X-Y工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) X-Y 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng) X-Y worktable microcomputer control experiment system 學(xué)生姓名項(xiàng)中寧 所在專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 所在班級(jí)機(jī)制 1026 申請(qǐng)學(xué)位工學(xué)學(xué)士 指導(dǎo)教師陸兵職稱講師 副指導(dǎo)教師職稱 答辯時(shí)間2006 年 6 月 10 日 目目 錄錄 設(shè)計(jì)總說明 .I INTRODUCTION.II 1緒論.1 2XY 工作臺(tái)的設(shè)計(jì).1 2.1設(shè)計(jì)要求.1 2.1.1設(shè)計(jì)任務(wù).2 2.1.2設(shè)計(jì)參數(shù)的確定.2 2.1.3方案的分析、比較、論證.2 2.1.4進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖.2 2

2、.2傳動(dòng)比的確定.3 2.3初選伺服電機(jī).3 2.4絲杠的選型及計(jì)算.4 2.4.1計(jì)算絲杠承受的質(zhì)量.4 2.4.2計(jì)算銑削力.4 2.4.3滾珠絲杠螺母副的選型和校核.5 2.5導(dǎo)軌的選型及計(jì)算.9 2.5.1初選導(dǎo)軌型號(hào)及估算導(dǎo)軌長(zhǎng)度.9 2.5.2計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命.10L 2.6伺服電機(jī)的驗(yàn)算.11 2.6.1傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算.11 2.6.2驗(yàn)算矩頻特性.12 3伺服電機(jī)控制原理.14 3.1交流伺服電機(jī)介紹.14 3.2交流伺服電機(jī)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轉(zhuǎn)矩控制模式

3、（Pr02=2）.15 3.3伺服電機(jī)的 PID 調(diào)節(jié)方案.15 4運(yùn)動(dòng)控制卡控制原理.18 4.1DSP 芯片 TMS320LF2407 介紹.18 4.2PCI 總線與 DSP 通訊電路.19 4.2.1PCI 總線接口電路.20 4.2.2PCI-DSP 通訊電路.20 4.3參數(shù)曲線的時(shí)間分割插補(bǔ)算法.21 4.3.1 時(shí)間分割插補(bǔ)原理.22 4.3.2參數(shù)曲線自適應(yīng)插補(bǔ)算法.22 4.4DMC3000 控制卡中的固化函數(shù).25 5硬件連接.27 6PC 端控制軟件設(shè)計(jì).28 6.1主界面簡(jiǎn)介.28 6.1.1參數(shù)設(shè)定界面.28 6.1.2NC 代碼格式.28 6.1.3程序基本操作.

4、28 6.2NC 代碼的讀取.29 6.3插補(bǔ)過程.31 6.3.1直線插補(bǔ).31 6.3.2逆圓插補(bǔ).35 6.3.3順圓插補(bǔ).37 6.4運(yùn)動(dòng)卡固化函數(shù)調(diào)用.40 鳴 謝.42 參考文獻(xiàn).43 設(shè)計(jì)總說明 本設(shè)計(jì)結(jié)合機(jī)電一體化課程教學(xué)環(huán)節(jié)需要，設(shè)計(jì)用微型計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)的 X-Y 工作臺(tái)。通過論述 X-Y 工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制電路接口設(shè)計(jì),闡述了機(jī)電一體化設(shè) 計(jì)中的共性和關(guān)鍵技術(shù).并用 VB 軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制界面，使操作更簡(jiǎn)便。 本設(shè)計(jì)采用的雷賽 DMC3000 運(yùn)動(dòng)控制卡以 DSP 芯片 TMS320LF2407 作為處理器，基 于 PCI 總線開發(fā)了多軸開放式運(yùn)動(dòng)控制

5、器，并采用 PCI 9052 和 ISP-1581 作為接口芯 片構(gòu)建 PC-DSP 通訊電路，利用 CPLD 器件 EPM7128 構(gòu)建兩路 QEP 信號(hào)處理電路并輔助 完成譯碼等功能，接口卡負(fù)責(zé)完成控制卡與外部器件的互聯(lián)并進(jìn)行光電隔離和電平轉(zhuǎn) 換。 PC 端控制軟件完成與上位機(jī)的通訊，調(diào)用 DSP 內(nèi)部嵌入的許多控制算法，包括基 于前饋補(bǔ)償?shù)?PID 控制算法、參數(shù)曲線的自適應(yīng)時(shí)間分割插補(bǔ)算法、直線/圓弧插補(bǔ)算 法等。同時(shí)，控制軟件還調(diào)用 DSP 提供的豐富的動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)供用戶調(diào)用，并在此 基礎(chǔ)上開發(fā)了測(cè)試軟件。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有實(shí)時(shí)性好，跟隨 誤差小，加工精確度高等

6、優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：X-Y 工作臺(tái)；微型計(jì)算機(jī)；運(yùn)動(dòng)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 worktables mechanical structural and the interface o

7、f 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 controlle

8、rs 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 au

9、xiliary 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 compensat

10、ion, 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 tha

11、t 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 工作臺(tái)微型計(jì)算機(jī)控制試驗(yàn)系統(tǒng) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化， ，項(xiàng)中寧 指導(dǎo)教師：陸兵 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1緒論 機(jī)電一體化畢業(yè)設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)中占有重要位置，它關(guān)系到學(xué)

