嵌入式PC的位置伺服控制系统设计与实验研究（可编辑）

嵌入式PC的位置伺服控制系统设计与实验研究（可编辑） 辽宁工程技术大学 硕士学位论文 嵌入式PC的位置伺服控制系统设计与实验研究 姓名:甘金颖 申请学位级别:硕士 专业:电力电子与电力传动 指导教师:孟庆春;付小美 20031201辽宁丁程技术大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子技术,微电子技术,微电子技术及控制理论的发展, 伺服控制系统在工程中得到广泛的应用,其主要特点是具有高效 率的 驱动性能,良好的控制特性。 本文研究了一种以嵌入式作为控制计算机的高性能 位置伺服系统。采用嵌入式作为控制式计算机来提高自 动裁断机的控制水平,用位置伺服系统来改进自动裁断机的 定长和对接的精确定位控制。在该系统中,为了方便与外围 设备接口,分别设计了一块外围接口卡和一块总线扩展 卡。 为了实现较好的性能指标,本文给出了一种智能算 法,用于伺服系统控制,克服常规算法的不足,取得良 好效果。 关键词: 嵌入式 位置伺服系统 总线 伺服驱动器 智能控制辽宁工程技术大学硕士学位论文 ? , ? . . . . ? ..?,.,.?. . : : ?: ?:辽’卜群技术大学硕士学位论文 .绪论 随着工业生产自动化程度越来越高,导致了生产设备的各个部件 装置 的复杂度越来越高,为了使工业设备有更好的人机交互界面和更 强、更灵 活的控制能力,人们将 ,个人计算机引入到工业 领域,加强了的可靠性,设计了各种工控机,充分利用了的强大性 能和低廉价格,但是由于本身体积和功耗过大很难将其直接集成到工业 设备中,于是嵌入式发展起来了。本课题就是要结合嵌入式和伺服 系统的优点设计一种高度智能化、人性化、并且可靠的控制系统来适应工 业自动化的发展需要。 .嵌入式的概述 .嵌入式的产生和现状 嵌入式是一种工业级超小型模块化的机。所谓嵌入式,不是 工作在一个自动化设备的外部,而是嵌入到设备的内部,提供用 户接口,管理数据输入、输出,指导设备工作的计算机。有些嵌入式计算 机带有人机显示界面。嵌入式计算机具有在恶劣的工业环境里长期可靠工 作的能力。计算机的嵌入形式有两种:一是模板级嵌入,二是系统级嵌入。 早期的嵌入式计算机要数公司推出的微控制器 最为代表性如一,一和?系列单片 机。目前应用最广泛的是功能最强的是。基于微控制器设计 的产品一般为板级嵌入式计算机。 在嵌入式计算机系统设计中,占主导地位的是基于各种处理器架 构的 计算机。用户对嵌入式市场的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化要求,使嵌入式计算机的设计主要集 中在总线型的计算机上,如、、?、、/、 、和等标准总线,但是单板或专用总线产 品也有一定的市场份额。处理器架构主要有两种,和。在嵌入式 计算机系统使用的 ,主要有公司的系列和? 的系列两种。 嵌入式早在年就出现了,但直到年初,几家嵌入式专业 厂商联合发展了嵌入式的规格说明以及成立了嵌入式协会,人们对 嵌入式的兴趣这才猛涨。由于嵌入式与 系列%兼容,超小 尺寸,低功耗,高可靠性,适用于恶劣环境,抗震性好,所以它一投入市 辽宁一程技术人学硕士学位论文 场,即受到广大用户欢迎。 目前,在嵌入式微处理器系列中的和,这种性能价格 比合理,并有、、、和等著名的制造商支持。 现在软件系统成为设计者和用户选择的重要因素。人们选择架构作为嵌入式的重要原因是因为它具有和 操作系统的兼容性,有一系列易于使用的开发工具,以及众多的流行的应 用软件支持。 从年公司进入个人计算机市场以来,技术已经渗入 到人类生活的各个领域,“机无处不在”。伴随着机软硬件技术,网 络技术和现场总线技术不断发展,借助于机规模经济效益,基于的 嵌入式机在工业测控领域得到了异常广泛的应用。 ..嵌入式的优点 嵌入式控制器 ,是把计算机硬件和软件嵌入 在单片芯片的控制器。它已成功地应用于家用电器、仪器仪表等小型系统 中。而一些存储容量大、带有文字图像处理的较复杂的嵌入式系统,因单 片机的寻址能力及运算处理能力的限制而不得不选用高性能的微处理器。 由于机大底板简单地嵌入在系统中,该方式虽简单有效,但该应用系统 有体积庞大,可靠性差及性能不高等弱点。而嵌入式其技术特点是将 机的主要硬件、、硬盘、扩展槽、/口、网络等集成在一张信 用卡大小的主板上,将操作系统和软件存储在芯片中 ,嵌入式机功耗低,可靠性高,功能强大,抗恶劣环境能力更强, 运行速度更高,具有很高的性能价格比,完全取代了单片机的位置。 嵌入式与标准完全兼容,采用与标准相同的硬件结构,软 件操作系统和软件开发平台,具有大量富有丰富经验的软硬件开发人员。 使用嵌入式进行产品开发时,设计人员不需要在嵌入式系统自身的硬件 电路和底层操作系统软件设计上耗费大量精力,而是将工作的重点转向应 用扩展卡、应用软件上,将精力投入到终端产品开发上。