【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的電路板中，看門(mén)狗芯片能夠重新啟動(dòng)程序，使系統(tǒng)能夠運(yùn)行。 d)、輸出控制模塊 :該模塊采用美國(guó) AD 公司的 AD767 芯片，它是 12位的數(shù)字量轉(zhuǎn)換模擬量模塊，具有片內(nèi)放大輸出，高穩(wěn)定性的參考大壓，高速寫(xiě)入周期。具體的設(shè)計(jì)在后面的章節(jié)中詳細(xì)介紹。 執(zhí)行電機(jī)的 選擇 稀土永磁同步交流無(wú)刷伺服電機(jī) 稀土永磁式同步電動(dòng)機(jī)采用自控變頻調(diào)速控制方式，傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)電樞里面的電流本來(lái)就是交變的，電機(jī)的磁極是靜止的，而電樞則是個(gè)旋轉(zhuǎn)的交流繞組，其交流電流由直流電源經(jīng)電刷和換向器提供，電刷相當(dāng)于磁極位置檢測(cè)器，換向器是一臺(tái)機(jī)械式的逆變器。稀土自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)則是磁極旋轉(zhuǎn)而電樞靜止，由磁極位置檢測(cè)器控制電力電子逆變器給電樞供電。這里用電子逆變器代替了直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械式逆變器，其優(yōu)越性是非常明顯的。自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性，在整體性能上又優(yōu)于傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī) ，因而采用自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)所構(gòu)成的伺服分系統(tǒng)的低速平穩(wěn)性要明顯優(yōu)于以往的直流伺服系統(tǒng)。針對(duì)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的高穩(wěn)定性、高可靠性、高精度性的特點(diǎn)，采取當(dāng)今流行的交流驅(qū)動(dòng)，選擇稀土永磁同步交流無(wú)刷伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件 ， 目前生產(chǎn)這種電機(jī)和變頻器的公司有美國(guó)科爾摩根公司、德國(guó)西門(mén)子公司和日本松下公司等，它們所生產(chǎn)的產(chǎn)品其性能均不相上下，但美國(guó)科爾摩根公司公司所生產(chǎn)的小功率電機(jī)種類(lèi)較多，價(jià)格也較為便宜，因此電機(jī)選擇該公司生產(chǎn)的全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。稀土永磁同步伺服電機(jī)的速度與扭矩關(guān)系 如圖 23 所示： 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 13 圖 23 速度與扭矩關(guān)系的示意圖 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 驅(qū)動(dòng)器的選擇是與電機(jī)相匹配的 KOLLMORGENSERVOSTARCD 系列驅(qū)動(dòng)器其型號(hào)為 CR10 SERVOSTARCD 系列為高性能的數(shù)字伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，支持電流、速度或位置模式，可提供眾多的控制選項(xiàng)，從典型的 10VDC 指令，到編碼跟隨以及脈沖和方向，一直到 SynqNet 和 SERC0s控制。在系統(tǒng)上可選擇四元速度控制算法來(lái)優(yōu)化性能，并且使用這種功能可以快速和容易地達(dá)到高性能運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)擁有自動(dòng)調(diào)整功能的多功能驅(qū)動(dòng)器，能夠驅(qū)動(dòng)很多產(chǎn)品包括伺服 電機(jī)和它們匹配的反饋裝置，標(biāo)準(zhǔn)盒裝尺寸的驅(qū)動(dòng)器提供 10 和 20 安培電流輸出。所有驅(qū)動(dòng)器都封裝在一個(gè)極小的框架尺寸之內(nèi)，非常緊湊。它集成度高、體積小，是同類(lèi)產(chǎn)品同等功率中體積較小的一種，且功能全，代表了當(dāng)代永磁交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器的最新水平。 驅(qū)動(dòng)器參數(shù)調(diào)試界面軟件 MOTIONLINK 簡(jiǎn)介 MOTIONLINK 調(diào)試界面軟件如圖 24 所示 ： 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 圖 24 MOTIONLINK 調(diào)試界面軟件圖 KOLLMORGEN 公司為客戶提供了方便的驅(qū)動(dòng)器參數(shù)調(diào)試界面軟件MOTIONLINK。