嵌入式智能多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

1、廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文嵌入式智能多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)姓名：蘇永鋒申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：精密儀器及機(jī)械指導(dǎo)教師：王桂棠20100601摘要摘要多軸運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)成為開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的核心構(gòu)件之一，廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng) 伺服控制。電子軸傳動(dòng)技術(shù)是大型印刷成套設(shè)備的發(fā)展方向，多軸運(yùn)動(dòng)控制器是 電子軸傳動(dòng)系統(tǒng)的核心，直接決定了整個(gè)裝備的關(guān)鍵技術(shù)性能.在詳細(xì)論述嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)比各種運(yùn)動(dòng)控制方案的 優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，提出了一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)控制方案.該方案控制器集運(yùn) 動(dòng)控制和伺服驅(qū)動(dòng)于一體，既可以獨(dú)立運(yùn)行，又可以和上位機(jī)聯(lián)合控制，具有可 重構(gòu)性。分析了電子軸串行和并行兩種同步控制方式，

2、采用基于電子軸并行控制方式 來(lái)設(shè)計(jì)多軸運(yùn)動(dòng)控制器。通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)的模型分析，運(yùn)用空間電壓矢量控 制方法SVPWM設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)器。采用了前饋復(fù)合控制方法進(jìn)行位置環(huán)控制，設(shè)計(jì) 了PI參數(shù)模糊自整定方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服控制器中電流環(huán)和速度環(huán)PI控制器參數(shù)的 自適應(yīng)修正；采用MATLAB對(duì)多軸控制器進(jìn)行仿真，結(jié)果表明該控制方式可行，效 果良好.選用Xilinx FPGA作為硬件平臺(tái)，進(jìn)行位置、速度壞設(shè)計(jì)。應(yīng)用FPGA的system generator (SG)s Ver訂og HDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)了適合電子軸控制的 多軸運(yùn)動(dòng)控制器，并對(duì)其在印刷包裝機(jī)械電子軸控制中的應(yīng)用進(jìn)行了測(cè)試分析， 結(jié)

3、果表明該運(yùn)動(dòng)控制器性能良好。關(guān)鍵詞：印刷包裝機(jī)械、三環(huán)控制、伺服控制、嵌入式、FPGA廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractWith the continuous improvement and development of motion control technologys , motion controller, being widely used in various industries, has become one of the core component of the open Computerized Numerical Control (CNC) system.Firs

4、t this paper details the status and trends of motion control technology compares the characteristics of a variety of motion control programs, proposes a based on FPGA, motion control and servo drive set in one of the embedded multi-axis motion control programs based on the current lack of implementa

5、tion» and this programs , reconfigurably embedded with intelligent multi-axis motion controller and applied to e-axis drive control system of the printing press, can run independently, also can achieve joint control with PC.Then, this paper elaborates on the vector control of permanent magnet s

6、ynchronous motor and motion controller model study. Through analysis of permanent magnet synchronous motor model, the use of space vector control servo drive designed SVPWM Combined with feedforward control the completion of the position loop control, using fuzzy self-tuning PI servo controller to a

7、chieve the current loop and speed loop PI controller parameters of the adaptive correction. Using MATLAB simulation of the controller design ideas.It achieve the functions of three-ring closed-loop control in the FPGA based on this design ideas.This motion controllerv have better control effect for

8、using Xilinx FPGA hardware circuit for position, velocity loop design SOPC technology ,namely System On-Chip Programming, put the whole system in a piece of silicon by using programmable logic technology. It is the flexibility in the application and the price has great advantages, combined with its

9、powerful features, to use its scalable, extensible, easy upgrade, enabling a more open structure and higher performance controller.AbstractFinally a summary and outlook is at the end of this paper, and the autor make some suggestions for further work.Keywords： package printing machinery ;three-loop

10、control; servo control; Embedded; FPGAill第一章緒論第一章緒論1.1引言隨著運(yùn)動(dòng)伺服控制技術(shù)的發(fā)展，多軸運(yùn)動(dòng)控制器已經(jīng)成為開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的 核心構(gòu)件之一，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)之中，其中一個(gè)典型例子就是多軸控制器在 印刷機(jī)械中的應(yīng)用一電子軸（無(wú)軸）傳動(dòng)技術(shù)。傳統(tǒng)的印刷機(jī)，主傳動(dòng)軸由一個(gè) 主電機(jī)帶動(dòng)，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)部件傳遞到各印刷機(jī)組，各印刷機(jī)組的同步運(yùn)轉(zhuǎn)，通 過(guò)機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn).無(wú)軸傳動(dòng)印刷機(jī)，就是各機(jī)組之間，分別采用伺服電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，甚至每個(gè) 滾簡(jiǎn)或輻子的動(dòng)力都是相互獨(dú)立的，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，省去了傳 遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的機(jī)械長(zhǎng)軸。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)在機(jī)器設(shè)備的

11、性能改善中起到了至關(guān)重 要的作用，精準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)效果和智能化的運(yùn)動(dòng)控制通過(guò)伺服產(chǎn)品可以完美地實(shí)現(xiàn)機(jī) 器的高效自動(dòng)化，因而在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等諸多機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。自 從1992年德國(guó)博世力士樂(lè)公司首次將伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)引進(jìn)印刷領(lǐng)域后，這項(xiàng)技術(shù)已 經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注和認(rèn)同，并逐漸得到推廣應(yīng)用在卷筒紙膠印機(jī)、凹版 印刷機(jī)、柔性版印刷機(jī)、標(biāo)簽印刷機(jī)、包裝機(jī)械以及印后加工機(jī)械中，都出現(xiàn)了 不少無(wú)軸傳動(dòng)控制的產(chǎn)品。目前，為印刷機(jī)械相關(guān)企業(yè)提供數(shù)控系統(tǒng)的公司主要有德國(guó)的西門子公司、 博士力士樂(lè)公司和倫茨公司、日本安川公司等。我國(guó)有十多家數(shù)控制造公司，如 北京航天數(shù)控、北京KND公司、沈陽(yáng)藍(lán)天數(shù)控、華中數(shù)

12、控、上海開(kāi)通數(shù)控、南京清 華通用、新方達(dá)數(shù)控、成都托普和廣泰數(shù)控、深圳眾為興數(shù)控、廣州數(shù)控等， 不過(guò)主要為機(jī)床廠提供數(shù)控系統(tǒng)，為印刷機(jī)械提供配套設(shè)備的國(guó)內(nèi)數(shù)控廠家還比 較少，國(guó)內(nèi)首臺(tái)電子軸傳動(dòng)凹印機(jī)，在2003年7月由中山松德研制成功。此外，寧 波欣達(dá)等幾家頗有實(shí)力的機(jī)械設(shè)備商也致力于電子軸傳動(dòng)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和不斷 探索，并取得可喜成績(jī)卩呵.將數(shù)控系統(tǒng)引人印刷機(jī)械將帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)叫結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化。印刷機(jī)械由機(jī)器軸連接整機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，改為分別由伺服電 機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的方式，設(shè)備的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，同時(shí)還可以取消了傳動(dòng)過(guò)程中的大量 結(jié)構(gòu)零件，使設(shè)備成本大輻度下降。第一*竦論1. 縮短設(shè)備生產(chǎn)周期。取消了長(zhǎng)軸，使

