伺服电机PSDSP主从控制系统设计 - 图文

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

谭芸 0

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

摘 要

信息化的基础是数字化。数字化的核心技术之一是数字信号处理。数字信号处理的任务在很大程度上需要由DSP器件来完成。DSP技术已成为人们日益关注的并得到迅速发展的前沿技术。DSP可以代表数字信号处理器（Digital Signal Processor），也可以代表数字信号处理技术（Digital Signal Processing），后者是理论上的技术，要通过前者变成实际产品。两者结合起来就成为解决某一实际问题和实现某一方案的手段即数字信号处理解决方案（DSPS）。

本课题主要针对是PC机对多个DSP的主从控制，也可以定义为PC机对多个伺服系统的控制。通过以试验台的形式将选用的电子元件连接起来，构成较为直观的主从系统，在其中加入反馈系统使得整个主从控制更加完善。在这个设计当中元件之间的连线是主要的任务，通过对信号的输入输出，来确定各器件之间如何的连接，同样对软件也有一些应用。

关键词：DSP 伺服系统 串口通信 主从控制 信号转换

谭芸 I

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

Abstract

Information is based on digital. Digital technology is one of the core digital signal processing. Digital signal processing tasks to a large extent by the need to complete the DSP devices. DSP technology has become an increasing concern and the rapid development of cutting-edge technology. On behalf of DSP digital signal processors (Digital Signal Processor), also on behalf of the digital signal processing technology (Digital Signal Processing), the latter is the theory of technology, through the former into a real product. The combination has become a practical solution to the problem and achieve a program that is a means of digital signal processing solutions (DSPS). This subject mainly aimed at is PC for multiple DSP master-slave control, also can be defined as PC for multiple servo system control. Through to the form of the rig selection of electronic components, constitutes an intuitional connecting the master-slave system in which join feedback system makes the whole master-slave control to be more perfect. In the design of components of connections between is the main task of signals, through the input and output, to determine the connection between the device and also how to software and some applications.

Key words:DSP Servo system Serial communication Master-slave control Signal conversion

谭芸 II

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

第1章 绪论

1.1 DSP的历史发展概况以及未来发展前景

DSP可以代表数字信号处理器（Digital Signal Processor），也可以代表数字信号处理技术（Digital Signal Processing），后者是理论上的技术，要通过前者变成实际产品。两者结合起来就成为解决某一实际问题和实现某一方案的手段即数字信号处理解决方案（DSPS）。DSP是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器，其处理速度比最快的CPU还快10～50倍。在当今的数字化时代背景下，DSP己成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。业内人士预言，DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素。

在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU（微处理器）来完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此，70年代有人提出了DSP的理论和算法基础。而DSP仅仅停留在教科书上，即便是研制出来的DSP系统也是由分立组件组成的，其应用领域仅局限于军事、航空航大部门。

随着大规模集成电路技术的发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作，虽功耗和尺寸稍大，但运算速度却比MPU快了几十倍，尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP芯片的问世标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。80年代后期，第三代DSP芯片问世，运算速度进一步提高，其应用于范围逐步扩大到通信、计算机领域。

90年代DSP发展最快，相继出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP属于第五代产品，它与第四代相比，系统集成度更高，将DSP芯核及外围组件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手，而且逐渐渗透到人们日常消费领域，前景十分可观。