在隨機(jī)附送的電機(jī)說(shuō)明書(shū)中附有 MOTIONL 州 K 的安裝光盤(pán)，需要注意的是該軟件一定要按照默認(rèn)路徑安裝 ： 1)將驅(qū)動(dòng)器的 J3 口與計(jì)算機(jī)的串行口相連， MOTIONLINK 將通過(guò)串行口與驅(qū)動(dòng)器通信 ； 2)先啟動(dòng) BDSST，再運(yùn)行 MOTIONLINK； 3)第一次啟動(dòng) MOTIoNLINK 需要設(shè)置通信端口 ； 4)按照 BDSST 與計(jì)算機(jī)的實(shí)際接線，設(shè)置為 COMI 或 COMZ，波特 率設(shè)置為 9600bPs； 5)MOTIONLINK 檢測(cè)到能和 BDSST 正常通信后，進(jìn)入系統(tǒng)設(shè)置界面。 驅(qū) 動(dòng)器電流環(huán)和速度環(huán)參數(shù)設(shè)置 位置伺服系統(tǒng)通常由三個(gè)控制環(huán)組成，最內(nèi)環(huán)是電機(jī)的電流環(huán)，中間是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。在本伺服系統(tǒng)的三個(gè)環(huán)中，電流環(huán)和速度環(huán)都由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供，不用自行設(shè)計(jì)，只需將位置環(huán)搭建好即可。但是位置環(huán)所產(chǎn)生的控制量也必須要通過(guò)速度環(huán)和電流環(huán)才能作用于電機(jī)，因此速度環(huán)和電流環(huán)是位置環(huán)的基礎(chǔ)，對(duì)它們的參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)置將對(duì)系統(tǒng)性能有重要的影響 [10]。伺服控制器發(fā)出的模擬量控制信號(hào)送入驅(qū)動(dòng)器后，哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 15 通過(guò)驅(qū)動(dòng)器中的速度環(huán)和電流環(huán)，產(chǎn)生控制電流作用于電機(jī)。根據(jù)KOLLMORGEN 公司提供的說(shuō)明書(shū)， 得到驅(qū)動(dòng)器中速度環(huán)和電流環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖 25 所示。 圖 25 驅(qū)動(dòng)器中的速度環(huán)和電流環(huán) 驅(qū)動(dòng)器出廠時(shí)，其電流環(huán)和速度環(huán)參數(shù)是按照較小慣量負(fù)載來(lái)設(shè)定的，可供用戶進(jìn)行設(shè)置的，并且對(duì)電機(jī)性能起主要作用的參數(shù)為 ： K 們和Kv。從圖 25 中和電機(jī)說(shuō)明書(shū)得到這兩個(gè)參數(shù)的物理意義。本系統(tǒng)負(fù)載慣量大，驅(qū)動(dòng)器的原始參數(shù)不能滿足控制要求。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，調(diào) KVI 和 Kv 這兩個(gè)參數(shù)，為系統(tǒng)性能提高打下基礎(chǔ)。 MOTIONL 軟件可以將電機(jī)的工作模式設(shè)置為串口模式，為了方便用戶測(cè)試電機(jī)性能， MO 叨 [ONLINK 還可以記錄下電機(jī)運(yùn)行 時(shí)的電流、轉(zhuǎn)速等信息，并可以數(shù)據(jù)或是圖表等形式顯示出來(lái)，這個(gè)功能在調(diào)試電流環(huán)和速度環(huán)參數(shù)的時(shí)候發(fā)揮了很大的作用。圖 和圖 是 Kv 取不同值時(shí)，利用 MO 叨 [ONLINK 軟件對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的結(jié)果，指令要求電機(jī)以 20(刃 RP]班的速度轉(zhuǎn)動(dòng) 5s 后停下，所有測(cè)試均是在電機(jī)帶負(fù)載的情況下完成的。圖中 1 號(hào)線是速度指令， 2 號(hào)線是電機(jī)速度響應(yīng)曲線。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 圖 26 KV=1000 時(shí) 電機(jī)速度曲線 從圖 26 中可以看出，當(dāng)取 Kv=10 時(shí)，電機(jī)在加速段和減速段都存在明顯的超調(diào)和振蕩。說(shuō)明此時(shí)電機(jī)特性并 不理想，總體上呈現(xiàn)較軟的特性，還需對(duì)內(nèi)環(huán)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。 從圖 27 中可以看出，當(dāng)取 Kv=10 時(shí)，電機(jī)在加速段和減速段的曲線都比較陡直，超調(diào)很小，只有半個(gè)振蕩波。說(shuō)明此時(shí)電機(jī)特性較硬，速度響應(yīng)特性比較理想。由兩次測(cè)試結(jié)果可以看出， Kv 取值較大時(shí)，電機(jī)的速度響應(yīng)特性良好。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 17 圖 27 KV=10000 時(shí) 電機(jī)速度曲線 位里位翻裝里的選擇 位置檢測(cè)元件在伺服系統(tǒng)中占很重要的地位，它的檢測(cè)精度直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行精度，因此為了適應(yīng)高精度的要求，研制出高分辨率的位置檢測(cè)裝置，是研制設(shè) 計(jì)高精度數(shù)字伺服系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)。