13、各機(jī)組相對(duì)獨(dú)立，自成體系，各機(jī)組 的聯(lián)系通過(guò)虛擬電子軸控制，這就給大批量的流水線裝配帶來(lái)方便條件，縮短設(shè) 備生產(chǎn)周期。2. 各機(jī)組相對(duì)獨(dú)立，自成體系。用戶根據(jù)個(gè)性需要選購(gòu)設(shè)備成為可能。印刷 機(jī)械企業(yè)可以根據(jù)用戶的需要，把按整機(jī)制訂生產(chǎn)計(jì)劃的傳統(tǒng)生產(chǎn)組織方式，改 為按機(jī)組下達(dá)計(jì)劃，按機(jī)組生產(chǎn)零件.使產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用性水平提高。3. 除傳動(dòng)采用數(shù)控系統(tǒng)以外，印刷機(jī)械的其他功能也可以由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 如紙張張力、印刷套準(zhǔn)、多種印刷方式組合變換、裁切、模切、電子凸輪、離合 壓、水墨平衡等。4. 采用數(shù)控系統(tǒng)還可以使使印刷過(guò)程實(shí)現(xiàn)完全的柔性化。用戶完全可以根據(jù) 需求隨意開(kāi)動(dòng)機(jī)組、停止作業(yè)等。不需要機(jī)

14、械離合器，不需要更換凸輪，還可以 根據(jù)需要開(kāi)正反車，幾個(gè)機(jī)組并行上版，設(shè)定上版時(shí)間等。因此借助現(xiàn)代智能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、伺服技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子軸印刷機(jī)成套設(shè)備控 制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，研發(fā)伺服控制高精度印刷成套設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)，具有重大意 義.1.2印刷設(shè)備電子軸傳動(dòng)發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1電子軸傳動(dòng)概念無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)，又被稱為電子軸傳動(dòng)，是指在機(jī)器傳動(dòng)中，沒(méi)有主電動(dòng)機(jī)及 傳動(dòng)主軸的構(gòu)件，而是采用多個(gè)電動(dòng)機(jī)分別向各主要機(jī)組傳遞動(dòng)力，各電機(jī)之間 由先進(jìn)的控制系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤和平衡的傳動(dòng)方式，是相對(duì)于機(jī)械長(zhǎng)軸傳動(dòng)而言的。 無(wú)軸傳動(dòng)具有傳動(dòng)精確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、各機(jī)組互不干擾、廢品率降低、減少了機(jī)器 調(diào)整時(shí)間，維修、操作方便、以及

15、遠(yuǎn)程調(diào)整和控制軟件升級(jí)方便等優(yōu)點(diǎn)。電子軸傳動(dòng)技術(shù)是凹印設(shè)備領(lǐng)域在近年來(lái)最引人注目的技術(shù)進(jìn)展之一。與傳 統(tǒng)機(jī)械長(zhǎng)軸不同，電子軸傳動(dòng)采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，采用編碼器 和相位控制技術(shù)，通過(guò)電子信號(hào)的傳送達(dá)到整臺(tái)設(shè)備的同步.傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)的 方式需要復(fù)雜的傳動(dòng)及變速齒輪，機(jī)器的生產(chǎn)成本比較高，而采用電子軸傳動(dòng)技 術(shù)可大大減少色組間走紙的路徑，從血叫有效地減少試機(jī)、起動(dòng)、調(diào)試等的材料 浪費(fèi)，同時(shí)提高質(zhì)量穩(wěn)定性和套印精度。1.2.2 E卩刷設(shè)備電子軸傳動(dòng)現(xiàn)狀德國(guó)博士力士樂(lè)公司制出了世界第一套無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)SYNAX200N,這是國(guó)際印 刷行業(yè)中最為廣泛應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，它提供了整體的自動(dòng)化控制

16、系統(tǒng)解決方 案.它采用用數(shù)字化的智能伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電機(jī)取代了機(jī)械長(zhǎng)軸、機(jī)械齒 輪箱、萬(wàn)向聯(lián)軸結(jié)和凸輪等機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)了無(wú)軸傳動(dòng)、電子齒輪和電子凸輪等 功能。數(shù)字智能驅(qū)動(dòng)器利用總線與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)同步控 制，保證了各印刷單元的嚴(yán)格同步.其系統(tǒng)軟件SynTop作為命令和診斷工具，方 便用戶直接設(shè)定系統(tǒng)工作參數(shù)，不需軟件編程，只需參數(shù)化輸入，這就縮短系統(tǒng) 設(shè)置時(shí)間.SynTop可以顯示當(dāng)前工作驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)，監(jiān)控診斷各個(gè)驅(qū)動(dòng)器的力矩、 速度和位置等信息。力士樂(lè)SYNAX 200是印刷行業(yè)模塊化機(jī)械應(yīng)用中可自由升級(jí)的驅(qū)動(dòng)和控制 解決方案從報(bào)紙印刷到印刷文檔的進(jìn)一步處理。在這些應(yīng)

17、用中SYNAX 200使用 精確同步的獨(dú)立電子驅(qū)動(dòng)取代機(jī)械驅(qū)動(dòng)元件。這一系統(tǒng)提供了高動(dòng)態(tài)伺服電機(jī)， 標(biāo)準(zhǔn)控制平臺(tái)和大量運(yùn)動(dòng)邏輯功能以便保證您最自由的個(gè)性化應(yīng)用oSYNAX200 將便捷的運(yùn)動(dòng)控制器和靈活的PLC邏輯集成于同一平臺(tái)方便且通用。優(yōu)化的運(yùn) 動(dòng)控制功能，例如電子齒輪、凸輪、張力和提示控制器保證了這一系統(tǒng)的異常高 效。力士樂(lè)SYNAX 200電子軸方案特點(diǎn)為：(1) 集成運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)邏輯，符合IEC 61131-1標(biāo)準(zhǔn)的可自由編程的PLC, 各種規(guī)格的高動(dòng)態(tài)伺服電機(jī)$(2) 參數(shù)可簡(jiǎn)單配置的軟件模塊，通過(guò)可選模塊實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)控制和驅(qū)動(dòng)的個(gè)性 化配置；(3) 使用標(biāo)準(zhǔn)接口開(kāi)放的通訊應(yīng)用；可

