲指令 即单脉冲工作方式 脉冲信号通过 PULS1 PULS2 进入驱动器 则电机按 CW 方向 旋转 若通过 SIGN1 SIGN2 进入驱动器 则电机按 CCW 方向旋转 脉冲频率控制电机 的旋转速度 脉冲数控制电机的角位移 3 脉冲 方向指令 脉冲信号从 PULS1 PULS2 进入驱动器 脉冲频率控制电机转速 脉冲数控制电机 的角位移 方向信号从 SIGN1 SIGN2 进入驱动器 高低电平控制电机的转向 3 2 2 速度控制模式 Pr02 1 在速度控制模式中 上位控制系统通过 SPD GND 引脚给伺服驱动器输入一个 10V 10V 的模拟电压 即可控制电机实现从负向最大转速到正向最大转速之间的 速度变化 电机转速 和指令输入电压 之间呈线性关系 nV 速度指令除了可以由外部模拟电压来输入外 还可以在驱动器内部用四个参数设 置四种内部速度 通过驱动器的两个开关输入信号的四种状态组合选择其中一种 驱 动器可由内部参数 Pr52 对外部速度指令进行零漂调整 本文中的运动控制器就是采用 速度控制方式对伺服驱动器进行控制的 3 2 3 转矩控制模式 Pr02 2 通过外加 10V 10V 的电压 即可控制电机的转矩 与速度控制相似 电机的额定 转矩和输入电压之间呈线性关系 直线斜率可用驱动器内部参数设置 伺服电机工作 在转矩控制模式时 应限制其最大转速 以免驱动器产生过速报警 3 3 伺服电机的 PID 调节方案 图 3 2 是运动控制器采用的 PID 调节原理框图 虚线框中的速度调节器和电流调 节器的功能由电机驱动器完成 电流环用来提高系统的动态响应指标 增强系统抗干 扰能力 速度环用于根据指令速度调节伺服电机的实际转速 在山洋伺服电机中 参 数 Pr11 和 Pr12 分别设置其速度环增益和积分时间常数 位置环包括位置 PID 调节和 速度 加速度前馈 由运动控制器底层程序完成 可根据位置偏差调节电机的指令速 度 实现精确定位 回零等 输出饱和控制主要在软件中实现 可保证输出电压不会 超过设定范围 静差补偿则可以消除由于放大器的零点漂移带来的偏差 速度环和电 流环分别在速度控制模式和转矩控制模式下发挥作用 因此在运动控制器采用的速度 控制模式中 主要由速度环和位置环构成双闭环 设 为 D A 转换器的指令速度输出值 为第 个采样时刻的位置偏差 nUnE 为第 个采样时刻的指令位置 为第 个采样时刻实际位etP arg actulP 置 为第 个采样时刻累积误差值 为当前目标速度 表 nEetVrg etACarg 示当前目标加速度 表示电机静差补偿 则 B nactulnetnPE arg BKACVKKEU afetvfetnidnpn rgarg1256 其中 分别表示比例增益 积分增益 微分增益 速afvfdip 度前馈增益和加速度前馈增益 控制作用的强弱取决于比例增益 它相当于系统的刚 度 比例增益越大 调节速度越快 但会增加系统的超调 积分调节的作用是消除系 统输出的静差 但会降低系统响应速度 增加系统输出的超调 微分调节的作用是阻 止偏差的变化 偏差变化越快 微分调节器的输出也越大 因此微分作用的加入将有 助于减小超调 克服振荡 使系统趋于稳定 速度前馈和加速度前馈可以提高系统的 跟踪性能 减小跟随误差 图 3 3 是用在有前馈和无前馈的情况下用 Matlab 进行的圆 弧插补跟随误差比较 可以看出 在无前馈的情况下 电机跟随误差从开始的 63 个脉 冲在 0 137 秒后上升到 114 个脉冲 随后作类似余弦曲线的变化 引入前馈后 跟随 误差从开始的 63 个脉冲迅速上升到 109 个脉冲 然后逐渐下降 在大约 0 2 秒后稳定 图 3 2 PID 调节原理框图 在 2 个脉冲之间 速度和加速度前馈的引入大大减小了系统的跟随误差 编码器可以把机械转角变成电脉冲 主要分为光电式 接触式和电磁感应式 数 控系统中主要使用体积小 精度高 工作稳定可靠的光电脉冲编码器 光电脉冲编码 器分为增量式脉冲编码器和绝对式脉冲编码器 绝对式脉冲编码器结构复杂 价格昂 贵 实际应用中 