在工业自动化领 域,用嵌入式来开发单件和小批量的自动化设备和装置,将来利用网络 功能的嵌入式来设计网络化测控设备是一个必然的趋势。 嵌入式系统以其小型、专用、易携带、可靠性高等特点,目前已经广 泛应用于工业控制、网络通信、军事国防、消费电子、医疗电子仪器、数辽宁工程技术大学硕十学位论文 据采集设备、办公设备等各个领域。基于嵌入式芯片的工业自动 化设备具 有很大的发展空间。 .伺服系统的简介 ..伺服系统的历史 伺服控制技术是自动化学科中与产业部门族系最紧密,服务最广泛的 一个分支。世界上的第一个伺服系统由美国麻省理工学院辐射实验室于 年研制成功,这就是火炮自动跟踪目标的伺服系统。这种早期伺服系 统都是采用交磁电机扩大机一直流电动机式的驱动方式。这种系统由于交 磁电机扩大机的频响差,电动转动部分的转动惯量以及电气时间常数都比 较大,因此响应比较慢。 第二次世界大站期间,由于军事上的需求,先进的武器和飞机的控制 系统以及加工制造武器的复杂零件的机床等控制系统,均提出了诸如大功 率、高精度、快速响应等一系列高性能要求。当时若单纯地用电磁元件己 很难,甚至根本不可能满足这些要求。而液压系统具有的一些特 点正好适 合于这种场合,从而促使人们更深入地研究液压技术。在这种背景条件下, 液压伺服技术迅速发展起来,到年代末期和年代初期,有关电液伺 服技术的基本理论日趋完善,从而使电液伺服系统的应用达到了前所未有 的高潮,并被广泛地应用于武器、舰船、航空、航天等军事工业部门以及 高精度机床控制。它表现出无与伦比的快速性,低速平稳性等一系列优点。 因此,年代的伺服系统中,液压控制有优于直流伺服电动机控制的趋向。 有一些由电机拖动的机床给进系统,也相继改成了电液伺服系统。 但是,液压系统存在漏油,维护修理不方便,对油液中的污染物比较 敏感,而经常发生故障等缺点。另一方面,机电伺服系统在一些重要元器 件的性能上有新的突破。尤其是年可控硅的大功率半导体器件一晶闸 管问世,由它组成的静止式可控整流装置无论在运干于性能还是 可靠性上都 开始具有明显的优势,年代以来,国际上电力电子技术即大功率半导 体技术突飞猛进,推出了新一代的开和关都能控制的“全控式”电力电子 器件,如可关断晶闸管,大功率晶体管,场效应晶体管 等。与此同时,随着稀土磁材料的发展和电机制作技术的进 步,相继研制出了力矩电机、印刷绕组电机、无槽电机、大惯量宽调速电 机等性能良好的执行元件,与脉宽调制式装置相配合,使直流电源以一 辽宁工程技术大学硕士学位论文 的频率交替地导通和关断,用改变脉冲电压的宽度来改变平均输出电 压,从而调节电动机的转速,大大改善了伺服系统的性能。力矩电机是一 种低速电机,调速范围广,低速平稳性好,最低平稳转速很低。这样可以 用电动机直接拖动负载而省掉中间减速器,从根本上避免了齿隙,空回所 带来的一系列问题。 ..伺服系统的发展 伺服系统隶属于自动控制的一个组成部分,早先是以经典的频率法进 行分析和设计的。它是以传递函数、拉普拉斯变换和奈奎斯特稳定理论为 基础的。年代发展了根轨迹法。这种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 是根据闭环传递函数特征方程 的根在复平面上的分布,以及开环传递函数的零点和极点情况来判断增益 对系统稳定性、动态特性、带宽等重要指标的影响而进行补偿器的设计。 这些方法对于解决多变量时变系统是无能为力的。到年代发展了现代控 制理沦,适用于多变量时变系统,为计算机在伺服系统中的应用奠定了理 论基础。 随着控制技术的发展,对伺服系统的性能不断提出新的要求。近年来, 数字技术的飞速发展,将计算机与伺服控制系统相结合,使计算机成为伺 服系统中的一个环节已成为现实。 随着大规模集成电路的飞速发展,以及计算机特别是微处理机在 伺服控制系统中的普遍应用,近年来,构成伺服控制系统的重要 组成部分 一伺服元件发生了巨大的变革,并且向着便于计算机控制方向发展。为提 高控制精度,便于计算机联接,位置、速度等测量元件趋于数字化、集成 化。即使是模拟式的伺服元件亦在向高精度、低噪声的方向发展。 总而言之,微电子学的突飞猛进、大规模集成电路的成批生产、微型 计算机的广泛应用,使得伺服技术获得迅猛发展。其中微处理机,使现代 控制理论在伺服系统中的应用得到有力的支持,架起了现代控制论通向伺 服系统领域的桥梁,大大改善了控制性能。而电力电子学的最新成就,又 促进了伺服系统的发展。展望未来,新器件、新理论、新技术必将驱使伺 服系统朝“智能化”方向发展,赋予人工智能特性的伺服系统以及智能控 制器在近几年内必将获得广泛应用。 .本课题研究内容与目的 本课题围绕基于嵌入式的位置伺服系统中的组成 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 及硬件构成完辽宁工程技术大学硕士学位论文 成了以下工作; 采用嵌入式作为位置伺服系统的核心控制器的设计方案。 