18、自由轉(zhuǎn)換的操作模式，方便舒適的操作 和顯示.隨著包裝印刷設(shè)備正在向綜合應(yīng)用多學(xué)科多技術(shù)實(shí)現(xiàn)多色高效高速商精度方 向發(fā)展，印刷設(shè)備正在綜合應(yīng)用自動(dòng)化伺服控制技術(shù)、智能控制技術(shù)、電子凸輪 無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化集成化高速化，呈現(xiàn)傳動(dòng)技 術(shù)從機(jī)械軸(有軸)向電子軸(無(wú)軸)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，百門子、貝加萊、包米樂(lè)和瑞諾等公司都開(kāi)發(fā)出了無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)，與 SYNAX200相比，他們的產(chǎn)品采用了不同的硬件設(shè)備，集成了相似或不同的輔助功 能.國(guó)內(nèi)的主要有中山松德、寧波欣達(dá)等企業(yè)在做這方面的工作。1.3運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)1.3.1運(yùn)動(dòng)控制器的分類隨著運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器

19、越來(lái)越偏向開(kāi)放式設(shè)計(jì).美國(guó)在八十 年代提出NGC(Next Generation Controller)計(jì)劃，該計(jì)劃首先提出了開(kāi)放式體系結(jié) 構(gòu)控制器(Open Architecture Controller)的概念。歐洲的法國(guó)、意大利、德國(guó) 等國(guó)于1995年聯(lián)合啟動(dòng)的OSACA計(jì)劃和日本等14家企業(yè)聯(lián)合提出的OSEC計(jì)劃 等，使運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)在國(guó)外得到飛速發(fā)展并使這些國(guó)家的企業(yè)走向聯(lián)合壟斷道路。 2000年，國(guó)內(nèi)的華中數(shù)控等單位提出了開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)(ONC)技術(shù)規(guī)范，制定了 ONC系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)發(fā)了符合該技術(shù)規(guī)范的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)驗(yàn)證樣機(jī)，該系統(tǒng) 具有一定的模塊化、智能化和開(kāi)放性等特征.根據(jù)數(shù)控

20、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同(PC嵌入NC型、NC嵌入PC、基于PC的全軟件型) 和數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程，PC型的運(yùn)動(dòng)控制器也有可分為三類【兒(1) PC標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為NC嵌入PC型，運(yùn)動(dòng)控制器主要采用ISA、PCI等總線接口 與PC機(jī)通訊.這類控制器大多數(shù)都采用DSP或者單片機(jī)等微處理器來(lái)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算 和控制。此類控制器可完成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、高速實(shí)時(shí)插補(bǔ)、濾波和伺服驅(qū)動(dòng)、外部I/O 之間的標(biāo)準(zhǔn)通用接口功能，并提供開(kāi)放的函數(shù)庫(kù)，用戶根據(jù)不同的需求在Dos或 Windows等操作系統(tǒng)平臺(tái)下自行開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件，組成各種伺服控制系統(tǒng).(2) 全軟型開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)為基于PC的全軟件型，此

21、類控制器的許多功能都轉(zhuǎn)移到PC中， 采用軟件實(shí)現(xiàn)，僅留下和伺服系統(tǒng)相連接控制的簡(jiǎn)化的硬件部分。運(yùn)動(dòng)控制功能 全部由計(jì)算機(jī)中的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，它提供給用戶最大的靈活性，用戶可以在Windows 平臺(tái)和其他操作系統(tǒng)的支持下，利用開(kāi)放的運(yùn)動(dòng)控制軟件內(nèi)核，開(kāi)發(fā)所需的控制 功能，構(gòu)成各種類型的高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。嵌入PC的運(yùn)動(dòng)控制器5第一章堵論基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器，由于體積大，所以在很多安裝空間有限 的應(yīng)用場(chǎng)合帶來(lái)諸多不便。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，特別是各種性能優(yōu)異的微處 理器的出現(xiàn)，新的控制器應(yīng)運(yùn)而生。這種控制器就是把各種高速微處理器嵌入到 運(yùn)動(dòng)控制器中，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面、輸入輸出控制、插補(bǔ)運(yùn)算等功能

22、。它能夠獨(dú)立運(yùn) 行，可以提供如Ethernet、CAN-bus、SERCOS、Prof讓us等現(xiàn)場(chǎng)總線通訊接口， 實(shí)現(xiàn)控制器與伺服驅(qū)動(dòng)或者控制器與上級(jí)計(jì)算機(jī)的通訊.現(xiàn)在數(shù)控系統(tǒng)大多數(shù)都是開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)（Open Numerical Control system, ONC系統(tǒng)），其實(shí)現(xiàn)方式有三種實(shí)現(xiàn)途徑，“PC機(jī)+數(shù)控專用模板”、“IPC（工業(yè)控 制機(jī)）+可編程運(yùn)動(dòng)控制器”以及“純PC機(jī)型”。所以，市場(chǎng)上主流的控制器是基 于計(jì)算機(jī)ISA或PCI總線的運(yùn)動(dòng)控制器。美國(guó) deltatau 公司生產(chǎn)制造的 PMAC 卡（program multiple axises controller） 多軸運(yùn)動(dòng)控

23、制卡，是世界上功能最強(qiáng)，計(jì)算速度最快，質(zhì)量可靠的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品。 隨著中國(guó)汽車，機(jī)械，電子，軍工等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡大量 用于中國(guó)的制造業(yè)和自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)。涉及機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光加 工、雕刻機(jī)、旋轉(zhuǎn)刀以及高速印刷、包裝、貼標(biāo)機(jī)等各類自動(dòng)化設(shè)備，屬于PC標(biāo) 準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制器，有PCI、VNE、PC 104等總線。美國(guó)GALIL公司新近開(kāi)發(fā)了第五代高速系列DMC-18x6 PCI總線運(yùn)動(dòng)控制器， 該控制器采用32位RISC結(jié)構(gòu)高速DSP作為中央處理器，實(shí)現(xiàn)18個(gè)坐標(biāo)軸的 PTP定位、位詈跟蹤、JOG、盲線/圓弧插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)、切線跟蹤、多主/多從 電子齒輪同步控制

24、、龍門同步控制、電子凸輪、輪廓控制、示教/錄返、橢圓縮放、 拐角過(guò)渡、無(wú)限線段進(jìn)給、倍率控制及多任務(wù)同時(shí)執(zhí)行等功能；用戶可以很方便 地進(jìn)行參數(shù)配置以便與伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接口?？刂破骶哂姓?反向限 位、原點(diǎn)返回功能，同時(shí)還有8路模擬輸入通道，帶光隔的I/O及第二編碼器反 饋接口。英國(guó)TRIO公司的生產(chǎn)的多軸數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器PCI208控制卡，采用32-bit浮 點(diǎn)運(yùn)算的專用的微處理技術(shù)的DSP芯片TMS320XX系列，溶合了最新的控制理論及 其網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。最多可以控制24個(gè)軸，全部的產(chǎn)品既可以脈沖輸出、模擬輸出， 可以控制交、直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，還可以控制變頻器，氣動(dòng)/液壓伺服缸等，