增量式脉冲编码器应用更为广泛 增量式脉冲编码器一般产生 A A B B C C 三对差分信号 差分信号 处理电路可以将三对信号进行整形 放大转变成 A B C 三相信号 每转产生一个 C 相 Index 脉冲 用来产生机床的基准点 通常 数控机床的机械原点与各轴的脉冲 编码器发 C 脉冲的位置是一致的 通过 Home Index 回零实现 A 相和 B 相信号则由两 组近似正弦波 相差为 的信号转变成两组相差为 90 的正交编码脉冲 相角超前90 与滞后对应电机的转向 频率对应电机的转速 脉冲数对应电机的角位移 正交编码 脉冲由 4 倍频电路产生 4 倍频脉冲信号 再通过增减计数器对 4 倍频脉冲信号进行计 数 可以方便得获取电机的实际位置 同时 通过 M T 测速法 根据在一个伺服周期 s 内电机转过的脉冲数 pulse 可以计算得到电机的转速 如对于一个TN 2000pulse r 的增量编码器的伺服电机 其速度 RPM 计算方法为 V 60RPM24VT 图 3 3 跟随误差比较 4 运动控制卡控制原理 运动控制器由基卡和接口卡组成 如图 4 1 所示 单卡可以同时控制 1 4 轴伺服 电机的运动 基卡集成了 PC 机与 DSP 通信电路 DSP 辅助电路 存储器扩展电路 CPLD 译码 中断 正交编码处理电路 控制电压转换电路等 接口卡通过 62 针接头与 基卡相连 伺服使能 报警清除等输出信号经过光电隔离后通过 25 针接头对电机进行 控制或者连到 I O 端子排进行输出 伺服电机编码器反馈信号经过差分处理和光电隔 离后输入基卡 伺服使能 伺服报警信号 回零信号 限位信号和通用 I O 信号等也 通过光隔进行输入输出 运行过程中 PC 机把粗插补的数据通过 PC 机与 DSP 通讯电路传递给 DSP 进行时间 分割精插补 在每一个伺服周期中 CPLD 器件 EPM7128 和 DSP 各处理两路反馈的正交 编码信号进以获取实时位置和速度 DSP 进行参数曲线的自适应插补计算出理论插补位 置 并与实际位置进行比较获取偏差值 以此作为输入基于速度和加速度前馈进行 PID 调节 计算获得速度控制量 产生的输出信号经 DAC7625 进行数模转换及放大电路放 大后将模拟电压量送伺服驱动器以控制电机 外部的伺服报警信号 通用输入信号 回零信号 限位输入信号在 CPLD 中进行逻辑运算后输入 DSP 的 XINT1 只要有一个信 号输入就引起中断 由中断处理程序进一步判断后做出相应处理 DSP TMS320LF2407 核心处理芯片 扩展 RAM 伺 服 电 机 2 CPLD 译码 中断 编码器处理电路 JTAG 下 载口 电源管理 时钟 图 4 1 控制器原理框图 PC DSP通讯电路 控 制 器 基 卡 差分 信号 处理 光 电 隔 离 电 平 转 换 电源输入 控制 电压 转换 62 针 接 头 62 针 接 头 25 针 接 头 2 I O 端 子排 通 用 I O 限 位 信 号 回 零 信 号 外 部 电 源 接 口 卡 4 1 DSP 芯片 TMS320LF2407 介绍 随着微处理器 微控制器和数字信号处理器 DSP 的性价比的提高 它们越来 越多地在运动控制系统中得到应用 现在 工程师们可以利用不断发展的控制技术和 高性能的处理器设计数字控制系统 这种控制理论和实现手段的并行发展使得许多复 杂而有效的控制算法能迅速地用到实际生产过程中 尤其是 DSP 器件的优越性能 以 及各 DSP 厂商不断推出针对运动控制的 DSP 芯片 使得 DSP 成为复杂运动控制系统 和高性能运动控制器中的首选器件 TMS320LF2407 器件是美国 TI 公司开发的面向电机控制的低成本 高性能的 DSP 器件 是本运动控制器的核心 其指令周期只有 33ns 可以很好地满足系统的实时性 要求 能够实现复杂的控制算法 29 它在单片处理器中集成了高性能的 TMS320CxLP DSP 内核 运算能力为 30 MIPS 为电机控制而优化的事件管理器及 PWM 输出接口 可同时完成采样的双工 A