12、生知識(shí) 的綜合運(yùn)用和學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)及機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)的能力。因此設(shè)計(jì)內(nèi)容選擇很重要。 基于微型計(jì)算機(jī)控制的 X-Y 工作臺(tái)是典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，以此為設(shè)計(jì)內(nèi)容有較強(qiáng) 的教學(xué)研究意義。 數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。這個(gè)基礎(chǔ)是否牢固直接影響 到一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國(guó)力，關(guān)系到一個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略地位。因此，世界上各工 業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均采取重大措施來發(fā)展的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。在我國(guó)，數(shù)控技術(shù)與裝備的 發(fā)展亦得到了高度重視，近年來取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。特別是在通用微機(jī)數(shù)控領(lǐng)域， 以 PC 平臺(tái)為基礎(chǔ)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，已經(jīng)走在了世界前列。但是，我國(guó)在數(shù)控技術(shù)研究 和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面亦存在不少問題，特

13、別是在技術(shù)創(chuàng)新能力等方面情況尤為突出。在新 世紀(jì)到來時(shí)，如何有效解決這些問題，使我國(guó)數(shù)控領(lǐng)域沿著可持續(xù)發(fā)展的道路，從整 體上全面邁入世界先進(jìn)行列，使我們?cè)趪?guó)際競(jìng)爭(zhēng)中有舉足輕重的地位，將是數(shù)控研究 開發(fā)部門所面臨的重要任務(wù)。 本設(shè)計(jì)是以 PC 平臺(tái)為基礎(chǔ)的數(shù)控 X-Y 工作臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它具有直線插補(bǔ)和圓弧插 補(bǔ)等數(shù)控系統(tǒng)所使用的常用功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，控制精度相對(duì)較高, 可靠性、 穩(wěn)定性和實(shí)用性都很好。 2XY 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)要求 2.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 2.1.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖，A0 圖紙一張。要求重要剖面表達(dá)完整，向視表 達(dá)完整，視圖適合標(biāo)準(zhǔn)。 2.1.1.2 X-Y

14、工作臺(tái)與 PC 接口線路圖 2.1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 由靜止到最大快進(jìn)速度過度時(shí)間 0.1s P t 工作臺(tái)行程 縱向 180mm 橫向 120mm 最大快進(jìn)速度 縱向和橫向 3m/min 銑削最大寬度 4mm 0 a 銑削最大深度 2mm p a 最大銑刀直徑 16mm 加工材料 碳鋼 2.1.3 方案的分析、比較、論證 2.1.3.1 數(shù)控 XY 工作臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： A工作臺(tái)應(yīng)具有沿縱向和橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)、暫停等功能，因此數(shù)控控制系統(tǒng)采用 連 續(xù)控制系統(tǒng)。 B在保證一定加工性能的前提下，結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單，以求降低成本。因此進(jìn)給伺服 統(tǒng)采用伺服電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 C縱向和橫向進(jìn)給是

15、兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們各自由各的伺服電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、 絲杠螺母副組成。 D為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾 珠 絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊裝置，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙。 E為減少導(dǎo)軌的摩擦阻力，選用矩形滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。 2.1.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案方框圖 2.2 傳動(dòng)比的確定 當(dāng) 1 時(shí)，可使伺服電機(jī)直接與絲杠聯(lián)接，有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精度。因此本i 設(shè)計(jì)中取 1。i 2.3 初選伺服電機(jī) 根據(jù)公式 p bL i 360 0 其中 為傳動(dòng)比，為電機(jī)步距角，為滾珠絲杠導(dǎo)程，為脈沖當(dāng)量。i b 0 L p 因?yàn)?1，現(xiàn)取4mm， 4.05o,得0.045mm。i

16、0 L b p 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以山洋全數(shù)字式交流 伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn) 2000 線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻 技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為 360/8000=0.045。因此根據(jù)檢測(cè)器省配線數(shù) 2000，初選山洋 P50B05020DXS 型伺服電機(jī)。 微 機(jī) 運(yùn) 動(dòng) 控 制 卡 運(yùn) 動(dòng) 控 制 卡 驅(qū) 動(dòng) 器 驅(qū) 動(dòng) 器 伺服電 機(jī) 伺服電 機(jī) X 向 Y 向 聯(lián)軸器 聯(lián)軸器 圖 2-1 進(jìn)給系統(tǒng)總體方案方框圖 2.4 絲杠的選型及計(jì)算 2.4.1 計(jì)算絲杠承受的質(zhì)量 工作臺(tái)的行程為 X180mm，Y120mm。工作臺(tái)尺寸一般為工作臺(tái)行程的

17、 1.1 倍。 所以：X1801.1198mm, Y1201.1132mm。圓整，取 X200mm,Y150mm。 選擇工作臺(tái)的型槽為 T 型槽，查袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表 3-25 可得所選 T 型槽 的參數(shù)： A12mm B21mm C9mm H20mm 間距取 50mm 一取工作臺(tái)厚度為 T 型槽厚度的 2 倍， 即 22040mm。 工作臺(tái)質(zhì)量：0 7.810-3201549.36kg,即縱向絲杠所承受的質(zhì) 量。因工作臺(tái)有 T 型槽，故取 09kg。(減去 3 個(gè) t 型槽的重量得到的大概數(shù)值) 橫向絲杠所要承受的質(zhì)量 為工作臺(tái)質(zhì)量加上拖板質(zhì)量，一般以工作臺(tái)質(zhì)量的 3.5 倍計(jì)。即 3.5

18、927kg。 2.4.2 計(jì)算銑削力 2.4.2.1 切向切削力的計(jì)算 Z F 選用高速鋼直柄立銑刀，其銑削力公式為： ZdaaaCF tpfeFZ 86 . 0 72 . 0 86 . 0 81 . 9 查得68.2，16mm，4mm，0.020.04mm ，2m F C t d e a f a p a （公式和參數(shù)查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 ，湛江海洋大學(xué) 2005 年 3 月 P10） 查機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè) ，航天工業(yè)出版社 P632，得直柄立銑刀的齒數(shù)： 3（粗）和6（細(xì)） 。ZZ 以細(xì)齒計(jì)算得： . 147.238616204 . 0 4 2 . 6881 . 9 86 . 0 72 .