25、 而且還帶有可編程控制的輸入/輸出和模擬輸入口，可以根據(jù)設(shè)備的需要進(jìn)行選 配。采用專用的Trio-BASIC Programming （類似于BASIC語(yǔ)言）運(yùn)動(dòng)控制編程， 提供ActiveX軟件可支持用戶采用VB、VC、C/C+ +等高級(jí)語(yǔ)言針對(duì)設(shè)備的需要 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)；另外，還提供CAD轉(zhuǎn)化運(yùn)動(dòng)程序文件，可以根折用戶所要加工的 工件的圖紙（二維）*. dxf轉(zhuǎn)化成Trio控制器的運(yùn)動(dòng)控制程序。以上都是基于PC總線的控制器,soft型開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器的典型產(chǎn)品有美國(guó) MDSI 公司的 OpenCNC > 德國(guó) PA (Power Automation)公司的 PA8000NT,美國(guó) S

26、oftSERVO公司的基于網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)控制器，國(guó)內(nèi)的固高科技(深圳)有限公司的GO 系列運(yùn)動(dòng)控制器產(chǎn)品等。嵌入式的運(yùn)動(dòng)控制器有美國(guó)ADEPT公司的Smart controller,固高科技(深圳) 公司的GU、GUC運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)系列產(chǎn)品等。1.3.2運(yùn)動(dòng)控制器的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)從運(yùn)動(dòng)控制在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展來(lái)看，國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制器生產(chǎn)廠商提供的產(chǎn)品 大概有以下三類"°】：(1) 以單片機(jī)或微處理器作為核心處理器，這類運(yùn)動(dòng)控制器速度較慢，精度不 高，成本相對(duì)也較低。(2) 以ARM和專用芯片作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制。如MCX314AS、IRMCK201 等專用運(yùn)動(dòng)控制芯片。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

27、，能輸出多路高速脈沖信號(hào)，能工作于開(kāi)環(huán) 或閉環(huán)控制方式，控制精度和速度都比較高，但功能相對(duì)單一，而且不便于靈活 設(shè)定。(3) 以DSP和FPGA為核心處理器.這類運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)具有開(kāi)放式的特點(diǎn)，可 以靈活的配置、有很好的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃。采用FPGA來(lái)硬件設(shè)計(jì)，方便運(yùn)動(dòng)控制器 供應(yīng)商客戶的特殊工藝要求具有可靈活配置、可重構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，本論文就采用此類 方案。隨著控制器的發(fā)展趨勢(shì)，傾向于應(yīng)該具有如下的功能特征：(1) 硬件獨(dú)立于特定的供應(yīng)商(2) 模塊化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化的接口(3) 系統(tǒng)能夠直接運(yùn)行第三方應(yīng)用軟件開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高水平數(shù)字化裝備的保證。其核心是開(kāi)放式, 即系統(tǒng)各模塊與運(yùn)行平臺(tái)

28、的無(wú)關(guān)性、系統(tǒng)中各模塊之間的互操作性和人機(jī)界面及 通信接口的統(tǒng)一性。開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性, 并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展?？傮w上來(lái)說(shuō)，我國(guó)在控制器產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面還相對(duì)落后。陰了固高科技(深圳) 有限公司、深圳摩信科技有限公司、深圳泰科智能伺服技術(shù)有限公司、南京順康、 長(zhǎng)沙力鼎研發(fā)一些運(yùn)動(dòng)控制器外，國(guó)內(nèi)從事運(yùn)動(dòng)控制的公司大多數(shù)是在代理國(guó)外 公司的產(chǎn)品，同時(shí)已開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的控制水平亦有待提高，高端的運(yùn)動(dòng)控制器很少.14課題研究意義本課題在課題組產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目“包裝機(jī)械嵌入式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的基礎(chǔ)上，結(jié) 合無(wú)軸控制對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā).印刷機(jī)無(wú)軸傳動(dòng)技術(shù)是印刷設(shè)備的發(fā)展方向，多 軸運(yùn)動(dòng)

29、控制器是無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)的核心，控制器的性能直接決定了系統(tǒng)的總體性能, 因此選定“嵌入式智能多軸運(yùn)動(dòng)控制”為研究對(duì)象，研究設(shè)計(jì)適合于印刷機(jī)械無(wú)軸 傳動(dòng)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，對(duì)于提高國(guó)產(chǎn)無(wú)軸傳動(dòng)印刷設(shè)備的技術(shù)水平和競(jìng)爭(zhēng)力， 具有重大意義和實(shí)用價(jià)值。1.5本文研究主要內(nèi)容及章節(jié)安排本論文的研究目標(biāo)在于研究獨(dú)立、開(kāi)放式、適合于電子軸傳動(dòng)的嵌入式智能 多軸運(yùn)動(dòng)控制器。隨著嵌入式技術(shù)在數(shù)控領(lǐng)域進(jìn)一步應(yīng)用研究，本課題通過(guò)一個(gè) 基于SOPC技術(shù)的多軸運(yùn)動(dòng)控制軟硬件平臺(tái),采用以FPGA為核心的硬件體系架構(gòu), 實(shí)現(xiàn)智能多軸運(yùn)動(dòng)控制器的結(jié)構(gòu)功能。本課題主要研究以下幾個(gè)內(nèi)容：(1) 通過(guò)比較各種運(yùn)動(dòng)器的構(gòu)成方案，提岀基于F

30、PGA的SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本 的多軸聯(lián)動(dòng)器可重構(gòu)的智能多軸運(yùn)動(dòng)控制器。(2) 分析和建立PMSM的數(shù)學(xué)模型，并在深入分析PMSM矢最控制的基本原理、 SVPIM技術(shù)及其具體的實(shí)現(xiàn)方法的基礎(chǔ)上，確定嵌入式多軸控制方案，從而為系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。(3) 仿真分析和實(shí)驗(yàn)調(diào)試。在Matlab中對(duì)控制算法進(jìn)行仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的 正確性和有效性。(4) 設(shè)計(jì)出基于FPGA實(shí)現(xiàn)閉壞控制的方法，研究基于FPGA多軸運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用 于電子軸印刷設(shè)備中。論文結(jié)構(gòu)安排內(nèi)容，包括以下幾個(gè)部分：第二章電子軸同步控制關(guān)鍵技術(shù)。介紹了電子軸同步控制的控制策略；分析 了電子軸的控制方式，對(duì)比各自的特點(diǎn)；介紹了施耐德和