结合自动裁断机的工艺要求,将嵌入式应用到位置伺服系统 中,以达到对裁刀的精确定位。 介绍嵌入式内部基于总线采样输出卡及外部接口卡的设 计和制作。 对系统的控制软件进行了设计。 本系统采用的智能算法;用软件将轴角编码粗精通道合成, 便于人工设定粗精组合比的方法及调试结果。辽宁工程技术大学硕士学位论文 .嵌入式的位置伺服控制系统设计 首先阐述了基于嵌入式的位置伺服控制系统的基本设计方案,然后 结合本课题的研究目标说明本课题的主要考虑因素,最后确定本课题的设 计选型方案。 本套系统要完成的主要任务就是使帘布精确定长输送和对接,控制系统 的核心就是准确定位。定位系统根据用户设定的定位数据实现其定位控制。 本系统采用嵌入式作为控制系统的核心,嵌入式接收用户指令并转 换成响应的定位控制信号发送给驱动器,经/变换器将计数值变换成模 拟电压,作为速度命令,使伺服电机旋转,并与轴角编码器反馈回来的信 号进行比较,产生偏差值,直到该偏差值足以维持伺服电机以所设定的速 度旋转为止。 绝大部分位置伺服系统控制计算机部分主要由单片机组成,但是由单 片机组成的系统可变性差,程序修改比较麻烦,缺乏人机交互界面。本系 统研制的目的要有很强的灵活性。为了克服单片机的不足,控制计算机采 用嵌入式,它拥有与个人计算机相同的体系,完全兼容,可以 运行能运行的所有应用软件及操作系统。 嵌入式在每个采样周期读取通过由受信仪、粗精组合的自整角机到 数字量转换摸块组成的轴角编码装置得到粗、精两个通道各位二进 制数的角位移反馈信号,经过组合运算得到位的角位移反馈信号与给定 的信号比较,再通过一定的控制律求得这个周期要输出的控制量, 送到驱 动器来驱动伺服电机向给定的角位移信息转动。 .硬件结构 控制系统主要包括嵌入式?,通用外部设备接口及接口控 制电路,伺服系统。 系统的结构原理图如图?所示。辽宁:程技术大学硕士学位论文 轴角编码器 图一 位置伺服系统原理方框图 . ?简介 随着嵌入式控制的发展,越来越多的应用场合需要更强大功能、更小 巧体积、更低功耗和更高可靠性的控制产品,?就是满足这一需求 的最新超小型嵌入式控制产品。本系统选用?,它被设计成为可方 便与周边设备及模块构成完整系统的核心部件。其在板不仅包含了一般 机的母板、扩展板的功能,更为嵌入式控制提供了特有功能。超小尺寸尺 寸仅为.,上面集成了、内存、电子盘、串并、软硬盘 控制器、键盘控制器。接口为标准一,包含完整的总线信号。 使用时与用户基板平行安装。嵌入式可以通过一串口对驱动器进 行参数设置,查看驱动器状况。 ..嵌入式的模板 本系统选用?/一 模板,模板作为一个系统的主控 制器使用。在模板上已配备了的内存和的电子盘。 其?/一 模板如图?所示。 图? ?/一模板辽宁程技术大学硕士学位论文 ?具有一台标准?的通用接口功能,包括 一个硬盘控制器 .一个标准软盘控制器 .一标准键盘接口 .两个串行通讯接口电平输出 .一个并行输出接口支持, .和喇叭输出信号 .的内存 .的电子盘或方式 .看门狗 ,?已在模板上集成了看门狗电路 .个中断通道,个通道,个定时器通道: .双一串口 .. ?接口 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 ?的所有模板使用了一种通用的一内存插座作为连接件, 采用线的金手指连接方式,其模板和扩展模板的插座略有区别, 以防插错,几个扩展模板间没有区别,可以随便接插就象插槽一 样。 模板线的每线定义见表?,可以看出接线分几类。 总线信号:? ?数据地址信号, 等 各种读写控制信号, 等特别功能信号,包含了标准 总线上的所有数据信号。硬盘控制信号: 等 两个串口相关信号: 等 软驱控制信号: 等 并口控制信号: 等 键盘信号: 其它辅助信号: 等特殊功能信号: 等辽宁工程技术大学硕士学 位论文 ? 表? 模板接线表辽宁工程技术人学硕士学位论文 一图? ?插座辽宁工程技术大学硕士学位论文 图? 模板 . 基于总线接口卡的设计 嵌入式作为位置伺服系统的核心,需要对系统的实际位置 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 信号 位进行采集,经过运算输出模拟信号去控制驱动器,达到指定位置。本系 统共有数字量输入位,包括粗通道位、精通道位。数字量输出 位,为经过粗精组合和纠错的实际轴角输出。路模拟量输出,分别是主控 信号和前馈信号输出。 嵌入式具有良好的扩展性能,很容易用接口卡扩展这些输入/输出 /端口。扩展接口卡通常基于两种计算机总线,和。即外围设备互连总线, 总线宽度是位并可升级到位,时钟频率为/,数据传输速度 高达/位总线、/位总线。总线协议非 常复杂,其总线规范定义了严格的电气特性和时序要求,它要求在接口卡 和终端设备之间有一个总线接口控制器,以解码总线规范并完成数据 传送,这需要对总线规范有非常深刻的理解。开发接口大体有两 种方式:使用专用的接口芯片和可编程器件。