本節(jié)討論選用絕對(duì)位置量測(cè)部件 — 雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器檢測(cè)角度，用軸角編碼器進(jìn)行軸角編碼，將系統(tǒng)輸出軸的位置轉(zhuǎn)換成 16 位二進(jìn)制碼送給數(shù)字伺服系統(tǒng)測(cè)試儀，以實(shí)現(xiàn)位置反饋。 1. 旋轉(zhuǎn)變壓器 位置檢測(cè)裝置一般采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、磁編碼器等元件。本伺服系統(tǒng)中，結(jié)合實(shí)際情況，分析以上幾種位置檢測(cè)裝置，綜合實(shí)際應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)難度，為了實(shí)現(xiàn)高精度的位置檢測(cè)，最終選擇雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器作為本系統(tǒng)的位置反饋單元。雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器由兩臺(tái)極對(duì)數(shù)不同的可以旋轉(zhuǎn)的變壓器組成，一般是采用粗 機(jī) 1/精機(jī) 2n 極對(duì)數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生周期數(shù)不等的兩路正弦信號(hào)，這樣做的目的是為了提高測(cè)量精度。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 2． 軸角編碼器 軸角編碼器采用中船公司的 12XSZ 模塊。 12XS 是一種種采用連續(xù)跟蹤技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)的自整角枷旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)字轉(zhuǎn)換器。它內(nèi)部變壓器適用于 50Hz、 400HZ 的電源，具有高跟蹤頻率，有高度的可靠性 。并采用二階伺服回路，輸出具有三態(tài)鎖存功能，輸出與 TTL 兼容的并行自然二進(jìn)制編碼，用于角度位移量的測(cè)量。主要用于角度和位移量的檢測(cè)與控制，在通過(guò)忙信號(hào)的輸出和禁止信號(hào)的輸入可完全與計(jì)算機(jī)保持同步 。 基于 DSP 數(shù)字伺服系統(tǒng)的實(shí)物 圖 通過(guò)對(duì)執(zhí)行電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的特性分析、參數(shù)調(diào)整、穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)的結(jié)果確定了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。基于 DSP 的數(shù)字伺服系統(tǒng)如圖 28 所示 ， 基于 DSP的數(shù)字伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的各部件組成 ： a)測(cè)控計(jì)算機(jī)工控機(jī) (APPOLLE150)含 卡 ； b)伺服控制器 DSP 單片機(jī)及 SDC 模塊等 ； c)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器 CR10 驅(qū)動(dòng)器 M207C 交流電機(jī)電纜 ； d)動(dòng)力配電柜 4KVA 含驅(qū)動(dòng)器電源變壓器 ； e)交流逆變器 50Hz/220V 逆變?yōu)? 400Hz/26V/5A； 幻實(shí)驗(yàn)臺(tái) NCCY 1500x400x460mm； g)減速機(jī)構(gòu) NCJ(1300)含慣量盤(pán)及附件安裝有無(wú)接觸雙通道旋轉(zhuǎn)發(fā)送機(jī) (110XFSW005)，測(cè)速電機(jī) (30CY 1)； h)加載系統(tǒng)。 本章小結(jié) 本章首先簡(jiǎn)要介紹了基于 DSP 的數(shù)字伺服系統(tǒng)的組成和原理，基于DSP 的數(shù)字伺服系統(tǒng)的元件選型是是本文的研究重點(diǎn)，隨后詳細(xì)闡述了基于 DSP 的數(shù)字伺服系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并從系統(tǒng)應(yīng)有的輸出能力要求出發(fā)，選定科爾摩根伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器 。再?gòu)南到y(tǒng)精度要求出發(fā)，選擇和設(shè)計(jì)以雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器和軸角編碼器 組合的檢測(cè)裝置 ； 在此基礎(chǔ)上根據(jù)科研所給定的技術(shù)指標(biāo)要求，并結(jié)合基于 DSP 的數(shù)字伺服系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案完成了主要元件的選型。