31、博世力士樂(lè)公司電子軸 印刷機(jī)方案，最后提出了本文的控制方案。第三章永磁交流同步電機(jī)矢量控制原理。介紹了永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，重點(diǎn) 闡述了三相永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型、矢最控制原理等，最后給出了永磁同步電 機(jī)的矢量控制框圖及控制方法。通過(guò)運(yùn)用空間矢量控制方法對(duì)永磁同步電機(jī)的模 型分析，才能更好的將設(shè)計(jì)思想整合到伺服驅(qū)動(dòng)器中，構(gòu)成所要設(shè)計(jì)的智能多軸 數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器。第四章伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)設(shè)計(jì)及仿真。本章介紹伺服了電壓空間矢量 SVPWM的基本閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)及其在Matlab的仿真.SVPWM控制方法適合數(shù)字控制 系統(tǒng)，能夠改善SPWM控制存在的不足.同時(shí)在永磁同步的數(shù)學(xué)模型和矢量控制的 基礎(chǔ)上，建立

32、了厶=0的永磁同步伺服系統(tǒng)的Simulink仿真模型，并對(duì)仿真波形進(jìn) 行了分析.第五章伺服閉壞控制系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)。本章首先介紹Xilinx開(kāi)發(fā)板的特 點(diǎn)，然后逐個(gè)閉環(huán)控制模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，給出速度、電流檢測(cè)模塊，以及給出 閉環(huán)伺服FPGA的控制實(shí)現(xiàn)方法。第六章嵌入式控制器設(shè)計(jì)與應(yīng)用。本章在對(duì)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)基于FPGA 的全數(shù)字永磁同步伺服系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和分析，同時(shí)給出了試驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表明系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能良好，運(yùn)行可靠。最后論文總結(jié)和展望。9第二章電子軸同步拴制技術(shù)第二章電子軸同步控制技術(shù)隨著運(yùn)動(dòng)伺服控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)印刷機(jī)逐步向電子軸傳動(dòng)控制方式 發(fā)展，由高性能的伺服電機(jī)獨(dú)立

33、驅(qū)動(dòng)各個(gè)機(jī)械部件電子軸傳動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)字化 高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，是采用交流伺服系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)普通交流電機(jī)協(xié)同編碼器驅(qū) 動(dòng)控制齒輪和軸桿傳動(dòng)系統(tǒng)卩氣因此本章分析電子軸傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，電子 軸同步控制問(wèn)題。2.1電子軸同步控制策略電子軸傳動(dòng)技術(shù)是最近年來(lái)在印刷行業(yè)興起的，以高精度伺服系統(tǒng)和髙速現(xiàn) 場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的先進(jìn)的智能數(shù)字式控制技術(shù)。電子軸傳動(dòng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)最早應(yīng)用于 高速凹版印刷機(jī)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電子軸傳動(dòng)方式逐漸向柔性版印刷機(jī)、 標(biāo)簽印刷機(jī)、包裝機(jī)械以及印后加工機(jī)械發(fā)展卩嘰無(wú)軸傳動(dòng)的主要性能指標(biāo)有速度同步、位置同步等信息。從這個(gè)指標(biāo)來(lái)看， 無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)的控制就涉及到多個(gè)變墩（通常為速度和位

34、置）的協(xié)調(diào)關(guān)系。一般說(shuō) 來(lái)，協(xié)調(diào)關(guān)系是各受控量應(yīng)滿足的某種線性或非線性函數(shù)關(guān)系式2.1,式2. 2 C（2.1）常見(jiàn)的比例關(guān)系：切產(chǎn) 叨2二 = "”兒（2.2）當(dāng) 幻=“2二 = “上式就變成簡(jiǎn)單的同步關(guān)系。以上是理想的條件下，但在現(xiàn)實(shí)實(shí)踐中，系統(tǒng)本身存在很多因素，使同步控 制變得異常的復(fù)雜。首先，各個(gè)電機(jī)所帶動(dòng)的機(jī)械負(fù)載不同，從而會(huì)彭響到電機(jī) 的同步問(wèn)題；其次存在電源的干擾、環(huán)境溫濕度等彫響，也會(huì)引起系統(tǒng)控制電機(jī) 的不同步。因此，要使系統(tǒng)中的多個(gè)電動(dòng)機(jī)能夠按要求的同步指標(biāo)運(yùn)行，就必須 采取穩(wěn)定可靠的同步控制策略，使系統(tǒng)保持同步，甚至帶有自動(dòng)同步校正功能。要實(shí)現(xiàn)電子軸的同步控制，實(shí)

35、現(xiàn)位置和速度的雙同步，就必須明確位置同步 和速度同步之間的關(guān)系，位置同步差和速度同步差的相互協(xié)調(diào)關(guān)系，如式2. 3,式11第二*電子軸同步拄制技術(shù)2.4,式2. 5所示。(23)dO dSv = r = dt dt由兩軸的速度可知:(2.4)II第二*電子軸同步拄制技術(shù)II第二*電子軸同步拄制技術(shù)由此可得兩軸的速度差距為:AxMKX 碼;產(chǎn)(°(25)Vi、V2 (t)> Si(t)> S2(t)分別為軸1、軸2的速度、位置值。由上述可知，在穩(wěn)定的情況下，當(dāng)速度完全同步時(shí)，位置也是同步的，即速 度同步和位置同步是一致的。但是動(dòng)態(tài)過(guò)程中卻不盡然，一旦兩軸出現(xiàn)不同的負(fù) 載擾動(dòng)

36、或其他不穩(wěn)定因素，系統(tǒng)在位置或速度上就必然會(huì)出現(xiàn)偏差值。假設(shè)同步 系統(tǒng)出現(xiàn)了位置差，比較可行的辦法是通過(guò)調(diào)整速度以減少位置差值，但是這勢(shì) 必會(huì)引起兩軸速度的差異,導(dǎo)致速度的不同步；同樣當(dāng)調(diào)整速度差時(shí)也會(huì)引起位置 的不同步。由此可見(jiàn)無(wú)軸傳動(dòng)過(guò)程中速度同步和位置同步在穩(wěn)態(tài)時(shí)存在協(xié)調(diào)關(guān)系, 但是動(dòng)態(tài)過(guò)程中的調(diào)節(jié)作用卻是互相制約的，所以需要采取適當(dāng)?shù)耐讲呗在噼F根據(jù)實(shí)現(xiàn)原理與伺服系統(tǒng)的控制方式的不同，電子齒輪可以分為基于跟蹤隨 動(dòng)原理的主從式結(jié)構(gòu)與基于定值控制的平行式結(jié)構(gòu)。指今(a)(b)圖21電子齒輪同步結(jié)構(gòu)Fig 2-1 The electronic gear structure(1) 主從式電子