D 转换器 并行的电机电流读数转换与通讯 Flash 存储器或 ROM 程序存储器 还 包括同步 异步串行外设接口 比较单元 通用定时器及与光电编码器接口的编码单 元等资源 这种高度集成的单片数字控制方案比现存的多片方案具有更高的电机驱动 能力及更低的系统费用 30 与本运动控制器相关的的 TMS320LF2407 资源介绍如下 1 采用高静态 CMOS 技术 使得供电电压降为 3 3V 减小了控制器的功耗 30MIPS 的执行速度使得指令周期缩短到 33ns 30MHz 从而提高了控制器的实时控制 能力 2 基于 TMS320C2xxDSP 的 CPU 核保证了 TMS320LF240X 系列 DSP 代码和 TMS320 系列 DSP 代码兼容 3 片内高达 32K 字的 FLASH 程序存储器 高达 1 5K 字的数据 程序 RAM 544 字双口 RAM DARAM 和 2K 字的单口 RAM SARAM 4 两个事件管理器 EVA 和 EVB 每个包括 两个 16 位通用定时器 8 个 16 位 的脉冲调制 PWM 通道 它们能够实现 三相反相控制 PWM 的对称和非对称波 形 当外部引脚 PDPINTx 出现低电平时快速关闭 PWM 通道 可编程的 PWM 死区控 制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲 3 个捕获单元 片内光电编码器接口电路 16 通道 A D 转换器 事件管理器模块适用于控制交流感应电机 无刷直流电机 开关磁 阻电机 伺服电机 多级电机和逆变器 5 扩展的外部存储器 LF2407 总共 192K 字 64K 字程序存储器 64K 字数据 存储器 64K 字 I O 寻址空间 6 看门狗定时器模块 WDT 7 基于锁相环的时钟发生器 8 高达 40 个可单独编程或复用的通用输入 输出引脚 GPIO 9 5 个外部中断 电机驱动保护 复位和两个可屏蔽中断 电源管理器包括 3 种低功耗模式 并且能独立将外设器件转入低功耗模式 1 2 PCI 总线与 DSP 通讯电路 4 2 1 PCI 总线接口电路 PCI 总线接口电路大体有两种实现方法 1 用可编程逻辑器件 CPLD 或 FPGA 实现通用 PCI 接口 这样做也有两种选择 一 个是买 IP 宏 并根据应用的需要来裁剪 IP 宏并与相关应用电路烧入 CPLD 或 FPGA 中 另一种是采用类似于 QuickLogic 公司的一次性可编程芯片来处理 每片可编程芯片内 都内嵌 PCI 接口电路 也可根据应用的需要来裁剪烧写 但只能烧写一次 采用可编 程逻辑器件的优点主要有 PCI 接口可以根据插卡功能进行最优化的电路设计 而不必 实现所有的 PCI 总线的功能 节约系统的逻辑资源 可以将 PCI 插卡上的其它用户逻 辑与 PCI 接口逻辑集成在一块芯片上 实现紧凑的系统设计 当系统升级时 只需对 可编程逻辑器件重新进行逻辑设计 而无须更改 PCB 板 但是 采用可编程逻辑器件 由于要买 IP 宏 而一个 IP 宏少则几千美元多则更贵 并且一般的小规模的 CPLD 的免 费开发软件不支持对 IP 宏的开发所以用户有可能还要花几万元买大规模的 CPLD 或 FPGA 设计软件 因此用户的开发前期投入很大 同时用户需具备一定可编程逻辑设计 的功底以及扎实电路设计基础 要有一定深度的 VHDL 的开发能力 开发周期较长 2 采用专用芯片实现 PCI 总线接口 专用芯片可以实现完整的 PCI 主控模块和目 标模块的接口功能 将复杂 PCI 总线接口转换为相对简单的用户接口 厂商对 PCI 总线接口进行了严格的测试 用户只要设计转换后的总线接口即可 这样 用户可以 集中精力于应用设计 而不是调试 PCI 总线接口 明显的缩短了开发周期 它的缺点 是用户实际只用到了部分的 PCI 接口功能 这样造成一定的逻辑资源浪费 对于大批 量生产的产品不易降低成本 为了缩短开发周期 本运动控制器采用第二种实现方法 即选用专用 PCI 总线接 口芯片来设计 PCI 