19、 0 86 . 0 Z F 2.4.2.2 進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷的計(jì)算 根據(jù)機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書表 2-1，可得： A H B C .40 . 0 / ,80 . 0 / ,85 . 0 /FL ZC ZV Z FF FF F 其中，為工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷，為工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷，為工作臺(tái)橫向進(jìn) L F V F C F 給方向載荷。 所以， .259.95147.23840 . 0 ,518.190147.23880 . 0 ,425.202147.23885 . 0 C V L F F F 2.4.3 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 滾珠絲杠螺母副初步選型的主要依據(jù)是根據(jù)最大工作載荷和最大靜載荷

20、。初步選 型后，進(jìn)行軸向剛度驗(yàn)算和壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。 2.4.3.1 最大工作載荷的計(jì)算 本設(shè)計(jì)中，選用矩形滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)P14，得滾珠絲杠上 的工作載荷： )(FmGFFfKF CVL 其中，為工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷，為工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷，為工 L F V F C F 作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷，G 為移動(dòng)部件重力.和分別為考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系K f 數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，對(duì)于矩形滾動(dòng)導(dǎo)軌取1.1，0.005。K f 所以， 縱向：537.242)9.89259.95518.901 (0.005425.0221.1Fm 橫向： 420.252)9.872259.95518.

21、901 (0.005425.0221.1Fm 2.4.3.2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算和主要尺寸的初選C 滾珠絲杠最大動(dòng)載荷可用下式計(jì)算：C 見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)式（2-14）P15 mmF fL 3 C 式中：為工作壽命，； 為絲杠轉(zhuǎn)速，； 為最大切L 6 10/60ntL n 0 /1000Lvn v 削力條件下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的 1/21/3，現(xiàn)取 1/3；為絲杠導(dǎo)程； 0 L 為額定使用壽命，可取 15000h；為運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，現(xiàn)1.5；為絲杠工作tt m f m f m F 載荷； 因?yàn)椋?)10(225 10 1500025060 10/60 min/250 4 3/131000

22、 /1000 6 6 6 0 rntL rLvn 所以，縱向：451.2048537.2425 . 1225C 33 mmF fL 橫向：580.2056420.2525 . 1225 C 33 mmF fL 查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書P14, 本設(shè)計(jì)選內(nèi)循環(huán)滾動(dòng)螺旋副: FLM1604-3-P4 查袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)表 P1014 表 19-24，根據(jù)4mm，選絲杠公稱直徑 0 L ，有：mmdm16 ,9700C ,1005C , 552 33 2.381DW oa a mm 額定靜載荷 額定動(dòng)載荷 絲杠螺旋升角 ，列數(shù)圈數(shù) ，滾珠直徑 因?yàn)?，所以初選的絲杠螺母副合格。NCN a 5100580

23、.2056C 2.4.3.3 傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為 見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)公式（2-15）P15 )( tg tg 式中：為絲杠螺旋升角，為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) 0.0030.004,f 其摩擦角約等于。0 1 所以， 94 . 0 )01552( 552 )( tg tg tg tg 2.4.3.4 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、 絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。 滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小，對(duì)縱向變形的影響更小，可忽略不計(jì)。螺母座只要設(shè)計(jì)合 理，其變形量也可忽略不計(jì)，只要滾珠

24、絲杠支承的剛度設(shè)計(jì)得好，軸承的軸向接觸變 形在此也可以不予考慮。 A A絲杠的拉壓變形量絲杠的拉壓變形量 1 滾珠絲杠應(yīng)計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量，其計(jì)算公式為 見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)公式（2-15） EA LFm 1 P23 式中：為在工作載荷作用下絲杠總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量（mm） ；為絲杠 1 m F m F 的工作載荷(N)；為滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度(mm)；E 為材料彈性模量，對(duì)鋼L E20.6B104MPa；A 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm2） ；“”號(hào)用于拉伸， “”號(hào)用于壓縮。 根據(jù)滾珠直徑 DW2.381mm， 22 2 1 1 023.14592 5 . 13 4 14

25、. 3 d 4 A 592.13238 . 1 2034 . 0 21622d 034 . 0 )2/381 . 2 238. 1 (707 . 0 )2/(707 . 0 381 . 2 238 . 1 381 . 2 52 . 0 52 . 0 mm mmRed mmDRe mmD mmDR m w w W 截面積滾珠絲桿按內(nèi)徑確定的 螺桿小徑 偏心距 滾珠直徑 螺紋滾道曲率半徑 公式見機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)P25，其中， 為絲杠公稱直徑。為絲杠底徑。 m d 1 d 取縱向進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L300mm，橫向進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L300mm。 所以，縱向：mmmm0.002210548 . 2 2

26、 023.4511020.6 300537.242 4- 4 1 橫向：mmmm0022 . 0 10637.22 023.14510 6 . 20 300420.225 4 4 1 B B滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2 該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長(zhǎng)度無關(guān)。其 計(jì)算公式： 有預(yù)緊時(shí) 見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)公式（2-17）P23 3 2 w m 2 D F 0013 . 0 ZFYJ 式中：為滾珠直徑（mm） ；為滾珠總數(shù)量圈數(shù)列數(shù)；Z 為一圈的 w D Z ZZ 滾珠數(shù)， -3（內(nèi)循環(huán)） ；為滾珠絲杠的公稱直徑（mm） ；為滾珠絲杠的工

27、 wm Dd/Z m d m F 作載荷（kgf） ；為預(yù)緊力（kgf，1kgf=9.8N） ，取工作載荷的 1/3。 YJ F m F 因?yàn)椋?1 1 . 183 2.381 613.14 Z 圈數(shù)列數(shù)1933191 ZZ 縱向：846.74537.224 3 1 3 1 FYJ m F 橫向：14 . 5 7420.252 3 1 3 1 FYJ m F 所以，縱向：0.0016mm 191846 . 4 72.381 224.537 0.0013 32 2 橫向：0.0016mm 19114 . 5 72.381 225.420 0.0013 32 2 因?yàn)闈L珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為工