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 19 圖 28 基于 DSP 的數(shù)字伺服系統(tǒng)實(shí)物圖 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 第 3章 DSP 伺服控制器的總體設(shè)計(jì) DSP 伺服控制器在數(shù)字伺服系統(tǒng)中完成最繁重、最重要的控制任務(wù) :實(shí)時(shí)采集位置信號(hào) 。完成控制量的實(shí)時(shí)計(jì)算與輸出 。和數(shù)字伺服系統(tǒng)測(cè)試儀進(jìn)行通訊 。具備一定的邏輯信號(hào)處理能力，因此要求具有快速?gòu)?qiáng)勁的計(jì)算單元 ?！瑫r(shí)由于控制系統(tǒng)處于現(xiàn)場(chǎng)，電磁環(huán)境復(fù)雜，要求必須具備良好的抗干擾 能力 。最后考慮系統(tǒng)集成的要求，盡量采用模塊化、小型化、低功耗的設(shè)計(jì)方式。本章主要圍繞主控芯片 TMs320FZO6 詳細(xì)闡述了伺服控制器的設(shè)計(jì)方案及其各部分元件選型，并詳細(xì)闡述了伺服控制器及采樣控制電路、輸出控制電路及外圍電路的設(shè)計(jì)。 DSP伺服控制器的總體結(jié)構(gòu) DSP 伺服控制器作為數(shù)字伺服系統(tǒng)的核心，需要對(duì)數(shù)字伺服系統(tǒng)測(cè)試儀的給定位置信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)運(yùn)算輸出模擬信號(hào)去控制驅(qū)動(dòng)器，達(dá)到指定的位置。本系統(tǒng)共有數(shù)字量輸入 36 位，包括精通道 12 位、粗通道 8位、給定位置 16 位 ； 數(shù)字輸出 12 位，為經(jīng)過(guò)粗精組合和 糾錯(cuò)的實(shí)際位置輸出。 DSP 伺服控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所示 ： 圖 31 伺服控制器的總體結(jié)構(gòu)框圖 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 21 DSP處理器模塊電路的設(shè)計(jì) DSP 芯片為整套系統(tǒng)的控制核心，芯片本身和其外圍電路的性能直接決定系統(tǒng)復(fù)雜程度及系統(tǒng)對(duì)信號(hào)處理的快速反應(yīng)性能故芯片的選擇及其DSP 處理器電路的設(shè)計(jì)也就顯得十分的重要。 DSP芯片 TMS320F206 簡(jiǎn)介 TMS320 凡 06 芯片作為 DSP 控制器， CZxx 系列中惟一具有片內(nèi)FLASH 存儲(chǔ)器的 DSP，也是 TMS320 系列數(shù)字信號(hào)處理器中的一種定點(diǎn)DSP 芯片。 TMS320F206 芯片封裝如圖 : DSP 處理器電路 TMS320F206DSP 是 16 位定點(diǎn)運(yùn)算數(shù)字處理器。它的很多特點(diǎn)適合本數(shù)字伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，如 16 位的數(shù)據(jù)線、豐富的片內(nèi)資源，方便的調(diào)試過(guò)程等。 F206 有一個(gè)工作模式選擇引腳 — ，微處理撇微計(jì)算機(jī)引腳。如果 為高電平，器件工作在微處理器模式 (從外部存儲(chǔ)器取復(fù)位向量 )，也就 是仿真模式 。如果 為低電平，器件工作在微計(jì)算機(jī)模式 (從內(nèi)部存儲(chǔ)器取復(fù)位向量 )，也就是正常工作模式。為了方便在仿真模式和正常工作模式間的切換， .伺服控制器上設(shè)計(jì)了如圖 所示的電路，通過(guò)跳線帽 J2 來(lái)選擇 F206 的工作模式。根據(jù)創(chuàng)新基地的設(shè)計(jì)要求，把跳線帽的使用定義成 :仿真時(shí)接通跳線帽，正常工作時(shí)斷開(kāi)跳線帽。這樣可以減少伺服控制器在正常工作時(shí)，因?yàn)闄C(jī)械振動(dòng)引起的不穩(wěn)定因素。 哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 F206 的時(shí)鐘頻率可以通過(guò) DWI 和 DWZ 的組合來(lái)設(shè)置，時(shí)鐘頻率可哈爾濱理工大學(xué)遠(yuǎn)東學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 23 以是晶振頻率的 xl、 xZ、 x4 和犯倍。凡 06 的最 大時(shí)鐘頻率為 40MHz，此時(shí) F206 的單周期指令的執(zhí)行時(shí)間為 25ns。根據(jù)以往使用 F206 的經(jīng)驗(yàn)，在仿真調(diào)試時(shí)，可以使用 40MHz 時(shí)鐘頻率，但是向片內(nèi) FLASH 燒寫(xiě)程序時(shí)，時(shí)鐘頻率只能是 20MHz。因此選用 I0MHz 晶振，頻率選擇只能是 xZ或 x4 設(shè)置。此時(shí)的 DWZ 始終接高電平， DWI 需要通過(guò)跳線帽來(lái)設(shè)置，電路圖如 所示 : .當(dāng)接通有跳線帽時(shí)， DWI 為高電平，此時(shí)的時(shí)鐘頻率為 40MHz。當(dāng)