因而开发基于总线 辽宁工程技术大学硕士学位论文 的接口卡有一定的难度,故本系统接口卡是基于总线的。 即工业标准结构总线,时钟频 率较低,很容易用常规元器件完成接口电路。其数据传输速度为/, 远超过了位置伺服系统控制所需要的传输速度。 本系统共设计了两块电路板,一块是基于总线的接口卡,插入嵌 入式模板内部扩展槽上,用于和嵌入式接口。另一块是位于嵌入式 外部的接口电路板,用于采集受信仪信号和数字信号的电平转换。 .. 总线简介 是由公司, 和集团联合开发了与?原 装机总线意义相近的工业标准结构总线,也称为标准。它的数据宽度 /位,工作频率,数据传输率/。 位扩展/插槽由个引脚组成,用于位的插卡,/位的 扩展插槽除了具有一个位线的连接器外,还有一个附加的线连接 器,这种扩/插槽既可支持位的插卡,也可支持位插卡。 总线的主要性能指标如下: ./地址空间一 .位地址线可直接寻址的内存容量为 ./位数据线 .引脚 .最大位宽位 .最高时钟频率 .最大稳态传输率, .中断功能 .通道功能 .开放式总线结构,允许多个共享系统资源 插槽如图?所示。 总线共有条信号线。在扩展槽中,这条信号线分成两段,第 一段~及~的线插槽即为位插卡插槽,它与/ 位总线完全兼容。第二段~和~为总线增加的线插 槽,它和线插槽一起供位插卡使用,使系统的寻址空间从扩 充到,并使数据线从位拓宽到位。分成两段的处理方法使总辽宁 工程技术大学硕士学位论文 线具有良好的兼容性,只是在/系统中条信号线中的部分信号线 的名称与总线略有区别。 各信号线功能如下: ? 翳 彳 幅 唧 ? . . ; :紫.?卧 ., ;, . 悖 排 耐噶 ? ‘ , , ? , ?.恺 ?‘ , 一 ? , 卧 瓤 穰 雌 封 嗍 .‘ ‘ ?.泯 图? 总线插槽示意图 辽宁:程技术大学硕士学位论文 第一段条信号线按功能可分为五类: .地址线~共条 条地址线用以表示地址空间中最低的内存地址或/地 址。为最低位,为最高位。用于表示/地址时,只有~有 效,即只有个 /口可以被寻址。 .数据线~共条 条双向数据线用于在、存储器和/控制器之间传送数据。 为最低位,为最高位,每次可传送一个低位字节。 .控制线共条 一和一分别为内存储器写和读命令信号线,它们表达 想要对地址总线上提供的地址所指明的内存单元进行读或写操 作。前缀 可理解为,即对“小”的存储空间有效。因此,一和一 仅在访问地址空间中最低的时被激活。 是总线控制器的地址锁存允许信号,用于把给出的地址码锁存 到扩展插件板上。 条请求信号线~和条响应信号线一~ 分别用于外部设备向发出直接访问存储器的请求以及对这种 请求的认可。外部设备的请求是通过控制器向发出的,在这 条请求线中级别最高,级别最低。响应请求后,控制 器将占用总线并进入周期。 信号线为高电平时表示系统正处于周期,在此期间,所有地址 线、数据线、内存和/读写均受控制器控制,而不再受控制。 信号线可发出一个脉冲信号,表示以方式传送数据己经达到了 预定的字节数,以便结束一次数据块传送。 一和一分别为/设备写和读命令信号线。 条中断请求信号线~和用于将/设备的中断请求 信号经中断控制器传送至。在这条信号线中,级别最高, 级别最低。 信号线表示目前正处于高速存储,通知无须插入等待周期。 一信号线表明对存储器刷新请求的响应。辽宁上程技术人学硕士 学位论文 .状态线共条 信号线在正常情况下为高电平,表示/通道就绪。当低速 设备开始工作时将此线拉为低电平,以便在机器周期中插入称为 等待状态 的额外时钟周期,以同步与低速设备之间的数据流。 ~信号线为/通道奇偶检查,低电平时表明外设接口或扩充 存储器发现奇偶错误,将会向发出一个不可屏蔽中断。 .辅助线和电源线共条 .线连接高频振荡器,频率为.。 线是系统时钟信号线,频率为./.。 线用于重新启动系统。 电源线共有条,分别为、一、两条、一和地线三 条。 第二段条信号线功能说明如下: 条地址线~使 系统的地址线从条扩展到条 ~与线插槽中的 ~是重复的寻址空间达。 条双向数据线~使系统的数据线从位扩展到位。 ~ 用以传送高位数据。 一和一分别为存储器读和写命令信号线,用于访问最低 以上的存储空间。 通过把一和一线拉低,和/卡就可以在位数 据线而不是位数据线上传送数据。 为高位字节传送允许信号线。 一线允许一个有的外设卡占用系统的地址、数据和控制线。 但是这种占用不能超过,不然的话存储器内容会因得不到刷新而 丢失。 线插槽中增加了条请求、、、和 条响应信号线 一、一、一、一,条中 断信号线、 、、、。另外,还增设了一 条电源线和一条地线。 ..译码电路 地址译码电路如图?。我们研制的这块扩展卡上不带存储器, 故只需要对该卡进行/方式寻址。对于扩展卡,一般来说只需对~ 辽宁上程技术大学硕学位论文 进行译码。总线规范规定对位方式寻址,其地址必须是偶数,也 就是说地址线的最低位必须为。该卡的/端口均是位,共有 个,因每个端口地址均需要偶数,故该卡共占用个/地址。