单轴运动控制器的设计

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1 绪 论
1.1 课题的应用背景和意义
1.1.1 交流伺服系统的特点与现状
在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的系统称为伺服系 统。自上世纪 80 年代以来，随着微电子技术、电力电子技术、电机制造技术、传感 器技术以及先进控制理论的不断进步，使交流伺服系统得到了迅速的发展，并逐渐 取代了直流伺服系统。作为融合了电子电气技术、自动控制、电机学、机械力学的 机电一体化系统，交流伺服系统的基本结构如图 1-1 所示：
Key words ： AC Servo System Single-axis Motion Controller Trajectory Planning Trapezoidal-Curve S-Curve
II
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
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拟控制单元，实现了全数字化交流伺服控制。其突出优点是使控制系统软件化，由 于具有极好的柔性，在硬件不作任何改动的情况下，通过改变软件即可以实现各种 不同的控制功能。 (2） 集成化 新的伺服系统改变了以往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，就可以改变其结构，既可使系统构成半闭环位置伺服 系统，也可以构成高精度的全闭环位置伺服系统。另外新型电子器件的不断涌现， 也促进了伺服单元的集成化，例如智能功率模块(Intelligent Power Modules)在伺服系 统中的使用，不仅使主电路更加紧凑，而且大大简化了伺服系统的驱动、保护环节 的设计，提高了可靠性，同时也使得控制系统的体积得以缩小。 （3） 智能化 目前国外的伺服驱动器大都具有一定的智能化特点，其主要体现在两个方面。一 方面是驱动器具备一些强大的辅助功能，如故障自诊断、惯量的自动辨识和参数自 整定功能（即系统能够自动地将控制参数整定出来），方便了用户的操作使用；另 一方面系统采用先进的控制策略和智能化控制算法，使系统具有较高动态性能，改 善了系统的鲁棒性。 （4） 网络总线化 近十几年来，以工业局域网为基础的 FA 技术取得了长足的发展，为适应这一发 展趋势，目前伺服驱动器都配置了标准的串行通讯接口（如 RS-232/RS-485 等）和 专用的局域网接口。这些接口的设置，增强了伺服单元与其他设备间的互联能力。 近年来现场总线通讯方式（如 CAN 、PROFIBUS 、SERCOS 总线等）也已出现在交 流伺服系统中，这些总线接口不仅加快了设备之间的通讯速率，也提高了通讯的可 靠性。 1.1.2 伺服系统的行业应用分析
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Abstract
In recent years, with the development of AC servo technology, AC servo system has been widely used in many fields. Targeted at the single-axis motion control applications in industrial automation, a kind of single-axis motion controller which is cost-effective and easy to operate, is designed in this thesis based on a stand-alone servo driver. Firstly, this thsis analysed the applications of AC servo system in the industrial automation, introduced the function requirement of stand alone motion control application on servo drives at home and abroad. Based on pratice condition, the overall design scheme of the system is proposed. Then, the theory and implementation of trajectory planning are illuminated. The path planning principle of Trapezoidal-Curve and S-Curve are introduced, especially several key issues of the algorithm realization are specified. Afterwards, this thsis presented system hardware architecture and the servo software design method based on interrpt-driven and scheduling cycle. Meantime the modular package of trajectory planning is described detailly. In order to meet different applications, CAN-Bus used in the distributed control and Serial Peripheral Interface(SPI) used in stand alone running mode are adopted as communication interface of the system, interface circuit and software design are given respectively in this thesis. The frame formats of motion control instructions are also simply defined. Finally, the experiment results are achieved in both distributed control with CAN-Bus and stand alone control with instructions saved in E2 PROM inside the servo drives. The validity of two design schemes given above is verified. In the same time, the planning experiment results of Trapezoidal-Curve and S-Curve under different motion parameters are showed in this thesis, the analysis of results also verified the planning algorithm.