28、作載荷的 1/3 時(shí)， 值可減少一半左右。 2 所以縱向和橫向：。 2 0.0008mm C滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算 絲杠的總的變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng) 21 規(guī)定的定位精度值的一半。 因?yàn)椋v向：mm0030 . 0 0008 . 0 0022 . 0 21 橫向：mm0030 . 0 0008 . 0 0022 . 0 21 機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的精度值為 0.01mm，其一半為 0.005mm0.003mm。 所以，總的變形量和機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半小，故縱向和橫向的 滾珠絲杠可以滿足要求。 2.4.3.5 壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，

29、若軸向工作載荷過大，將使絲杠失去穩(wěn)定 而產(chǎn)生縱向彎曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為 K F 見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)公式（2-18）P24 2 2 L EIf F Z K 式中： I 為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面（d1為絲杠底徑） ；L 為絲杠最)( 64 4 4 1 mm d I 大工作長(zhǎng)度（mm） ；E 為材料彈性模量，對(duì)鋼 E20.6104MPa；為絲杠支承方式系 Z f 數(shù)。 本設(shè)計(jì)中，絲杠為短絲杠，故支承方式選用一端軸向固定一端簡(jiǎn)支，即0.20。 Z f 。)(492.1674 64 592.1314 . 3 64 4 4 4 1 mm d I 所以，縱向： 829.7557 300 492.

30、167410 6 . 2014 . 3 20 . 0 2 42 K F 橫向： 829.7557 300 492.167410 6 . 2014 . 3 20 . 0 2 42 K F 臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于許用穩(wěn) K F m F K n K n 定性安全系數(shù)，則滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為 K n 見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)公式（2-19）P24 K m K K n F F n 一般取2.54，考慮到絲杠自重對(duì)水平滾珠的絲杠的影響可取4。 K n K n 又因?yàn)?，縱向： 466.33 537.224 829.7557 K m K K n F F

31、n 橫向： 453.33 420.225 829.7557 K m K K n F F n 所以，縱向和橫向的滾珠絲杠都不會(huì)失穩(wěn)。 2.4.3.6 滾珠絲杠螺母副的選擇 根據(jù)最大動(dòng)載荷選用，其代號(hào)為：MDTMDT 1604-3-P31604-3-P3 由機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)表 2-12 查得 MDTMDT 1604-3-P31604-3-P3 的安裝連接尺寸(mm): 公稱直徑基本道程滾珠絲桿 副規(guī)格 dmL0D1DD4BD5D6h 1604164285238115.5105.7 2.5 導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 2.5.1 初選導(dǎo)軌型號(hào)及估算導(dǎo)軌長(zhǎng)度 導(dǎo)軌為直線滾動(dòng)矩形導(dǎo)軌，本設(shè)計(jì)中共用 4 條導(dǎo)軌，每

32、條導(dǎo)軌用 2 個(gè)滑塊，根據(jù) 縱向最大動(dòng)載荷 C=2048.451N,橫向最大動(dòng)載荷 C2056.580N，通過查機(jī)電綜合設(shè)計(jì) 指導(dǎo)表 2-16 P33，初選 4 條導(dǎo)軌的型號(hào)都為 GDA20SV。其部分參數(shù)如下： mmlmml6020 21 ， 根據(jù)工作臺(tái)的長(zhǎng)度和工作臺(tái)的行程，從機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)表 2-16 中查得公式 。式中 為支座長(zhǎng)度；為導(dǎo)軌兩孔之間的距離。可算得縱向?qū)к壍?21 2nlllln 10，橫向?qū)к壍?0。nn 估算出導(dǎo)軌的長(zhǎng)度為：縱向進(jìn)給的導(dǎo)軌長(zhǎng)度為 640mm，橫向進(jìn)給的導(dǎo)軌為 640mm。 2.5.2 計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命L 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命可用下列公式計(jì)

33、算： 滾動(dòng)體為球時(shí) 見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)公式（2-20） 3 50 W CTHa f fff F C L P30 式中：為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km） ；為額定載荷（N） ，從機(jī)電綜合L a C 設(shè)計(jì)指導(dǎo)表 2-10 查得12400N；為硬度系數(shù)導(dǎo)軌面的硬度為 5864HRC 時(shí)， a C H f 1.0；為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過 1000C 時(shí)，1；為接觸系數(shù)，每 H f T f T f C f 根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí)0.81；為載荷/速度系數(shù)，無沖擊振動(dòng)或 C f W f 時(shí)，1-1.5 取=1.5。min/60mv W f W f 為每個(gè)滑塊的工作載荷（N） 。F 縱向：134.5

34、64/537.2244/ m FF 橫向：355.564/420.2254/ m FF 當(dāng)加工時(shí)，考慮到工作臺(tái)要承受工件的重量和銑削力等載荷，而這些載荷都通過工作 臺(tái)直接作用滑塊上，故取縱向和橫向都為 F100N。 所以，縱向和橫向： 50km15011kmm08.50112321 1.5 0.8111.0 100 12400 50 3 L 大于滾動(dòng)導(dǎo)軌的期望壽命，滿足設(shè)計(jì)要求，初選的滾動(dòng)導(dǎo)軌副可采用。L 2.6 伺服電機(jī)的驗(yàn)算 2.6.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載,在電機(jī)選用時(shí)必須加以考慮。由于傳動(dòng)系統(tǒng) 的各傳動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)