为了避 免与其它板卡地址发生冲突,用位跳线开关和位数字比较器 来选择地址范围。地址选择见表?。 表? 开关状态对应的地址范围 表示闭合 表示打开 ~ ~ ~ ~ /地址范围 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ . ~ 为了告诉总线对该卡/端口操作是位的,在操作时应该把 一线拉低以区别位/操作。 对于数据总线。用两片三态收发器对根数据线进行驱动扩 展和缓冲。 /读写信号一、一也要进行驱动扩展。 辽宁程技术大学硕士学位论文 图? 地址译码电路 .. 时钟及中断产生电路 在本位置伺服系统中,采样周期为左右,因此系统必需有高精度 的定时器来保证采样周期的精确。 嵌入式的主板上个计时计数器,所用的芯片是或 计时计数芯片,其有个独立的计时通道: .通道:供系统一般计时器用,其门控信号接至高电平,使得计时器 一直工作。通道的输出接至系统中断控制器的输入, 设定为方波产生器,初值载入为,因此在正常情况下每秒钟将产生. 次的中断,即利用此周期性的中断来维持电脑的时间计时。 .通道:供系统存储器刷新用,门控输入接高电位,计时器工作一直 有效,的在启始时就设定此通道工作于方式,作频率发生器用, 计时器每‖产生一次存储器刷新信号,由于系统的主存储器采用动态 设计,因此存储器刷新周期与系统的是否正常工作密切相关。 .通道:此计时通道用于喇叭驱动,门控输入可以控制启动或关 闭。 若启动后,设定为工作方式作为方波产生器可以持续地由此通道 送出固 定频率的方波信号至喇叭,驱使喇叭发出声音。 我们在研制的这块扩展卡上增加了一片计时计数器。见图 ?。 辽’于程技术人学硕士学位论文 图? 时钟及中断产生电路 是一个多功能可编程的计时计数器芯片,工作频率最高为。 本身具有组完全独立操作的位计数器,每一组计数器可以使用 软件设定为内种特定的工作方式: 方式:计数结束时产生中断 方式:可编程的单脉冲发生器 方式;比例式脉冲发生器 方式:方波发生器 方式:软件触发拾取 方式.硬件触发拾取 我们设置的工作方式为方式,计数结束时,通过总线使 产生中断,由采样、运算、输出控制。 ?的中断共有个,扩展卡的中断不能象扩展卡那样 可以共享,其所用中断必需独占。为了避免中断产生冲突,我们用 跳线开 关来选择该卡所占中断。设置见表?。辽宁工程技术大学硕士学 位论文 表? 跳线开关状态对应中断号 表示闭合 表示打开 ..数字量输入/输出电路 在该扩展卡上,为了扩充数字量输入、输出通道,我们用了片 和。见图?。 一片作为高位,另一片作为低位, 口用来输入上位机或 数字信号发生器的位给定伺服系统角位信号。口用来输入粗通道 输出的 位粗角位信号。口用来输入精通道输出的位精角位信 号。其中高位的口低位作为输入,高位用来控制扩展卡的 中断输出、/的输出和指示灯。 片构成输出缓冲电路,用来输出经过粗精组合得到的位 实际伺服系统的角位移信号。辽宁,:程技术人学硕士学位论文 一 精通道 粗通道 ~ 给定信号 粗精组 台输出 ~ ~ 图? 数字量输入、输出 .. /电路 /转换部分由两路组成,一路用于对加速度前馈信号的处理:另一 路用于主控信号的输出。两路均用位的/转换电路芯片和 运算放大器组成。见图?。 具有如下特点: .是电压输出型,片内基准电压源和片内锁存器。 .双缓冲器、锁存器结构,可以直接与、、或位数据总线接 口,输入端口兼容或伏电平。 .内部高精度伏基准电压源,最大误差不超过士%,而且输出 外用。辽宁工程技术大学硕士学位论文 .增益和偏置电位器与内部阶梯网络匹配可以保证很低的温度漂 移和 零点漂移。 .高速高精度输出,从/低有效位到满幅伏输出只需要 .‖。 .可以很方便得与微处理器接口。 图? /输出电路 外围电路的连接使得两路 /输出满幅都是?,加速度前馈信 号经过适当滤波和主控制信号经过加法电路叠加,再限幅后输出 控制电机 驱动器。 .外围接口电路设计 外围接口电路是位于嵌入式?外面的一块与受信仪, 和数字信号发生仪接口的电路板。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 与受信仪、接口电路见图? ,由于受信仪、都用到 中频电源,所以其输出与 扩展卡之间全部用光电耦合器隔离。 为了延长嵌入式与上位计算机之间的通信距离,在伺服系统中上 位 机给定角位的输入端和实际角位的输出端经过了电平向电平 和电平向电平的转换电路,从而使并行信号的传递距离增加到 米,并提高了抗干扰能力。辽。程技术大学硕士学位论文 位置伺服系统的设计 伺服系统指的是一种给定值随时间任意变化的闭环的自动控制系统,它 可在一定的精度范围内快速、平稳、准确地跟踪事先并不知道其规律的任 意输入量,即系统的输出量是跟随输入量的变化而变化的。所以在有的文 献中又将伺服系统称为随动系统或跟踪系统,这类系统广泛地用于把物体 的位置、方位等作为控制量的部门,一般都要求有响应快,抗于扰能力强, 以及定位精度高等特性。