37、齒輪如圖213)所示，這種電子齒輪的實(shí)現(xiàn)原理是輸出運(yùn)動(dòng)按照一定的傳動(dòng)關(guān)系 跟蹤輸入運(yùn)動(dòng)，稱為主從式電子齒輪，其中的輸入運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)，輸出運(yùn)動(dòng)為從 運(yùn)動(dòng)。根據(jù)主從式電子齒輪的結(jié)構(gòu)可以看出，采用此種結(jié)構(gòu)的無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)的主 運(yùn)動(dòng)是不進(jìn)行同步控制的，僅僅從運(yùn)動(dòng)是同步控制對(duì)象。主從式電子齒輪是將主運(yùn)動(dòng)排除在同步控制之外，此方式可以保證穩(wěn)態(tài)下的 同步運(yùn)行，對(duì)于主運(yùn)動(dòng)的速度波動(dòng)，采用隨動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)同步。缺點(diǎn)是主從軸 存在指令時(shí)間差，在時(shí)間上的同步性能不是很好；而且當(dāng)主軸因各種擾動(dòng)而出現(xiàn) 振蕩偏差時(shí)，從軸可能會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作等失控的現(xiàn)象。(2) 平行式電子齒輪如圖2.1 (b)所示，軸與軸之間的同步是通過(guò)虛擬主

38、軸(指采用統(tǒng)一脈沖給定) 實(shí)現(xiàn)的，每一個(gè)軸都是獨(dú)立的伺服系統(tǒng)，它們之間無(wú)主從之分，是平行關(guān)系，由 主控CPU實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)控制，所以稱為平行式電子軸控制。平行式電子軸控制的 每一傳動(dòng)通道為獨(dú)立運(yùn)行的閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有相同的物理結(jié)構(gòu)，各通道為平行 關(guān)系。每一通道的速度輸出嚴(yán)格跟隨該通道的速度設(shè)定指令，通過(guò)公共的速度給 定和各自的速比控制器，使各通道的運(yùn)動(dòng)相互藕合，只要保證每個(gè)通道的穩(wěn)速性 能，就能實(shí)現(xiàn)定比傳動(dòng)。通過(guò)改變?nèi)我煌ǖ赖乃俦瓤刂破飨禂?shù)可以改變這一通道 的速度給定，也就改變了兩通道的速度比值。兩通道的速比控制器按照特定的關(guān) 系改變，可實(shí)現(xiàn)不同的定比傳動(dòng)，改變公共速度給定，將同時(shí)改變兩通道的

39、速度, 但定比關(guān)系保持不變.這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：系統(tǒng)中有多點(diǎn)需要精確同步運(yùn)行，其同步要求不僅是在 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，而且在系統(tǒng)運(yùn)行中速度的每一個(gè)時(shí)間微分點(diǎn).采用該結(jié)構(gòu)的系 統(tǒng)的執(zhí)行過(guò)程中各同步點(diǎn)之間不存在指令時(shí)間差。但是在多軸各自出現(xiàn)擾動(dòng)的情 況下，各軸的運(yùn)行出現(xiàn)差異性，若不加入補(bǔ)償或校準(zhǔn)單元很容易岀現(xiàn)不同步的情 況。為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的傳動(dòng)關(guān)系，不同結(jié)構(gòu)形式的電子齒輪對(duì)伺股系統(tǒng)的要求是不 同的.主從式電子齒輪要求伺服系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能，能及時(shí)準(zhǔn)確地根據(jù)主運(yùn) 動(dòng)的變化控制從運(yùn)動(dòng)輸出，保證傳動(dòng)關(guān)系不變；平行式電子齒輪則要求伺服系統(tǒng) 具有良好的速度穩(wěn)定性，保證恒定的速度輸出。2. 2電子軸控制方式電子軸

40、傳動(dòng)技術(shù)在印刷機(jī)上應(yīng)用是目前全球印刷業(yè)和機(jī)械制造業(yè)的焦點(diǎn)，電 II第二章電子軸同步握制技術(shù)子軸傳動(dòng)就是用多個(gè)單獨(dú)的伺服控制模塊取代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)，伺服控制模塊由 伺服電機(jī)、編碼器和伺服控制器三部分組成，伺服驅(qū)動(dòng)器之間依靠高速現(xiàn)場(chǎng)總線 (CAN、PROFIBUS、SERCOS等)進(jìn)行聯(lián)系，保障實(shí)時(shí)通信與數(shù)據(jù)共享，通過(guò)實(shí)時(shí) 通信保證各伺服軸保持嚴(yán)格同步。電子軸傳動(dòng)控制器的主要任務(wù)是對(duì)多軸進(jìn)行協(xié) 同控制，要完成對(duì)多軸的運(yùn)動(dòng)控制，控制軸較多時(shí)，采用串行控制方式；當(dāng)控制 軸數(shù)較少時(shí)，采用并行控制方式【切。2.2.1串行控制方式串行控制方式是指運(yùn)動(dòng)控制器與軸的驅(qū)動(dòng)器之間通過(guò)串行運(yùn)動(dòng)控制總線相 連，以實(shí)現(xiàn)對(duì)

41、多軸的同步運(yùn)動(dòng)控制。目前串行總線主要有SERCOS, EtherCAT,Simolink等，其中SERCOS,即串行實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)總線，是唯一用于運(yùn) 動(dòng)控制的開(kāi)放式接口國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，它全面嚴(yán)格地定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及數(shù) 據(jù)報(bào)文等.(1) 控制壞模式：在SERCOS接口中，位置環(huán)在數(shù)字驅(qū)動(dòng)器內(nèi)閉合，控制器中的 閉環(huán)數(shù)減少到零?？刂破鞑恍枰恢梅答?，控制器與數(shù)字智能驅(qū)動(dòng)器之間通過(guò) SERCOS傳遞位置參數(shù)等，減少了控制器的運(yùn)算周期，增加可控軸的數(shù)量。(2) 傳輸介質(zhì)：SERCOS總線用塑料光纜或玻璃光纜構(gòu)成一個(gè)環(huán)型回路，可以有 效地排除電磁干擾。(3) 通訊結(jié)構(gòu)：SERCOS采用主從站通訊結(jié)構(gòu)，主

42、站控制該環(huán)上的所有通訊，壞 內(nèi)交換的信息完全取決于控制器和驅(qū)動(dòng)器間的任務(wù)分配，控制器是主控者，驅(qū)動(dòng) 器只對(duì)控制器的請(qǐng)求作出響應(yīng)，信息的交換僅僅發(fā)生在控制器和驅(qū)動(dòng)器間。2.2.2并行控制方式并行控制指控制器與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的指令、反饋數(shù)據(jù)等采用相互獨(dú)立、并 行的總線控制，即能夠控制的軸數(shù)由控制器本身提供的伺服驅(qū)動(dòng)器決定。此類控 制器是直接運(yùn)動(dòng)控制器宜接連接伺服驅(qū)動(dòng)器，所以具有響應(yīng)速度快、實(shí)現(xiàn)電機(jī)控 制器、馳動(dòng)、電機(jī)和反饋設(shè)備的閉壞運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。在控制策略上，基于電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的電壓頻率控制方法和開(kāi)環(huán)磁通軌跡控制方法都難以達(dá)到良好的伺服特性，目前普遍應(yīng)用的是基于永磁電機(jī)動(dòng)態(tài)解耦 數(shù)學(xué)模型的矢量控