总线接口电路 4 2 2 PCI DSP 通讯电路 PC 机通过 PCI 总线与 DSP 与的通讯电路如图 4 2 所示 由于 DSP 与 PC 机之间需要高速地传送大量的数据 为了提高两者之间的通讯速度 在 PCI 9052 与 DSP 之间加入了双口 RAM 双口 RAM 作为一种特殊的 RAM 芯片 在高速 数据采集处理系统中得到广泛的应用 它具有两个独立的端口 各自均有一套独立的 数据总线 地址总线和控制总线 允许两个端口独立地对存储器中的任何单元进行存 取操作 当两个端口同时对存储器中的同一单元进行存取操作时 可由其内部仲裁逻 辑决定优先权 双口 RAM 芯片的型号为美国 IDT 公司生产的 IDT7132 它是 2K 8bit 高速静态双 口 RAM 存取速度 35ns 在数字信号处理领域应用已经比较普遍 它的时序与 DSP 的 时序相配合 特别适用于 DSP 与 PC 机之间的大量数据高速双向传送 该芯片均提供两 个带有自身的控制 地址和 I O 引脚的独立端口 它允许独立地读写存储器中的任何 单元 IDT7132 带有片内硬件端口仲裁电路 可以允许双机同步地读或写存储器中的任 何单元 同时保证数据的完整性 它的竞争原则是 左右两端口的地址信号同时到达 首先处理 CE 片选信号先到的一端 慢的一方 BUSY 线下拉 直到快的一方访问完毕 左右两端口的片选信号同时到达 首先处理访问地址信号先到的一端 慢的一方 BUSY 线下拉 直到快的一方访问完毕 采用双口 RAM 作为 TMS320LF2407 与 PC 主机之间的 通讯接口不但可以简化通讯接口电路的设计 而且提高了数据交换的速度 增强了控 制卡的实时性 由于只用到了双口 RAM 的 16 个地址 DSP 的地址线 A 10 4 与 IS 信 号进入 CPLD 进行译码对双口 RAM 片选 LRDYi 信号和两侧的 BUSY 信号也进入双口 CPLD 进行相应的逻辑判断 由于双口 RAM 的数据信号电平为 5V 在与 3 3V 的 DSP 之 间进行数据传输时需要 74LVTH245 进行电平转换 4 3 参数曲线的时间分割插补算法 4 3 1 时间分割插补原理 时间分割插补又称为数据采样插补 是现代数控机床高 中档 CNC 系统及运动控 制器常用的插补算法 它基于粗 精二次插补的原理实现轨迹控制 其中粗插补由上 位机系统的用户软件完成 精插补由运动控制器实现 设 为参数曲线上任一点的位置矢量 参数曲线的形式为 uP 4 1 kuzjyiuxP 在运动控制器中 软件插补以一定的采样周期 伺服周期 进行工作 在第 个伺服周期中 实时计算出第 个伺服周期中各轴的运动分量 并满足指定的1 i i iP 进给速度要求 即 AD 31 0 C BE 3 0 FRAME PAR EESK ISAA 1 0 CLK IRDY TRDY STOP DEVSEL PERR SERR RST INTA LOCK PCI 9052 PCI 总线 IDT7132 DRAM TMS320LF2407 DSP IDSEL CPLD 芯片 EPM7128 地址译码 R W L LA 10 2 LAD 7 0 CS1 IORD IOWR LRDYi OE L CE L I OL 7 0 AL 10 2 AL 1 0 CE R OE R R W R I OR 7 0 AR 10 0 EEDO EECS EEDI 96LC46BE 2PROMSK DO CS DI BUSY L BUSY R A 10 0 D 7 0 74LVTH245 A 10 4 IS RD R W 图 4 2 PCI DSP 通讯电路图 4 2 iiLP1 式中 为第 个伺服周期中的瞬时进给量 也称插补步长 若插补周期为 指iL T 令进给速度为 则 itfTtfLii 因此 参数曲线的时间分割插补即由运动控制器在每个伺服周期中实时地插补出 满足式 4 1 4 2 的运动轨迹 完成整条曲线的加工 其本质是以一 21 iP 段段弦长 逼近实际曲线 与传统的 CAM 离线编程中的逼近方法相比 