伺服系统的主要特点是:系统的输入量是变化的, 输入信号可能是位置的突变、位置的不断等速递增、位置的加速度等随机 信号,要求系统能精确跟随,快速响应。因此,快速跟踪、准确定位是考 察伺服系统的两个重要的技术指标。 .伺服系统的性能指标 伺服系统的主要性能指标包括系统的稳定跟随精度、最大跟踪速度、最 大跟踪加速度或频率响应等指标,即系统的动特性。采用嵌入式控制的 位置伺服系统,可以充分运用嵌入式的计算、逻辑判断和记忆等信息加 工能力,使整个控制系统响应快,能在很短的时间内完成信号的采集,数 据的处理和实时控制。随着市场全球化的发展,客户对轮胎的质量要求越 来越高。由于自动化技术的不断提高,在要求能进行高精度剪切的自动裁 断机伺服控制系统中,应用微机技术,采用现代控制理论或人工智能理论 来进行系统控制器的设计,己经成为构造高性能伺服系统的发展趋势,这 样的系统具有许多优点:采用计算机软件取代大量硬件,可减少由于电子 元器件引起的故障,维修方便:系统动态参数调整方便;可进行系统监控, 故障自诊断,故障自动排除,以提高系统的可靠性;控制算法灵活多变, 以提高系统的动态品质。 .位置控制器 位置控制器用于对位置的跟踪检测及定位控制,是采用位置伺服控制 方式的一个中心单元,要求实现系统跟踪的快速性,定位的准确性。位置 控制器的输出经过/转换,作为速度给定。信号经伺服驱动器,驱动伺 服电机。由于所选用的驱动器里移具有位置控制器的功能,所以这里就没 有选型。 .伺服驱动器的选择 驱动器的型号为。系列为全功能、高性能的无刷位置辽宁工程技术大学硕十学位论文 控制伺服驱动器,它集成度高、体积小,是同类产品同等功率中体积较小 的?。种,且功能全,把位置控制器、伺服放大器、输入/输出接口、串行 通信等集成在一个系统中,代表了当代永磁交流伺服系统驱动器的最新水 平。 驱动器的主要组成单元有: .高性能的位微处理器。 .单片位可选位/位的旋转变压器到数字量转换器 .配有位非易失性存储器。 .装有位已固化的系统管理、通信及控制程序的存储器。 .一串行通信接口,也可跳接成一/接口。 .硬件看门狗。 .位/标准,可扩展至位/接口。 .电流环补偿模块。 .晶体管组成的功率单元。 驱动器的主要特征有: .具有多种操作模式。既可通过微机和它进行交互式操作,又可上电 后自动执行已有的调转指令集,还可通过模拟量输入口把它作为模拟驱动 器来使用,并可通过改变内部两参数/的值来改变系统的驱动 能力。在这次研制工作中,就是用其模拟量输入口来完成驱动电机的伺服 动作的,并将/设置为当输入电压为时,电机的转速为最 大值。 .超级伺服回路控制。提供平稳、高分辨率的速度和位置控制, 其定位回路彻底消除了通常系统所具有的数字抖动现象,长时间工作下速 度的稳定度可达.%。不仅如此,还可通过对内部、及参 数的调整,来调整系统的响应带宽和阻尼比。此外,通过内部设置参数, 可以使系统的启动加速度和制动加速度在和最大值之间变化。 .自诊断功能。提供全套的出错诊断过程。当系统出错时,如果处 于交互状态,则会在计算机屏慕上显示出错信息并终止系统的运行。如果 在上电时出现故障,则可以通过指示灯的闪烁次数来判断故障类型。 它还提供了在运行过程中的全面保护措施,如过电流、过电压、超温、超 速等,使系统运行更加安全可靠。辽宁工程技术大学硕士学位论文 .调整功能。用户只要设置好系统响应带宽和阻尼比的希望值, 就能通过一条简单的指令将其调整到希望状态。 驱动器的主要技术指标: 。 .位置分辨率:对于位/为. .最大编码量:个脉冲当量。 .定位精度:弧秒弧秒.。 .重复定位精度:弧秒。 .最大速度:。 :。 .调速范围: .速度分辨率:.。 .最大加速度://。 .加速度可编程范围:: .电源模块的选择 电源模块主要用来给驱动器提供的直流总线电压和士 及?逻辑电源。这里选用与放大器和电动机相配套的电源模块型号为: /一。此电源模块的输入为线电压的三相交流,每相输入 电流最大为。此电源模块已经认证,具有软启动电路、输出故障继 电器保护和再生熔断器或过载继电器保护。 .位置伺服系统的执行机构 我们知道位置伺服系统的根本任务是实现执行机构对位置指令的准确 跟踪。所谓的执行机构就是由一台伺服电机及其驱动的负载所共同组成的。 因此,位置伺服控制系统对执行电机的基本要求是: 具有良好的可控性,在控制信号到来之前,电机静止不动,控制 信号不等于零时,电机的转速与转向取决于控制信号的大小与极性或相位, 而且电机的转速与控制信号具有线性调节特性。 具有快速响应特性,要求执行电机在控制信号到来时,能快速起动; 在失去控制信号时,能迅速停止;在控制信号的大小变化时,电机 能迅速 跟上信号的变化。 运行稳定性好,能在较宽的速度范围内稳定运行,也就是说,转 速可随着转矩的增加而均匀下降。 在同样负载的情况下,执行电机的功率较小。 辽宁:程技术大学硕十学位论文 交流伺服电机就是能满足上述要求的一类执行电机。 