DSP产业在约40年的历程中经历了三个阶段：第一阶段，DSP意味着数字信

谭芸 1

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

号处理，并作为一个新的理论体系广为流行。随着这个时代的成熟，DSP进入了发展的第二阶段，在这个阶段，DSP代表数字信号处理器，这些DSP器件使我们生活的许多方面都发生了巨大的变化。接下来又催生了第三阶段，这是一个赋能(enablement)的时期，我们将看到DSP理论和DSP架构都被嵌入到SoC类产品中。” 第一阶段，DSP意味着数字信号处理 。 80年代开始了第二个阶段，DSP从概念走向了产品，TMS32010所实现的出色性能和特性备受业界关注。方进先生在一篇文章中提到，新兴的DSP业务同时也承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。当设计师努力使DSP处理器每MIPS成本降到了适合于商用的低于10美元范围时，DSP在军事、工业和商业应用中不断获得成功。到1991年，TI推出价格可与16位微处理器不相上下的DSP芯片，首次实现批量单价低于5美元，但所能提供的性能却是其5至10倍。 到90年代，多家公司跻身DSP领域与TI进行市场竞争。TI首家提供可定制 DSP——cDSP，cDSP 基于内核 DSP的设计可使DSP具有更高的系统集成度，大加速了产品的上市时间。同时，TI瞄准DSP电子市场上成长速度最快的领域。到90年代中期，这种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。这时，DSP业务也一跃成为TI最大的业务，这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围。 21世纪DSP发展进入第三个阶段，市场竞争更加激烈，TI及时调整DSP发展战略全局规划，并以全面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化产业化进程。成就这一进展的前提就是DSP每MIPS价格目标已设定为几个美分或更低。

未来的DSP技术将更多的应用到我们的生活中，包括了数字信号处理器的内核结构进一步改善，多通道结构和单指令多重数据(SIMD)、特大指令字组(VLIM)将在新的高性能处理器中将占主导地位，如Analog Devices的 ADSP-2116x。 DSP 和微处理器的融合：微处理器是低成本的，主要执行智能定向控制任务的通用处理器能很好执行智能控制任务，但是数字信号处理功能很差。而DSP的功能正好与之相反。在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能，如数字蜂窝电话就需要监测和声音处理功能。因此，把DSP和微处理器结合起来，用单一芯片的处理器实现这

谭芸 2

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

两种功能，将加速个人通信机、智能电话、无线网络产品的开发，同时简化设计，减小PCB体积，降低功耗和整个系统的成本。例如，有多个处理器的Motorola公司的DSP5665x，有协处理器功能的Massan公司FILU-200，把MCU功能扩展成DSP和MCU功能的TI公司的TMS320C27xx以及Hitachi公司的SH-DSP，都是DSP和MCU融合在一起的产品。互联网和多媒体的应用需要将进一步加速这一融合过程。DSP 和高档CPU的融合：大多数高档GPP如Pentium 和PowerPC都是SIMD指令组的超标量结构，速度很快。LSI Logic 公司的LSI401Z采用高档CPU的分支预示和动态缓冲技术，结构规范，利于编程，不用担心指令排队，使得性能大幅度提高。Intel公司涉足数字信号处理器领域将会加速这种融合。DSP 和SOC的融合：SOC(System-On-Chip)是指把一个系统集成在一块芯片上。这个系统包括DSP 和系统接口软件等。比如Virata公司购买了LSI Logic公司的ZSP400处理器内核使用许可证，将其与系统软件如USB、10BASET、以太网、UART、GPIO、HDLC等一起集成在芯片上，应用在xDSL上，得到了很好的经济效益。因此，SOC芯片近几年销售很好，由1998年的1.6亿片猛增至1999年的3.45亿片。1999年，约39%的SOC产品应用于通讯系统。今后几年，SOC将以每年31%的平均速度增长，到2004年将达到13亿片。毋庸置疑，SOC将成为市场中越来越耀眼的明星。DSP 和FPGA的融合： FPGA是现场编程门阵列器件。它和DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。据报道，Xilinx 公司的Virtex-II FPGA对快速傅立叶变换(FFT)的处理可提高30倍以上。它的芯片中有自由的FPGA可供编程。Xilinx公司开发出一种称作Turbo卷积编译码器的高性能内核。设计者可以在FPGA中集成一个或多个Turbo内核，它支持多路大数据流，以满足第三代(3G)WCDMA无线基站和手机的需要，同时大大节省开发时间，使功能的增加或性能的改善非常容易。因此在无线通信、多媒体等领域将有广泛应用。