在交流伺服系统的众多应用领域中，轻工自动化是其中最大的一个门类，食品包
2源自文库
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装就是一个典型应用。 随着中国经济的高速发展以及人民生活质量的不断提高，消 费者对各种方便食品的需求量将不断增长，直接推动了食品包装业的发展，在客观 上促使食品包装业提供先进的技术装备，以满足不断增长的市场需求。下面就以食 品包装行业为例，分析应用交流伺服系统所带来的优点[4]： （1） 生产效率的提高。交流伺服系统凭借其高速高精度的特点，在电气和机械 的协调配合下，可完成制盒、灭菌、灌装、封口等功能。相比传统的食品包装控制 设备，它可以显著地提高生产效率、增加产品数量、故障率小、可靠性高、且大大 方便了生产操作，提高了工厂自动化程度。 （2） 机械结构的简化。传统的包装机械控制系统多采用继电器、接触器控制电 路，其复杂程度随着执行机构的增多而加大，给制造、调整、使用和维修均带来诸 多不便。而交流伺服系统的应用，可使数字伺服技术（如电子齿轮、电子凸轮） 、计 算机技术取代笨重的电气控制柜和驱动装置，使零部件数量剧减，结构大为简化， 体积也随之缩小。 在类似食品包装这类应用中，需要做单轴的重复、高速、高精度的定位运动，若 无加减速控制，在伺服驱动器的指令脉冲输入频率产生较大突变的情况下，电机将 会产生抖动或者振荡，结果将会出现较大定位偏差或导致损坏定位机构等问题。因 此希望定位过程是可控的，按设定的加减速规律进行控制，对运动路径进行轨迹规 划。欲实现这样的功能通常采用伺服驱动器＋运动控制器的系统方案，由伺服驱动 器完成电流环、速度环、位置环的控制，驱动执行结构——伺服电机的运动；运动 控制器根据实际的应用工艺向伺服驱动器发送运动控制命令，并且由它完成轨迹规 划的功能。运动控制器有多种选择：例如 PLC 模块、独立型的单轴控制器、运动控 制卡、或者与伺服驱动器配套的单轴定位模块等，采用这样的方案具有较好的通用 性。 倘若伺服驱动器本身就具备轨迹规划的功能，那么可使上述方案得到很大的简 化。首先上位的运动控制器就可以省却，一方面节省了系统的成本，方便了实际使 用操作；其次简化了对指令信号的传递和处理，以脉冲列或者模拟量的形式在运动 控制器与伺服驱动器之间传递的增量位置或速度指令，变成了以数字量的形式给出
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华中科技大学 硕士学位论文 单轴运动控制器的设计 姓名：杨凯峰 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：李叶松 20080606
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摘
要
近年来随着交流伺服技术的不断发展， 使交流伺服系统在诸多领域得到了广泛的 应用。针对工业自动化中需要单轴运动控制的应用场合，本文设计了一种基于伺服 驱动器的单轴运动控制器，节省了系统成本、方便了操作使用。 论文首先分析了交流伺服系统在自动化行业中的应用、 介绍了国内外伺服驱动器 独立运动控制的发展现状，在此基础上提出了系统的总体设计方案。阐述了轨迹规 划在系统中的作用和实现思想，介绍了梯形曲线和 S 形曲线路径规划的原理，并对 算法实现中的一些关键性问题作了具体分析。 然后对单轴运动控制器的硬件平台、 中断驱动和周期调度的伺服软件设计思想进 行了介绍，并对轨迹规划的模块化封装设计进行了详细的介绍。为适应不同的应用 场合，论文采用了 CAN 总线通讯和 SPI 通讯作为系统的通讯接口，分别给出了这两 种方案的通讯接口电路和软件设计，并对运动控制指令的帧格式作了相应定义。最 后，分别对 CAN 通讯分布式控制和伺服驱动器内置 E2 PROM 存储独立运行控制进 行了实验，验证了上述两个设计方案的可行性。同时，论文给出了不同运动参数下 梯形曲线和 S 形曲线路径规划的实验结果，结果分析也验证了算法的正确性。 关键词 ：交流伺服系统 单轴运动控制器 轨迹规划 梯形曲线 S 形曲线
运动控制器 伺服驱动器 伺服电机 机构
伺服检测装置
图 1-1
交流伺服系统的基本结构
在工业生产中，使用交流伺服系统能够完成各种复杂的生产加工工艺：如机器人 轨迹控制、数控机床进给控制等，它在数控加工、机器人、自动化组装线、半导体 加工、医疗机械、纺织机械和武器装备等行业中得到了广泛的应用，并表现出越来 越强的生命力。据统计资料显示： 2006 年国内交流伺服市场规模大约在 20 亿人民币 左右，随着世界制造业加速向中国转移、国家政策对国产数控装备的扶持，交流伺 服市场会继续保持快速增长的势头，其应用范围也必将越来越广[1]~[4]。 近十年来，随着国内外专家学者和工程师们的不断努力，交流伺服技术已日趋成 熟，并不断向新的方向发展，总结起来呈现出四大特点[5]： （1） 全数字化 专用数字信号处理器 DSP、高性能 RISC 微处理器或电机控制专用 ASIC 芯片成 为了伺服驱动器的核心控制单元，全面代替以模拟电子器件和分立元器件为主的模