伺服运动控制器的研制设计论文学位论文.docx

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伺服运动控制器的研制设计论文学位论文

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。

关键字：

伺服系统实时钟PID控制

ABSTRACT

Withtheprogressofthetechnology,itisdiffcultforthetraditionalMotionControlSystemtosatisfythedemandsofthemodernindustry.Currently,ithasbeenanimportanttrendinthemotioncontrolfieldtodevelopthehigh-capabilityMotionControllerwiththeopenstructure.MotioncontrollercomposedofgeneralchipseriesisdevelopedandQuadrupledifferentialCircuitutilizingdualmonostablemultivibra-torswithSehmitttriggerinputsanddual4_lineto1_linedataselectorsormultiplexersisputforward.HardwareframeworkofthesystemisbasedonISAbusesofgeneralPCorIPC,including12_bitmultiplyingD/Aconversion,timeinterruptpulsereceiving,zerocheckandon-offandwarningcircuit.SoftwareframeworkisputforwardbasedonthetechnicalprogrammingtheCMOS/RealTimerClock,adoptingVtoolsDtoprogrammeVxDandreal-timepositioncontrolofservoelectromotorisrealized.SothekeyproblemofdevelopingNCintheWindowsissolved.And,PIDcontrollerisdesigned,PIDcontrolarithmeticisprogrammed,parametersofcontrolsystemareadjustedonline，experimentisresearchedandtheresultisanalyzed.ExperimentalresultshowedthatprogrammingCMOS／RTC,realizinghighprecisiontimethroughprogramVxDalongwithPIDarithmeticintheinterruptcanmeettherequjreofhighprecisionpositioncontrolofservoelectromotor.

Thepaperfirstlyintroducestheorigin,researchsignificance,relatedtechnicalstatusandmaincontentsofthetask,anddescribesthesystemasawholeindetail,thendiscussesthehardwaredesign,softwaredesign,andthealgorithmsdesignrespectively.Finally,Thepaperbringsforwardthemaincontentsofadvancedresearch.

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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。

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作者签名：

　　　　　日　期：

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:

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。

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。

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。

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。

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。

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:

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。

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。

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。

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。

（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，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。

（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。

（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。

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。

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。

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（IntelligentPowerModules，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。

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。

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:

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。

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（FactoryAutomation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-232Ｃ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。

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

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。

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。

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。

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

=Kfiq（2-4）

Kf=

φf（2-5）

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，τn为极距，φf为永磁体有效磁链，μ为动子线速度，且

v=2τnf≈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-

vφq+

=-

vφq+

uq=rqiq+

v（φf+φd）+

=rqiq+

vφf+

式中，

=Ldid（2-9）

=Lqiq（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；φd、φq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。

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。

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、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。

3.2ISA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。

1.ISA总线的特点：

（1）ISA总线能支