1.2 伺服系统的历史发展概况

伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械

谭芸 3

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。

伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：①以小功率指令信号去控制大功率负载。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。②在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。③使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。

衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。带宽越大，快速性越好。伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。惯性越大，带宽越窄。一般伺服系统的带宽小于15赫，大型设备伺服系统的带宽则在1～2赫以下。自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50赫，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。因此，在伺服系统中必须采用高精度的测量元件，如精密电位器、自整角机、旋转变压器、光电编码器、光栅、磁栅和球栅等。此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度。采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。

伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。最基本的伺服系统包括伺服执行元件（电机、液压缸等）、反馈元件和伺服驱动器，但是要让这个系统运转起来还需要一个上位机构。

自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。到20世纪80年代中后期，

谭芸 4

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

各公司都已有完整的系列产品。整个伺服装置市场都转向了交流系统。早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行。

到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。 1.3 PC/DSP主从控制的特点

在DSP控制伺服系统的基础上，实现PC机对多个DSP的主从控制，要设计这个主从控制系统，不可避免的要遇到以下的问题，PC机与DSP之间的通信，控制命令的形式装换。在主从控制系统中，主机要与各个从机进行通信，因此首先必须解决从机识别这个问题，这属于通信协议的范畴。常常采用的方法是地址识别，即给从机分别设定地址信息，方法是在数据前加地址字段或者直接在数据传送之前先发送地址帧，主机通过不同的地址信息来识别数据源。地址信息的识别过程如下：首先，从机处于只接受地址帧的状态；主机发送一帧地址信息；从机接受到地址帧后，将本机地址与地址帧中的地址进行比较，如果地址相同，则准备接受数据，否则丢弃当前帧，任然处于只接收地址帧的状态；主机发送数据帧，相应的从机接受数据，数据传输完毕后，从机继续回到只接受地址帧的状态。这一过程中，其他从机不受影响；当主机需要与其他从机进行数据传输时，可以再次发送地址帧呼叫从机，重复这一过程。同样的当从机要向主机发送先进时也要进行数据的转换，进行从机与主机之间的通信后，将数据发送给主机。

PC机与DSP通过多串口卡连接起来，通过串行口进行通信，实现了再次控制，利用DSP来控制伺服电机可以类似于PLC控制电机，DSP相当于一个可控制器，将我们输入的速度方向等信号通过PWM传递给伺服（步进）驱动器，进而来控制电动机的转速和方向。PC/DSP主从控制的特点在于信号的准确度，在PC机与DSP之间的通信时，将数据先打包后传送再进行转

谭芸 5

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

换得到数据，不仅节省了数据传送的空间，也大大加强了数据的实用性。同样建立一个主从控制系统，采用DSP也比较经济实惠。 1.4 本课题的研究意义

基于DSP对伺服系统的控制，在本课题中，采用三个DSP分别控制一个步进电机，一个伺服直流电机，一个交流伺服电机，可以通过一台主机来控制三个DSP进而控制3个不同的电机，实现了多点控制操作，在实际生产中可用于流水线生产，不节约了很多的条件，还可以提高生产的效率。主从控制的优点在于系统较为简单，应用广泛，可以自行设计控制程序，在控制的精度上能够达到较高的要求。通过编码器对执行元件的速度位移进行信号反馈也大大地提高了数据的准确性，也可以将这种控制系统应用于更加复杂的伺服系统中了。我们在实际生产中对伺服系统的选择往往有很多种，比如运动控制卡进行控制、PLC进行控制、液压系统进行控制、DSP进行控制。用DSP这种全数字化的来进行控制能够实现多种功能，并且在其控制优与其他控制方式。 1.5本课题的主要研究内容及创新点

本课题研究的主要内容是DSP对不同系统的控制，DSP是一个中间且是一个重要的过程，计算机发出的指令要是DSP的能够识别并将其发送给伺服电机，伺服电机又要通过反馈系统将信号反馈给DSP，实现比较完全的控制。DSP与电机驱动器之间的是通过PWM进行数据传送，由于PWM不能直接输送给步进驱动器，故要实现PWM控制，需要加入一个光耦进行数据转换。通过对反馈信号与输入信号的比较可以得出这个系统的准确度，同时通过反馈的信号将输入信号进行改善，更能够使这个系统完善。