35、慣量向電機(jī)軸折算問題。 最后，要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 本設(shè)計(jì)需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子,聯(lián)軸節(jié),絲杠,工作臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。 2.6.1.1 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 D J 由機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)表 2-11 P34 查出,初選 P50B05020DXS,=0.173cm2 D J 2.6.1.2 聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 L J 選用 TL1 聯(lián)軸器(查機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)化學(xué)工業(yè)出版844323 4820 2210 GB J J P666)，可查出它轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.0004m2，得出4cm2。 L J 2.6.1.3 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 S J 查機(jī)電綜合設(shè)

36、計(jì)指導(dǎo)表 4-2 P119，得出 1m 長(zhǎng)的滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.94cm2，縱向進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L300mm，橫向進(jìn)給的絲杠長(zhǎng)度 L300mm，所以滾 珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量縱向：=0.940.3=0.282cm2；橫向：=0.940.3=0.282 S J S J cm2。 2.6.1.4 工作臺(tái)質(zhì)量的折算 G J 工作臺(tái)是移動(dòng)部件，其移動(dòng)質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式進(jìn)行 G J 計(jì)算： 見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)公式M L JG 20 ) 2 ( （2-6）P8 式中，為絲杠導(dǎo)程（cm） ；為工作臺(tái)質(zhì)量（kg） 。 0 LM 所以，縱向： 2 2 20 037 . 0 9 14 . 3

37、2 4 . 0 ) 2 (cmkgM L JG 橫向： 2 2 20 110 . 0 27 14 . 3 2 4 . 0 ) 2 (cmkgM L JG 2.6.1.5 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 J 縱向： 2 0.17340.2800.0374.490 DLSG JJJJJkg cm 橫向： 2 0.17340.0280.1104.311 DLSG JJJJJkg cm 2.6.2 驗(yàn)算矩頻特性 伺服電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)的瞬時(shí)失速力矩，從山洋伺服電機(jī)說明書中查 maxj M 得。伺服電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為： max 1.96 j Mm mq M maxj M maxjmq

38、MM 查機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)表 2-17 P38 得0.707。所以， 0.707 1.961.38572 mq Mm 伺服電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。伺服電機(jī)所需空載啟 動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： 見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)公式（2-24）P27 0 MMMM KfKaKq 式中：為空載啟動(dòng)力矩（Ncm） ；為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大 Kq M ka M 快進(jìn)速度，折算到電機(jī)軸上的加速力矩（Ncm） ；為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦 Kf M 力矩（Ncm） ； 為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 （Ncm） 。 0 M 有關(guān)的各項(xiàng)力矩值計(jì)算如下： Kq M 2.6.2.

39、1 加速力矩 見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)公式（2-25）和（2-26）P37 360 10 60 2 max max 2max p b Ka v n t n JJM 式中：為傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為電機(jī)最大角加速度；為與運(yùn)動(dòng)部件 J max n 最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；t 為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需 的時(shí)間，為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度；為初選伺服電機(jī)的步距角；為脈沖當(dāng)量。 max v b p max max 3000 4.05 750 /min 3600.045 360 b p v nr 縱向： 22 max 22 3.14 750 104.4901035.2465 6060 0.

40、1 Ka n MJcm t 橫向： 22 max 22 3.14 750 104.3111050.762025 6060 0.1 Ka n MJcm t 2.6.2.2 空載摩擦力矩 見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)公式（2-27） i LfG Mkf 2 0 P38 式中：為運(yùn)動(dòng)部件的總重量；為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； 齒輪傳動(dòng)降速比；為傳動(dòng)系數(shù)G f i 總效率，取0.8；為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程。 0 L 縱向：cmMkf 028 . 0 18 . 014 . 3 2 4 . 0004 . 0 8 . 99 橫向：cmMkf 084 . 0 18 . 014 . 3 2 4 . 0004 . 0 8 . 927 2

41、.6.2.3 附加摩擦力矩 見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)公式（2-28） 2 0 0 0 1 2 i LF M YJ P38 式中：為滾珠絲杠預(yù)緊力；為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，現(xiàn)取0.94。 YJ F 0 0 縱向：cmM 694 . 0 94 . 0 1 18 . 014 . 3 2 4 . 0846.74 2 0 橫向：cmM 694 . 0 94 . 0 1 18 . 014 . 3 2 4 . 0140.75 2 0 所以，伺服電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩： 縱向：=0.3597N.m 0 35.24650.0280.69435.9685 KqKaKf MMMMcm 橫向：=0.5154N.m 0

42、50.76200.0840.69451.54 KqKaKf MMMMcm 初選電機(jī)型號(hào)應(yīng)滿足伺服電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于伺服電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即 見機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)P40 mqKq MM 從上式可知，縱向和橫向的電機(jī)初步滿足要求。 3伺服電機(jī)控制原理 3.1 交流伺服電機(jī)介紹 交流伺服電機(jī)一般由永磁同步電機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器、速度傳感器組成，交流伺 服電機(jī)和它的驅(qū)動(dòng)器組成一個(gè)伺服系統(tǒng)。早期的交流伺服系統(tǒng)是一個(gè)典型的速度閉環(huán) 系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)器從主控制系統(tǒng)接收電壓變化范圍為的速度指令信號(hào)。 max U max U 電壓從變化到的過程中，伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)從反轉(zhuǎn)最高速變化到零，然后再 max U max