执行电动机选用科尔摩根公司的中惯量子系列交流伺服电动机,型 号一一一的中等惯量的永磁同步交流电动机,它采用高能烯土 材料钛铁硼作为永磁材料,因此具有体积小的特点。这种电机按电动 机防护等级生产,使电动机具有卓越的连续和峰值力矩特性,且能在严酷 的工业环境中可靠地运行。电动机采用级绝缘,绕组寿命较长。由于其 轴承预先加载,则轴承工作寿命更长。电动机设计在正弦波电流放大器驱 动下工作,因而能提供最平滑的低速性能。另外,电动机绕组内装有热保 护器,能有效地防止过热现象的出现。 其主要性能参数如下: 。 .额定功率:. .最大转速:。 .额定转矩:.。 .最大转矩:。 .转子转动惯量:.。 .轴角编码装置 位置伺服系统中,位置反馈是必须要用的。位置给定是角度的数码, 位置反馈信号是代表角位置的物理量,送入计算机的反馈量是位置信号的 编码。 轴角编码装置的功能是测量数字伺服系统输出轴的位置并将其转换成 自然二进制码,用来实现系统的主反馈。它主要由受信仪、自整角机到数 字量转换模块组成。受信仪为现成产品,其本质就是自整角机。 运动 减速器采用小模齿轮减速器,可以较好地消除齿间间隙。科尔摩根公司生 产的电动机的最大转速这一技术指标有%的裕量,可以保证调整轴角速 度。 在一般情况下,自整角机有两个输入信号和一个输出信号。它的两个 输入信号和是两个机械上相连接并且可以相距较远的转轴转角,对 于控制式自整角机,其输出为交流电压信号: 一 一 式中?为失调角。当失调角较小时,上式可等效为: ? 一辽宁工程技术大学硕士学位论文 故在控制系统框图中,控制式自整角机起比例器和比较器相结合的作 用。 这种方式的接线情况见图?。 图?控制式自整角机原理图 而在这里,自整角机的激磁绕组由于转角的变化在三相定子绕组上感应 出的电动势。 、和分别对应电机的、和绕组则作为 输出信号,送入模块,由它进行处理得到转轴的绝对角位置%。在本 系统中,为了提高测量精度,两个白整角机通过粗精组合的形式 共同工作, 他们之间的速比可以通过粗精两转轴之间的减速齿轮来调节。变 比可以设 为:、:、:等。 每个白整角机的三相输出连同的励磁电源一起接到一片上, 通过两片转换成两路粗、精位数字信号,然后再由计算机将这两 路 位数字信号组合成位的位置信号。 其粗通道电路见图?精通道电路与此类似。 辽宁上程技术人学硕士学位论文 硭 揣 ??虬 , 如 ??. 丽 ‘ ? ??耗 ? , 町 持 罔 啦 。 ? 盟 【: 二 ? 白整角一数字转换譬插逆输入 ? , 粥 ? ? ?聪: ? ., ?‘ ? ???? ?工』 阳 ”“. ? ? 订 一 柏 . 图?粗通道轴角编码器电路图 图?中的是锁存器。用来锁存转换完成的数字量,以 提供足够的时间让嵌入式对该数字量进行处理,同时完成当粗、 精通道 两个中的任一个的忙信号为高时正在转换,禁止对它们的输出进 行锁存,避免不可靠数据的出现。 为双可触发单稳态触发器。外围电阻、电容值的选择使其为 和产生适当的锁存使能信号,它的号引脚接的忙 输出端。即使其输出脉冲、的上升沿较的忙信号的 上升沿延迟至少./ 。从而保证了上升沿来到时,模块的输出数 据有效。但其延时不能大于两个忙脉冲之间的时间段 ,如图?所 示。辽宁工程技术大学硕十学位论文 图? 工作时序 可这样计算,设自整角机中精通道的最大角速度为单位: 度/秒,的分辨率为位,则有: ’ ‰。:.罢 “瓦 如果粗通道的最大角速度为/,受信仪粗精通道的速比为 :,故为:/,模块的位数为位,故有: 计算延时的经验公式为: :柰:.黑。.舢 。。叫磊~删 。. 其中: ‘为延时时间,单位为‖。 为外围电阻值,单位。 为外围电容值,单位。 为常数,取决于芯片型号。 在接受粗、精通道的双速数字转换系统中一般会出现这样一种情况: 精通道的高位轴角转换数所表示的粗通道轴角与粗通道的低位轴角转换数 余数部分所表示的粗通道轴角不一致,这是由于双速系统中粗、精发 送机齿轮间隙或发送机在几个主要交换点上轴角读数的不一致所引起的。 通常的做法是采用双速处理器模块,中有失配校正逻辑电路,通过 它根据精通道高位轴角转换数对粗通道转换数进行校正,就可以得到一个 代表粗通道转轴角度的数字量。校正不一致性失配的能力或称纠一 辽宁:程技术人学硕士学位论文 错能力为士/.为速比。 使用模块代替用别的电路或软件进行纠错处理的方法的优点是其 组合速度快。但模块能处理的粗精比是固定的,纠错能力在粗精比大 的情况下较弱,所以本系统用软件进行粗精组合和纠错。粗精比可以根据 需要在:~:任意调节,纠错可以更灵活。粗精组合公式如下: 啕 %合塑告型取.础疗 其中: “组台粗精组合后结果,单位是弧度; “粗粗通道值,单位是弧度; “精精通道值,单位是弧度; 粗精比。 用软件进行粗精组合和纠错,每个采样周期都需要计算,单片机计算 能力相对较弱,而嵌入式有很强的计算和逻辑判断能力,很容易完成粗 精组合和纠错运算。 