通过PC机对多个DSP的主从控制来实现多个电机的运行，可以进一步扩展到对一整个生产线的主从控制，本课题的创新点在于对DSP控制伺服电机的伺服系统有一个较为完善的测试和监控，能够实时的控制输入信号，达到最理想的状态。使用多串口卡也在整个系统中起到了很关键的作用，主从控制是通过这个多串口卡实现的，通过串口通信能够使控制信号完完整整的到达电机位置，电机完成我们所需要的动作（速度方向）。

谭芸 6

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

第2章 总体方案的选择

2.1 基本原理

如图2.1所示，要实现伺服电机PC/DSP的主从控制，需要一个PC机对多个DSP进行控制，本课题中用到了3个DSP，分别控制3台电机。 驱动器电机编码器驱动器电机编码器驱动器电机编码器 图2.1 整体方案框图 2.2方案需要的条件

根据整体方案框图的结构可以看出，需要3个DSP，3个驱动器，3个电机和3个编码器以及一些必要的连接设备等。本方案中采用了3个不同电机，分别是伺服直流电机、伺服交流电机、步进电机。设计可以按照试验台的形式做出来，可根据具体的方案选定型号，见表2.1. 名称 DSP 多串口卡 转换芯片 直流伺服驱动器 直流伺服电机 型号 TMS320F240 MOXACP-104UL MAX232 MCDC505 60WGD-03 3个 1个 3个 1个 1台 数量 谭芸 7

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

交流伺服驱动器 交流伺服电机 步进电机驱动器 步进电机 光电编码器 光耦 整流器 小型熔断器 交流电源 小型电源 外接线 试验台 计算机 ACS1806 ACM604 2D-6209-V2C 29BYG250 BCE94A/K20 6N138 ZDA-100/36 JXC45N 220V 输出电压0-24V 规格不一样 表2.1方案所需元件明细表 1个 1台 1个 1台 3个 1个 2个 1个 1个 2个 若干 4个 1台 第3章 试验台工作元件介绍 3.1 DSP的选择

选择的DSP是TI公司的TMS320F240。tms320f240系列是美国ti公司于1997年推出的，专为数字电机控制和其它控制应用系统而设计的16位定点数字信号处理器。它将数字信号处理的高速运算功能与面向电机的强大控制能力结合在一起，从而成为传统的多微处理器单元和多片设计系统的理想替代品。f240片内外设包括双10位a/d转换器，带有锁相环pll时钟模块，带中断的看门狗定时器模块，串行通信接口sci及串行外设接口spi，另外，还集成了一个事件管理模块evm。因此，tms320f240不仅具有高速数据处理能力，还具有控制和事件管理能力，可完成人机界面、与上位机进行串行通信等功能。

tms320f240串行通信接口（sci）是一个标准的通用异步接收/发送（uart）通信接口。它的接收器和发送器都是双级缓冲的，有自己的使能和中断位，可以半双工或全双工工作。为保证数据的完整性，串行通信接口对接收的数据进行间

谭芸 8

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

断检测、奇偶性、超时和帧错误的检查。串行通信接口的波特率可高达64kbps。tms320f240的sci串行通信接口包括scirxd/io（串行通信数据接收，也可作普通io）和scitxd（串行通信数据发送，也可作普通io）两个引脚，与之相关的寄存器包括控制类寄存器和数据类寄存器。其中，控制类寄存器有7个，分别用来设置数据格式协议和通信模式（sciccr）、中断使能和内部时钟使能（scictl1和scictl2）、中断优先级（scipri）、波特率（scihband和scilband）、引脚控制功能（scipc2）以及反映通信状态（scixst）等；数据类寄存器有3个，分别是数据发送缓冲寄存器scitxbuf、数据接受缓冲寄存器scirxbuf和仿真数据接收缓冲寄存器scirxemu。tms320f240的串行通信接口（sci）模块提供了两种工作方式：(1）空闲线方式。通过空闲状态的长短区分信息帧，信息帧里前面的信息块是地址信息，后面是数据信息。(2）地址位方式。数据格式上增加1个地址/数据位，该位为1表示信息块为地址信息，否则为数据信息。地址位方式适合于短信息的传送，空闲线方式适合于长信息的传送。 3.2 多串口卡的选择