43、U 變化到正轉(zhuǎn)最高速。但是，這種交流伺服系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的閉環(huán)控制，還不能直 接實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的閉環(huán)控制。要實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的閉環(huán)控制，必須在電機(jī)和控制系統(tǒng)之間構(gòu) 成一個(gè)位置環(huán)。 為了適應(yīng)數(shù)字化控制的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)外一些廠家在九十年代初相繼推出了帶位置 環(huán)的全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。不僅可以進(jìn)行位置的閉環(huán)控制，還使得交流伺服電機(jī)可 以象伺服電機(jī)一樣易于控制，上位控制器可以是運(yùn)動(dòng)控制器、PLC 或者直接是 PC 機(jī)等。 3.2 交流伺服電機(jī)的控制模式 以日本山洋公司的 Q 系列交流伺服系統(tǒng)為例，介紹這種交流伺服系統(tǒng)的控制原理。 這種伺服系統(tǒng)可在驅(qū)動(dòng)器中由參數(shù) Pr02 設(shè)置為位置、速度和轉(zhuǎn)矩三種控制模式，現(xiàn)分

44、 述如下。 3.2.1 位置控制模式（Pr02=0） 當(dāng)伺服系統(tǒng)處于位置控制時(shí)，控制系統(tǒng)給伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)是脈沖和方向信號(hào)。 這一點(diǎn)和伺服電機(jī)的控制方式類似。其接口電路如圖 3-1 所示。 PULS1 PULS2 SIGN1 SIGN2 脈沖輸入 方向輸入 驅(qū)動(dòng)器 內(nèi)部 驅(qū)動(dòng)器 內(nèi)部 圖 3-1 交流伺服系統(tǒng)位置控制接口電路 指令脈沖的輸入方式可分為以下三種： 1正交脈沖指令 頻率相同但相位相差 90的 A、B 兩相脈沖分別從 PULS1、PULS2 和 SIGN1、SIGN2 送入伺服驅(qū)動(dòng)器。A、B 兩相脈沖的頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；脈沖數(shù)控制電機(jī)的角位移。 2CW/CCW 脈沖指令 即單脈沖工作

45、方式。脈沖信號(hào)通過 PULS1、PULS2 進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，則電機(jī)按 CW 方向 旋轉(zhuǎn)。若通過 SIGN1、SIGN2 進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，則電機(jī)按 CCW 方向旋轉(zhuǎn)。脈沖頻率控制電機(jī) 的旋轉(zhuǎn)速度，脈沖數(shù)控制電機(jī)的角位移。 3脈沖+方向指令 脈沖信號(hào)從 PULS1、PULS2 進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，脈沖頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，脈沖數(shù)控制電機(jī) 的角位移。方向信號(hào)從 SIGN1、SIGN2 進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，高低電平控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 3.2.2 速度控制模式（Pr02=1） 在速度控制模式中，上位控制系統(tǒng)通過 SPD、GND 引腳給伺服驅(qū)動(dòng)器輸入一個(gè) 10V10V 的模擬電壓，即可控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)從負(fù)向最大轉(zhuǎn)速到正向最大轉(zhuǎn)速之間的 速

46、度變化。電機(jī)轉(zhuǎn)速和指令輸入電壓之間呈線性關(guān)系。 nV 速度指令除了可以由外部模擬電壓來輸入外，還可以在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部用四個(gè)參數(shù)設(shè) 置四種內(nèi)部速度。通過驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)開關(guān)輸入信號(hào)的四種狀態(tài)組合選擇其中一種。驅(qū) 動(dòng)器可由內(nèi)部參數(shù) Pr52 對(duì)外部速度指令進(jìn)行零漂調(diào)整。本文中的運(yùn)動(dòng)控制器就是采用 速度控制方式對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制的。 3.2.3 轉(zhuǎn)矩控制模式（Pr02=2） 通過外加10V10V 的電壓，即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，與速度控制相似。電機(jī)的額定 轉(zhuǎn)矩和輸入電壓之間呈線性關(guān)系，直線斜率可用驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置。伺服電機(jī)工作 在轉(zhuǎn)矩控制模式時(shí)，應(yīng)限制其最大轉(zhuǎn)速，以免驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生過速報(bào)警。 3.3 伺服電機(jī)的

47、 PID 調(diào)節(jié)方案 圖 3-2 是運(yùn)動(dòng)控制器采用的 PID 調(diào)節(jié)原理框圖，虛線框中的速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào) 節(jié)器的功能由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器完成。電流環(huán)用來提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干 擾能力。速度環(huán)用于根據(jù)指令速度調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，在山洋伺服電機(jī)中，參 數(shù) Pr11 和 Pr12 分別設(shè)置其速度環(huán)增益和積分時(shí)間常數(shù)、位置環(huán)包括位置 PID 調(diào)節(jié)和 速度、加速度前饋，由運(yùn)動(dòng)控制器底層程序完成，可根據(jù)位置偏差調(diào)節(jié)電機(jī)的指令速 度，實(shí)現(xiàn)精確定位、回零等；輸出飽和控制主要在軟件中實(shí)現(xiàn)，可保證輸出電壓不會(huì) 超過設(shè)定范圍；靜差補(bǔ)償則可以消除由于放大器的零點(diǎn)漂移帶來的偏差。速度環(huán)和電 流環(huán)分別在速度控制模

48、式和轉(zhuǎn)矩控制模式下發(fā)揮作用，因此在運(yùn)動(dòng)控制器采用的速度 控制模式中，主要由速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)。 設(shè)為 D/A 轉(zhuǎn)換器的指令速度輸出值，為第個(gè)采樣時(shí)刻的位置偏差， n U n En 為第個(gè)采樣時(shí)刻的指令位置，為第個(gè)采樣時(shí)刻實(shí)際位 nett P)( arg n nactual P)(n 置，為第個(gè)采樣時(shí)刻累積誤差值，為當(dāng)前目標(biāo)速度，表 n n En ett V argett ACC arg 示當(dāng)前目標(biāo)加速度，表示電機(jī)靜差補(bǔ)償，則：B nactualnettn PPE)()( arg BKACCKV EK KEEKEU affettvffett n ni dnnpnn argarg1 256