模块具有:.动态响应好,在位置伺服系统中使用时,可略去其 时延及滞后;.抗震性能好,能用于工作环境比较恶劣场合;.工作可 靠:.体积小重量轻。辽宁程技术人学硕士学位论文 .控制系统软件设计 位置伺服系统的控制功能由硬件和软件设计实现,伺服系统软件的功能 主要有 保证硬件正常工作,完成设计要求。 实现伺服系统的控制规律。 完成系统各种控制功能。例如:外部中断控制功能,各种位置和 保护控制功能等。 完成系统运行状态和参数的显示。 使系统具有方便的调试功能。 为实现上述的目标和功能,位置伺服系统软件包括了主模块和各种子程序 模块等。图.绘出了系统主程序流程图。在主程序中完成了系统 各部分 的初始化,再根据系统的运行方式的设定,转入相应的自动工作和调试运 行。图.绘出了外部中断服务程序流程图。当产生中断时,由程序判断 是哪一个中断源引起的中断,再转入相应的中断服务程序,进行中断处理。 各中断源的中断优先级,由程序决定。 根据?的特点采用语言作为开发平台。采用作为运行平 一 台。从而充分利用了?的功能。 .系统主控程序的设计 系统主控程序的设计首先完成的初始化,如变量的显示、键盘 等的初始化、对控制器的初始化包括设景堆栈时钟,对各通用接口写入 控制字,置中断屏蔽等。设置系统中断时钟。为系统中断提供服务。然 后开始主循环程序,对被控对象进行控制。 系统控制主流程图如图?所示。辽宁】:程技术大学硕士学位论文 图?系统控制主流程图辽宁一程技术大学硕士学位论文 说明: 控制器初始化,本系统在正常工作时通过总线扩展卡输出模 拟量来驱动伺服驱动器,因此,在系统正常运行前要对驱动器进行 初始化,对驱动器的一些参数进行设置。在设置这些参数时,是通 过与?相连,进行通讯。 实时时钟初始化,这部分主要是设置内部时钟中断的周期, 此周期控制伺服对象,利用内部时钟产生中断,在程序初始化时通 过调整时钟周期达到调整采样周期的目的。 主循环部分,这部分包括对控制对象的驱动、状态的检测等,同 时还要对人机界面进行监控,包括显示驱动、功能键的扫描等。中 断服务、对反馈信号的采集。 .系统中断服务程序的设计 系统中断服务程序,这部分一方面为系统内部时钟中断服务,另一方 面对系统反馈信号进行采集。对采集来的数据进行相应的转换,然后对转 换后的数据运用各种控制算法进行运算,实现对控制参数的整定;同时输 出运算结果。 系统中断服务流程图如图.所示。 数据采样 数据换算 应用控制算法计算 计算结果输出 图?中断服务程序流程图辽宁工程技术人学硕士学位论文 说明: 这部分首先对数据进行采样,然后进行数据换算,应用控制算法对 数据进行运算,计算出结果输出。用中断方式对伺服系统进行控制,以保 证控制的实时性。辽宁上程技术人学硕士学位论文 系统实现与调试结果 本章介绍了位置伺服系统的控制算法及调试结果。 .位置伺服系统数学模型 伺服系统的组成主要有电机驱动放大器、执行电机、惯性负载和齿轮 减速器,如图?。 图一被控对象结构框图 图一中控制变量为电机驱动放大器的输入,电机驱动放大器可近 似地看成一个比例环节,而执行电机则简化为一阶惯性环节,受信仪看作 为一积分环节。其中的内环反馈完成电流负反馈环节功能。 整个调节对象简化的结构框图为图?。 图?被控对象传递函数框图 注: 为放大器环节。 为执行电机环节。 为减速器环节。 将图?进一步简化可得被控对象的传递函数的形式为: 鳖:坠 ? ; 式..中的系数为减速比,和可通过试验法来确定 . 减速比的确定:辽宁工程技术大学硕士学位论文 执行电机的运动经过速比为:的减速器传递到输出轴对应的受信 仪 粗测自整角机,因此有: . ? . 比例的确定: 在驱动器模拟量输入端电压为满幅时,执行电机的转速为 设定的转速?,化成占占。度值则为: 塑× 世。:鲤 下 . 电机时间常数,的测定: 给驱动器加一阶跃信号,则电动机转速按指数上升,用示波器记 下电动 机速度响应曲线,从图中找出速度上升%时所需的时间即为。。 .控制算法 算法是位置伺服系统中一种非常有效的控制算法,常规的控 制存在不足,本系统中我们采用了智能算法。 ..常规控制的不足 常规控制在动态性能和稳态精度的参数调整中存在着矛盾,我们 知道控制包括比例、积分和微分三种控制,其作用分别如下: . 比例作用加大,可以提高系统的响应速度,但比例作用过大会使 动态性 能变坏,超调增加,还会导致闭环系统不稳定。比例作用变小,系 统响应 变慢。 . 积分作用有利于消除稳态误差,但又会使系统过渡过程变长。 . 微分作用适当增大有利于减小超调,但调节时间增加。但是微分作用会 使系统对扰动的抑制能力减弱,在误差信号带噪声的情况下,还会起到放 大噪声的作用。 常规控制中,对系统的动态特性要求不高时,可以在动态性能和 稳态精度的参数调整中找到一组折中的固定增益参数来作为线性控制 的参数。但如果对系统动态特性要求相对较高时,则常规的线性控制 就很难达到设计目的。这时可以考虑用增益参数的非线性变化特性来解泱