选择的多串口卡是杭州微浪科技有限公司的MOXACP-104UL。如图3.1所示：

图3.1 MOXACP-104UL示意图

简介：

MOXA CP-104 通用 PCI 系列可满足PC 服务器制造商目前大量使用的新式

谭芸 9

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

PCI插槽标准。此外，CP-104 通用 PCI 串口卡 可使用在3.3 V和5V的插槽，这使得MOXA卡可实际应用在所有PC 服务器上。 而具备4个RS-232串口的CP-104UL串口卡，可用来连接数据撷取设备或大部份串口设备到PC或兼容的系统上。 特点：

? ? ? ? ? ? ? ? ?

超过800 Kbps 数据吞吐量，效能全球第一 通用的PCI兼容3.3/5V的PCI和PCI-X 为小型PC提供MD1 低挡板支架多串口通讯卡

支持Windows 2003/XP/2000/98/ME、Linux、UNIX驱动 内建的LED显示灯让维修及软件管理变得容易 单一5 VDC电源需求

串口通讯速率最高可达921.6 Kbps

支持128 byte FIFO驱动程序和内建软硬件流量控制 内建15 KV ESD 突波保护

3.3 转换芯片的选择

由于多串口卡的外端是RS232接口，故需要选用与之配套的芯片MAX232，

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。

图3.2 MAX232引脚图

谭芸 10

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

引脚介绍：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。 8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。

主要特点：1、符合所有的RS-232C技术标准 ；2、只需要单一 +5V电源供电 ；3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V- ；4、功耗低，典型供电电流5mA ；5、内部集成2个RS-232C驱动器 ；6、内部集成两个RS-232C接收器。 3.4直流伺服驱动器的选择

选择的直流伺服驱动器是深圳东方伺服数控技术有限公司的MCDC505全数字

直流伺服驱动器。 产品简介 一， 概述

MCDC505是本公司采用DSP控制技术设计生产的低成本全闭环全数字直流伺服驱动器。包括三个闭环调节回路（位置回路，速度回路以及电流回路）。可以工作在位置，速度和转矩模式，适合驱动电压50V功率在200W以下的直流伺服电机。 二， 特点

位置控制：输入光隔离脉冲与方向（PULSE／DIR）

速度控制：：输入为模拟0V～＋3.3V电压信号（由POS。ff做速度输入） 转矩控制：：输入为模拟0V～＋3.3V电压信号（（由POS。ff做转矩输入） 电流环带宽：（-3dB）2KHz（典型值） 速度环带宽：500Hz（典型值）

谭芸 11

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

位置环带宽：200Hz（典型值）

过流，I2T，过压，欠压，过热，超速，超差保护 绿灯表示运行，红灯表示保护 三， 端口说明

端子号 符号 说明 端子号 符号 说明 1 PowerGND 电源地 7 E＋5V 编码器电源正极 2 ＋20～50VDC 电源正极 8 PhaseA 编码器A相 3 Motor- 电机红线 9 PhaseB 编码器B相 4 Motor＋ 电机黑线 10 DIR 方向 5 ERR／RES 误差报警／复位 11 STEP 脉冲 6 EGND 编码器电源地 12 ＋5V 控制信号电源