49、)( 其中，分別表示比例增益、積分增益、微分增益、速 affvffdip KKKKK, 度前饋增益和加速度前饋增益?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例增益，它相當(dāng)于系統(tǒng)的剛 度，比例增益越大，調(diào)節(jié)速度越快，但會(huì)增加系統(tǒng)的超調(diào)。積分調(diào)節(jié)的作用是消除系 統(tǒng)輸出的靜差，但會(huì)降低系統(tǒng)響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)輸出的超調(diào)。微分調(diào)節(jié)的作用是阻 止偏差的變化，偏差變化越快，微分調(diào)節(jié)器的輸出也越大，因此微分作用的加入將有 助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。速度前饋和加速度前饋可以提高系統(tǒng)的 跟蹤性能，減小跟隨誤差。圖 3-3 是用在有前饋和無前饋的情況下用 Matlab 進(jìn)行的圓 弧插補(bǔ)跟隨誤差比較?？梢钥闯?，在無前饋的

50、情況下，電機(jī)跟隨誤差從開始的 63 個(gè)脈 沖在 0.137 秒后上升到 114 個(gè)脈沖，隨后作類似余弦曲線的變化。引入前饋后，跟隨 誤差從開始的 63 個(gè)脈沖迅速上升到 109 個(gè)脈沖，然后逐漸下降，在大約 0.2 秒后穩(wěn)定 圖 3-2 PID 調(diào)節(jié)原理框圖 在2 個(gè)脈沖之間。速度和加速度前饋的引入大大減小了系統(tǒng)的跟隨誤差。 編碼器可以把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，主要分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式。數(shù) 控系統(tǒng)中主要使用體積小、精度高、工作穩(wěn)定可靠的光電脈沖編碼器。光電脈沖編碼 器分為增量式脈沖編碼器和絕對(duì)式脈沖編碼器。絕對(duì)式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂 貴，實(shí)際應(yīng)用中，增量式脈沖編碼器應(yīng)用更為廣泛。

51、增量式脈沖編碼器一般產(chǎn)生 A+、A-、B+、B- 、C+、C-、三對(duì)差分信號(hào)，差分信號(hào) 處理電路可以將三對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形、放大轉(zhuǎn)變成 A、B、C 三相信號(hào)。每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè) C 相（Index）脈沖，用來產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)。通常，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械原點(diǎn)與各軸的脈沖 編碼器發(fā) C 脈沖的位置是一致的，通過 Home+Index 回零實(shí)現(xiàn)。A 相和 B 相信號(hào)則由兩 組近似正弦波、相差為的信號(hào)轉(zhuǎn)變成兩組相差為 90的正交編碼脈沖，相角超前90 與滯后對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，頻率對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)電機(jī)的角位移。正交編碼 脈沖由 4 倍頻電路產(chǎn)生 4 倍頻脈沖信號(hào)，再通過增減計(jì)數(shù)器對(duì) 4 倍頻脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì) 數(shù)，

52、可以方便得獲取電機(jī)的實(shí)際位置。同時(shí)，通過 M/T 測(cè)速法，根據(jù)在一個(gè)伺服周期 (s)內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)過的脈沖數(shù)(pulse)可以計(jì)算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如對(duì)于一個(gè)TN 2000pulse/r 的增量編碼器的伺服電機(jī)，其速度(RPM)計(jì)算方法為：V 60 RPM 2000 4 N V T 圖 3-3 跟隨誤差比較 4運(yùn)動(dòng)控制卡控制原理 運(yùn)動(dòng)控制器由基卡和接口卡組成，如圖 4-1 所示。單卡可以同時(shí)控制 1-4 軸伺服 電機(jī)的運(yùn)動(dòng)?；闪?PC 機(jī)與 DSP 通信電路，DSP 輔助電路，存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路， CPLD 譯碼、中斷、正交編碼處理電路，控制電壓轉(zhuǎn)換電路等。接口卡通過 62 針接頭與 基卡相連。伺服

53、使能、報(bào)警清除等輸出信號(hào)經(jīng)過光電隔離后通過 25 針接頭對(duì)電機(jī)進(jìn)行 控制或者連到 I/O 端子排進(jìn)行輸出；伺服電機(jī)編碼器反饋信號(hào)經(jīng)過差分處理和光電隔 離后輸入基卡，伺服使能、伺服報(bào)警信號(hào)，回零信號(hào)、限位信號(hào)和通用 I/O 信號(hào)等也 通過光隔進(jìn)行輸入輸出。 運(yùn)行過程中，PC 機(jī)把粗插補(bǔ)的數(shù)據(jù)通過 PC 機(jī)與 DSP 通訊電路傳遞給 DSP 進(jìn)行時(shí)間 分割精插補(bǔ)。在每一個(gè)伺服周期中，CPLD 器件 EPM7128 和 DSP 各處理兩路反饋的正交 編碼信號(hào)進(jìn)以獲取實(shí)時(shí)位置和速度，DSP 進(jìn)行參數(shù)曲線的自適應(yīng)插補(bǔ)計(jì)算出理論插補(bǔ)位 置，并與實(shí)際位置進(jìn)行比較獲取偏差值，以此作為輸入基于速度和加速度前饋進(jìn)

54、行 PID 調(diào)節(jié)，計(jì)算獲得速度控制量，產(chǎn)生的輸出信號(hào)經(jīng) DAC7625 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換及放大電路放 大后將模擬電壓量送伺服驅(qū)動(dòng)器以控制電機(jī)。外部的伺服報(bào)警信號(hào)、通用輸入信號(hào)、 回零信號(hào)、限位輸入信號(hào)在 CPLD 中進(jìn)行邏輯運(yùn)算后輸入 DSP 的 XINT1，只要有一個(gè)信 號(hào)輸入就引起中斷，由中斷處理程序進(jìn)一步判斷后做出相應(yīng)處理。 DSP TMS320LF2407 核心處理芯片 擴(kuò)展 RAM 伺 服 電 機(jī) 2 CPLD 譯碼、中斷 編碼器處理電路 JTAG 下 載口 電源管理 /時(shí)鐘 圖 4-1 控制器原理框圖 PC-DSP 通訊電路 控控制制器器基基卡卡 差分 信號(hào) 處理 光電 隔離 電平 轉(zhuǎn)