曲 21 iL 线的实时插补不仅编程简便而且轨迹插补时是以插补步长直接逼近 其步长只取决于 加工速度和系统的插补周期 是原理上的最短直线 因此可以获得最高的曲线加工精 度 在曲率半径 mm 的外形上用时间分割原理进行插补 以 m min 的高速加工 80r 25 伺服周期为 ms 则插补步长 mm 弓高误差仅为 1417 0 jL7 0 4 3 2 参数曲线自适应插补算法 参数曲线的插补涉及到两个坐标空间 即一维的参数空间和三维的轨迹空间 因 此 现有插补方法将插补计算分两步完成 1 参数插补 将轨迹空间的进给步长 映射到参数空间 求出相应的参数增量iL 及参数坐标 iu iiiu 1 2 轨迹计算 将得到的参数空间坐标值映射到轨迹空间 得到相应的映射点 即为所求插补轨迹的新坐标点 11 iiP 在参数空间 曲线轨迹参数 的插补计算可由二阶泰勒级数表示 即u 4 3 0 2 T 21uiiii 其中 和 分别为参数 对时间 的一阶和二阶导数 可推导得出 10 iu i t 4 4 2221 iiiiiiii zyxLzyxu 式中 和 分别为坐标 对参数 的一阶和二阶导数 和 的意义ix i ui iyiz i 与之类似 利用公式 4 4 求得得插补参数 代入曲线方程即可得到新插补点 根据1 iu 1 iP 新插补点的坐标即可得到各坐标轴的插补量 从而获得第 个伺服周期中各个电机的位i 置增量 由于插补中以短直线逼近实际曲线 所以存在工高误差 另外 插补中采用 曲线的弧长速度代替实际进给的弦长速度 也会引起进给速度的偏差 上述算法缺乏 对这两种误差的必要控制 并且计算过程复杂 因此采取基于参数递推预估 误差控 制 参数校正的插补算法 其基本思路是在插补中实时监控插补弓高误差的大小 当 误差在允许误差范围内时 仍按瞬时进给速度计算进给步长 若误差超出了允许范iL 围 则按允许误差求取约束插补步长 这样 插补进给能随曲线曲率的变化自适应iL 调整进给步长 确保插补的轮廓误差控制在允许的范围内 此外 针对插补的进给速度 偏差主要来源于以弧长速度代替弦长速度 为了获得更好的速度稳定性 应直接以弦 长速度为控制目标 下面给出基于时间分割插补原理的参数曲线自适应插补步骤 1 利用插分代替微分 代入二阶泰勒展开公式 4 3 可得到插补点的参数递推 估算公式 4 5 根据该公式进行参数递推预估 4 5 2115 05 2 iiii uu 2 将预估参数 代入曲线方程求得预估插补点 并根据公式 4 6 计算预估插1 iu 补步长 4 6 21212111 iiiiiiiiiii zyxPzyxPL 3 设允许轮廓误差为 参数预估插补弓高误差为 计算满足误差控制条件h h 的最大插补步长 11 4 7 ii LLh 由于插补步长一般很小 不妨取曲线段 的中点 弦 的中点 用1 iPN1 iPM 间的距离 近似表示本段曲线的插补弓高误差 即MN 4 8 2 2 11iiiiih uuP 4 设插补周期为 指令进给速度为 根据下式计算满足误差约束条件的实T itf 际插补步长 4 9 min iii LTtfL 5 确定参数插补点 10 为允许偏差 例如 1 4 10 1 1为iii iiii uLuL 6 将 代入曲线方程求取插补点 计算各轴进给量 为第 个伺服周期中各1 iu1 iPi 电机的位置 PID 调节计算做好准备 对于直线插补 不存在工高误差 参数插补速度完全由 决定 圆弧由于具有 itf 恒定的曲率半径 只要根据工高误差约束条件算出最大插补速度 保证 小于该最 itf 大速度的情况下 参数插补步长只与 有关 在 恒定的情况下可以进行等参数 itf itf 插补 参数插补步长由插补速度和工高误差约束条件确定 因此可以进行参数插补步 长的预处理 编程方便 并可以提高程序运行速度 设圆弧的参数表达式为 4 11 0 sinco0 为 Ryx 则参数插补步长为 4 12 RTtfi 而对于一般的参数曲线 则要根据步骤 1 6 进行插补处理 4 4 DMC3000 控制卡中的固化函数 常见四种 G 代