43、制方法，這是現(xiàn)代伺服系統(tǒng)的核心控制方法.雖然為了進(jìn)一步 提高控制特性和穩(wěn)定性，提出了反饋線性化控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制 等理論，還有不依賴數(shù)學(xué)模型的模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制方法，但是大多在矢 量控制的基礎(chǔ)上附加應(yīng)用這些控制方法。2.4本論文的方案本論文基于以上的分析，對(duì)于串行化指令控制的實(shí)時(shí)不夠，采取基于FPGA多路伺服電機(jī)的并行控制方式，實(shí)現(xiàn)多軸同步控制，其總體方案如圖2-3所示.IgJU ! J SDRAM人機(jī)交互界面脈沖信號(hào)處理ARM軟核反饋信號(hào)處理FPGA芯片USB接FLASH485 接口:1 11>何服驅(qū)動(dòng)111 1 t1伺服驅(qū)動(dòng)2i111 11 11伺服驅(qū)動(dòng)3 t11

44、 1 tf伺服驅(qū)動(dòng)4t1 11 11 11 1 1 1伺服驅(qū)動(dòng)5電源管理模塊圖23運(yùn)動(dòng)控制器硬件框圖方案Fig2-3 The hardware flame of motion controller本運(yùn)動(dòng)控制器為了滿足髙精度和高穩(wěn)定性的要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)并行多控制的功 能，在硬件配置上，采用目前高端FPGA的配置。系統(tǒng)功能模塊構(gòu)架設(shè)計(jì)，大致劃 分為如下幾部分：主控制模塊：采用FPGA內(nèi)嵌的ARM內(nèi)核，片上運(yùn)行RT-Linux實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí) 控制，負(fù)責(zé)人機(jī)交互串口控制、髙速現(xiàn)場(chǎng)總線、USB接口、485接口的處理，實(shí)現(xiàn) 對(duì)輸入文件的譯碼、文件系統(tǒng)管理、粗插補(bǔ)等功能。13廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文DSP模

45、塊:采用內(nèi)嵌的尖端的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)功能，該模塊負(fù)責(zé)精插補(bǔ)運(yùn) 算、脈沖信號(hào)處理和編碼器等反饋信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制。人機(jī)交互模塊:該模塊負(fù)責(zé)鍵盤、LCD等信號(hào)驅(qū)動(dòng)和處理，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交 互操作、文件輸入功能。編碼器信號(hào)處理模塊：完成對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的各種反饋信息，以及其它反饋信號(hào) 的處理，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。廣東工業(yè)大學(xué)項(xiàng)士學(xué)位論文第三章永磁交流電機(jī)矢量控制原理控制驅(qū)動(dòng)是不可分開(kāi)的，本章在前一章討論電子軸傳動(dòng)控制方式的基礎(chǔ)上， 將討論伺服驅(qū)動(dòng)。首先介紹永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了三相永磁同步電機(jī) 的數(shù)學(xué)模型、矢量控制原理等，最后給岀了永磁同步電機(jī)的矢fit控制框圖及控制 方法。通過(guò)運(yùn)

46、用空間矢量控制方法對(duì)永磁同步電機(jī)的模型分析，才能更好的將設(shè) 計(jì)思想整合到伺服驅(qū)動(dòng)器中，構(gòu)成所要設(shè)計(jì)的智能多軸數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器。3.1永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模式3.1.1永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)永磁同步電機(jī)（PMSM）定子由三相對(duì)稱分布繞組以及鐵心構(gòu)成，電樞繞組以 Y型連接，與普通同步電機(jī)的定子一樣，要求輸入的三相定子電流為正弦波，因 此又被稱為三相永磁同步電機(jī)；在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，永磁同步電機(jī)用永磁體取代電勵(lì) 磁，從而省去了勵(lì)磁線圈、供應(yīng)勵(lì)磁繞組勵(lì)磁電流的外部電源、電刷，以及安裝 在轉(zhuǎn)子軸上的滑環(huán)，也免去了對(duì)電刷的定期維護(hù)。永磁同步電機(jī)裝有轉(zhuǎn)子位置測(cè) 器，檢測(cè)磁極的位置來(lái)控制速度和位置。PMSM是由繞線式同步電

47、機(jī)發(fā)展來(lái)的，其結(jié)構(gòu)和繞線式同步電機(jī)基本相同。 PMSM除了具有一般同步電機(jī)的工作特性外，具有效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、 性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。PMSM根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上安裝的位置不同，可以分為三類：凸 裝式、嵌入式和內(nèi)埋式卩兒凸裝式和嵌入式結(jié)構(gòu)可以減少轉(zhuǎn)子直徑，減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量。內(nèi)埋式轉(zhuǎn)子是將永磁體裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)部，其磁路氣隙較小，適用與弱磁控 制。3.1.2永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步電機(jī)的基本方程包抵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程、物理方程和轉(zhuǎn)矩方程，這些方程是其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。永磁同步電機(jī)是一個(gè)多變就、非線性、強(qiáng)耦合的系 統(tǒng)，為了建立易于實(shí)現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型【同，做以下基本假設(shè)：(1) 磁路線性，電感參數(shù)不變;

48、(2) 永磁材料的磁導(dǎo)率為零，不計(jì)鐵心渦流與磁滯等損耗；(3) 三相繞組是對(duì)稱且均勻的，繞組中感應(yīng)電感波形是正弦波；(4) 忽略定子鐵心的飽和。17廣東工業(yè)大學(xué)項(xiàng)士學(xué)位論文圖3-1 PMSM等效結(jié)構(gòu)坐標(biāo)Fig 3-1 The equivalent structure coordinates of PMSM由以上假設(shè)建立起永磁同步電機(jī)等效結(jié)構(gòu)坐標(biāo)圖如上圖3-1所示，圖中Q、 0、Q為三相定子繞組的軸線，軸線空間逆時(shí)針排列，相繞組軸線為定子靜止參 考軸，軸線與定子a相繞組的夾角為0。得永磁同步電機(jī)的物理方程為：cosO2cos 一兀3乂48S-/T3cosO4cos-3 COS0a2 lb+cos