55、換 電源輸入 控制 電壓 轉(zhuǎn)換 62 針 接 頭 62 針 接 頭 25 針 接 頭 2 I/O 端子排 通用 I/O 限位 信號(hào) 回零 信號(hào) 外部 電源 接接 口口 卡卡 4.1DSP 芯片 TMS320LF2407 介紹 隨著微處理器、微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的性價(jià)比的提高，它們?cè)絹?越多地在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用?，F(xiàn)在，工程師們可以利用不斷發(fā)展的控制技術(shù)和 高性能的處理器設(shè)計(jì)數(shù)字控制系統(tǒng)，這種控制理論和實(shí)現(xiàn)手段的并行發(fā)展使得許多復(fù) 雜而有效的控制算法能迅速地用到實(shí)際生產(chǎn)過程中。尤其是 DSP 器件的優(yōu)越性能，以 及各 DSP 廠商不斷推出針對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的 DSP 芯片，使得 DS

56、P 成為復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 和高性能運(yùn)動(dòng)控制器中的首選器件。 TMS320LF2407 器件是美國(guó) TI 公司開發(fā)的面向電機(jī)控制的低成本、高性能的 DSP 器件，是本運(yùn)動(dòng)控制器的核心。其指令周期只有 33ns，可以很好地滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性 要求，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法29。 它在單片處理器中集成了高性能的 TMS320CxLP DSP 內(nèi)核（運(yùn)算能力為 30 MIPS） 、為電機(jī)控制而優(yōu)化的事件管理器及 PWM 輸出接口、可同時(shí)完成采樣的雙工 A/D 轉(zhuǎn)換器、并行的電機(jī)電流讀數(shù)轉(zhuǎn)換與通訊、Flash 存儲(chǔ)器或 ROM 程序存儲(chǔ)器，還 包括同步、異步串行外設(shè)接口、比較單元、通用定時(shí)器及與光電編碼器接

57、口的編碼單 元等資源。這種高度集成的單片數(shù)字控制方案比現(xiàn)存的多片方案具有更高的電機(jī)驅(qū)動(dòng) 能力及更低的系統(tǒng)費(fèi)用30。 與本運(yùn)動(dòng)控制器相關(guān)的的 TMS320LF2407 資源介紹如下： 1采用高靜態(tài) CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降為 3.3V，減小了控制器的功耗； 30MIPS 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到 33ns(30MHz)，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制 能力。 2基于 TMS320C2xxDSP 的 CPU 核保證了 TMS320LF240X 系列 DSP 代碼和 TMS320 系列 DSP 代碼兼容。 3片內(nèi)高達(dá) 32K 字的 FLASH 程序存儲(chǔ)器，高達(dá) 1.5K 字的數(shù)據(jù)/程序 RAM

58、，544 字雙口 RAM（DARAM）和 2K 字的單口 RAM（SARAM） 。 4兩個(gè)事件管理器 EVA 和 EVB，每個(gè)包括：兩個(gè) 16 位通用定時(shí)器；8 個(gè) 16 位 的脈沖調(diào)制（PWM）通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相控制；PWM 的對(duì)稱和非對(duì)稱波 形；當(dāng)外部引腳 PDPINTx 出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉 PWM 通道；可編程的 PWM 死區(qū)控 制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖；3 個(gè)捕獲單元；片內(nèi)光電編碼器接口電路；16 通道 A/D 轉(zhuǎn)換器。事件管理器模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁 阻電機(jī)、伺服電機(jī)、多級(jí)電機(jī)和逆變器。 5擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器（LF2407）總共 192K

59、字：64K 字程序存儲(chǔ)器；64K 字?jǐn)?shù)據(jù) 存儲(chǔ)器；64K 字 I/O 尋址空間。 6看門狗定時(shí)器模塊（WDT） 。 7基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。 8高達(dá) 40 個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳（GPIO） 。 95 個(gè)外部中斷（電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷） 。 電源管理器包括 3 種低功耗模式，并且能獨(dú)立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式。 4.1PCI 總線與 DSP 通訊電路 4.2.1 PCI 總線接口電路 PCI 總線接口電路大體有兩種實(shí)現(xiàn)方法。 1用可編程邏輯器件 CPLD 或 FPGA 實(shí)現(xiàn)通用 PCI 接口。這樣做也有兩種選擇。一 個(gè)是買 IP 宏，并根據(jù)應(yīng)用的需要來裁剪 IP

60、 宏并與相關(guān)應(yīng)用電路燒入 CPLD 或 FPGA 中。 另一種是采用類似于 QuickLogic 公司的一次性可編程芯片來處理，每片可編程芯片內(nèi) 都內(nèi)嵌 PCI 接口電路，也可根據(jù)應(yīng)用的需要來裁剪燒寫，但只能燒寫一次。采用可編 程邏輯器件的優(yōu)點(diǎn)主要有：PCI 接口可以根據(jù)插卡功能進(jìn)行最優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)，而不必 實(shí)現(xiàn)所有的 PCI 總線的功能，節(jié)約系統(tǒng)的邏輯資源；可以將 PCI 插卡上的其它用戶邏 輯與 PCI 接口邏輯集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)；當(dāng)系統(tǒng)升級(jí)時(shí)，只需對(duì) 可編程邏輯器件重新進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，而無須更改 PCB 板。但是，采用可編程邏輯器件 由于要買 IP 宏，而一個(gè) IP 宏少