49、（0 -亍龍）山4/cos(e亍兀)cosO4cos龍32 cos龍3式中:叫、%、定子繞組電壓，S I。定子繞組的電流,#廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論丈第三章永殆交流電枕矢it控制原理R。、匕三相繞組的電阻，©、久、佟為定子繞組的磁鏈，血為等效磁鏈。三相定子交流電作用產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，可以用一個(gè)兩相系統(tǒng)來(lái)等效，因 為兩相正交對(duì)稱繞組通以相位差為90。的交變電流時(shí)也可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。建立 固定于轉(zhuǎn)子的參考坐標(biāo)，轉(zhuǎn)子永磁級(jí)產(chǎn)生的基波磁場(chǎng)方向?yàn)橹陛Sd軸，超前直軸 90。電角為交軸q軸，以a相繞組軸線為參考軸線,d軸與參考軸線夾角為0,逆時(shí) 針?lè)较蛐D(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速正方向，建立坐標(biāo)，坐標(biāo)系如圖3-2所

50、示。廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論丈廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論丈S 3-2永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)圖Fig 3-2 The rotation coordinates of PMSM得出建立在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中和三相靜止坐標(biāo)系中的電機(jī)模型之間的關(guān)系:cosOIdiq = -sin 0cos 0nI 3丿-sin(3.2)sinOsin|I 3cos 0(3.3)(2 cos 0_nI3 )£在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中永磁同步電機(jī)的電流、電壓、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程為:(3.4)Uq =叫 +厶必(3.5)9產(chǎn) Ljq(3.6)Vd = L/d +(Pf(3.7)。/="+厶訛(3.8)| E Wdiq-)

51、=|,必 7Lq - LJdiq (3.9)由此得到永磁同步電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程為：J瞥T廠B叫-人(3.10)其中PMSW的運(yùn)動(dòng)特性在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL 一定的情況下，主要取決于輸出轉(zhuǎn)矩7； 的大小，而電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩又是由磁場(chǎng)和電流共同決定的，所以對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的控 制實(shí)際就是對(duì)磁場(chǎng)和電流的控制。3.1.3 PMSM的電壓等效電路PMSM dq軸線圈的漏感相差不是很大，可以認(rèn)為近似相等。因此，電感參數(shù)可以表示為式3. 11式3. 12。廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文(3.11)(3.12)其等效電路如圖3-3所示。圖33dq軸表示的電壓等效圖Fig33 The equivalent voltage diagram

52、of dq axis由此得出等效電路電壓公式：(3. 13)(3. 14)“df + 萬(wàn)（S 十叫qUq"iq + 條以）+ "（從-j）3.2永磁同步電機(jī)的空間矢量控制3.2.1電壓空間矢量控制原理對(duì)于永磁同步電機(jī)的控制，通常有兩種控制方式：一種是對(duì)電流控制的滯壞 控制，另一種是采用電壓控制。滯壞控制響應(yīng)速度快，主要用在模擬控制中；電 壓控制是建立在空間矢量PWM控制基礎(chǔ)上的，適合數(shù)字控制。本文提及的運(yùn)動(dòng)控 制系統(tǒng)為伺服數(shù)字控制系統(tǒng)，因此采用空間矢量PWM電壓控制方式。空間矢量是按電壓所加繞組的空間位置來(lái)定義。下圖3-4中，A、B、C表示 電機(jī)定子三相繞組的軸線，空間互差

53、120°。三相定子相電壓Ua、Uc分別加 在三相繞組上，定義三個(gè)電壓空間矢量Ua、Ub、Uc它們的方向始終在各自的軸線 上，而大小則隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，三相合成的空間電壓矢量為U。Fig 3-4 The vectorgraph of three-phase vector將圖3-4看成一個(gè)復(fù)平面，則UA = U(t)eif>(3.15)UB = Ut)e,2x'3(3.16)Uc=U 嚴(yán)(3.17)三相合成的空間電壓矢量q可以寫成：U、= UA +U(t)(e10 + e 滋"+ e,4r/3)(3.電機(jī)由三相PWM逆變器供電，為使電機(jī)對(duì)稱工作，必須三相同時(shí)供

54、電，即 在任-時(shí)刻一定有處于不同橋臂下的三個(gè)功率器件導(dǎo)通，而另三個(gè)功率器件則處 于關(guān)斷狀態(tài)。圖35三相PWM逆變器Fig 3-5 The inverter of three-phase PWM如果設(shè)上橋臂功率器件開(kāi)用“1”表示，下橋臂功率器件開(kāi)則為"0”，那么三 #第三章永崩交流電機(jī)矢童控制原理相逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)就有8種組合，其中三個(gè)上橋臂功率器件全開(kāi)狀態(tài)為(111), 三個(gè)下橋臂全開(kāi)為(000)時(shí)，逆變器沒(méi)有輸出，定義為零矢量。由此可得逆變器共 有8種工作狀態(tài)，即oob olo, on, loo, ioi, no, in, ooo,而由非零的基本矢量開(kāi)關(guān)狀態(tài)則有6種，而且變化順序?yàn)?/p>

55、001, 011, 010, 110, 100, 101o空間矢量的圖如下圖3-6所示。圖36空間電壓矢量圖第三章永崩交流電機(jī)矢童控制原理第三章永崩交流電機(jī)矢童控制原理Fig3-6 The space vectorgraph of vector3.2.2空間坐標(biāo)變換模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律，就是坐標(biāo)系進(jìn)行變換。矢量控制中所用坐標(biāo)系 有靜止坐標(biāo)系兩種和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。矢量控制中用到的變換有將三相平面坐標(biāo)系向 兩相平面直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換(Clark變換)和將兩相靜止直角坐標(biāo)系向兩相旋轉(zhuǎn)直 角坐標(biāo)系的變換(Park變換)，這三種坐標(biāo)系的變換關(guān)系為式3. 19,式3. 20,式 3.2U第三章永崩交流電機(jī)矢

56、童控制原理第三章永崩交流電機(jī)矢童控制原理第三章永崩交流電機(jī)矢童控制原理(3. 19)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文#廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文(3. 20)(3.21)#廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文#廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文其中上式的各項(xiàng)系數(shù)為式3.22式3.24：#廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文#廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文Clark變換;(3. 22)cos0sin0、COS0(3 23)Park變渙：心-創(chuàng)=(3. 24)3. 2.3 PMSM的矢量控制方式有了坐標(biāo)變換的方法就可以對(duì)PMSM數(shù)學(xué)模型進(jìn)行相應(yīng)的處理得: 弓&（ % -臥卜扣臥- - d）切 轉(zhuǎn)矩：(3. 25)3r"兒凸極效應(yīng)引起的磁阻轉(zhuǎn)矩7；為:3T嚴(yán)氣臥一“認(rèn)(3. 26)(3. 27)23第四章伺服閉環(huán)控御建模及仿真(3.28)(3. 29)(3. 30)圖3-7 PMSM矢量控制原理框圖一位ltflMWJU凸