四，伺服系统的参数调整和设置（电位器逆时针调时值减小，顺时针调时值增大）

A：驱动器电路板上一个四位的双排插针，做工作模式设置，从外到里定义为1-4号位置。

1）当短接帽插都不插时，位置模式脉冲／方向。 2）插在1号位置时，速度控制，由POS。ff做速度输入。 3）插在2号位置时，力距控制，由POS。ff做转矩输入。 4）插在1号和2号位置时，位置控制正脉冲／负脉冲输入。 5）插在3号位置时，位置控制脉冲／方向，但转动方向相反。

B：电位器有11个刻度，逆时针调到头为0，顺时针调到头为10，中间为5 POS。ff：位置前馈调节 POS。P：位置比例增益调节 POS。D：位置微分调节 Vel。P：速度比例增益调节

伺服系统包括三个反馈回路（位置回路，速度回路以及转矩（电流）回路）。最内环电流回路的反应速度最快，中间环节速度的反应速度必须高于最外环位置回路。假使未遵守此原则，将会造成震动或反应不良。伺服驱动器的设计可确保电流回路具备良好的反应效能。用户只需调整位置回路与速度回路参数。系统各

谭芸 12

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

参数之间总是相互制约的，如果只有位置回路增益增加，位置回路输出的指令可能会变得不稳定，以致整个伺服系统的反应可能会变得不稳定。通常可参照下列步骤对系统进行调整：

1）将位置前馈和位置微分设为电位器刻度（2），位置增益和速度增益先设在较低值刻度（3），然后在不产生异常响声和振动的前提下，逐渐增加速度增益至少有振动则再减小刻度（0.5-1）格。

2）增加位置增益至少有振动。再增加位置微分至没有振动。 3）增加位置前馈使滞后和超调最小。

4）如果电机运行时有振动，适当减少速度增益。

5）如果电机停止时有振动，适当减少位置增益，或增加位置微分。 在整个响应无超调，无振动的前提下，应将位置增益设至最大。随后对速度增益及位置前馈，位置微分进行微调，找到最佳值。 五， 技术指标

输入直流电压范围24～50V（典型值） 200W连续输出功率 连续输出电流6A32KHzPWM 过载输出电流18A（3秒） 保护

过电流动作值峰值30A±10％ 过载I2t电流动作值300％5S 过热动作值80℃ 过压电压动作值65V 欠压电压动作值18V 最大脉冲输入频率300K

最大RS232C速度19.6Kbps（需要外加转换接口） 使用环境场合：尽量避免粉尘，油雾及腐蚀性气体 工作温度：0～＋50℃ 储存温度：-20℃～＋80℃ 湿度：40～90％RH

谭芸 13

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

冷却方式：自然冷却或强制风冷 外形尺寸74×71×28 重量约120克

图3.3 MCDC505全数字直流伺服驱动器

3.5直流伺服电机的选择

选择的直流伺服电机是深圳市力宇科技有限公司的

60WGD-03。无刷直

流电机采用高性能的稀土永磁材料制造，具有高速度，高效率，高动态响应，高热容量和高可靠性等优点。同时还具有低噪声和长寿命等特点。是一种新发展起来的新型电机。目前已用于多种领域。如：机械工业，数控机床，工控产品，电工机械，印刷包装机械，纺织，轻工机械，医疗器械等。 应用于电动汽车以及特种车辆用大功率无刷直流电机，以效率高，过

谭芸 14

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

载能力强，可靠性好等优点得到用户信赖。配套全数字化速度闭环控制，跟随性好，起停速度快。 ● 工作电压范围宽

● 启动大力矩，过载能力强， ● 运行平稳，低噪音。

● 采用高性能的永磁材料，其效率相对交流变频系统高。 ● 无级调速，调速范围宽。

● 反馈方式采用开关霍尔，低线数码盘。

● 电机高性能密度设计，相对于交流异步电机体积小、转矩大

● 开发的高速系列无刷电机采用自冷方式方便用户使用，提高使用范围 规格有低速(300-750 rpm力矩电机)，中速，及高速（8000-16000rpm）。

图3.4 无刷电机产品

谭芸 15

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

表3.1 无刷直流电机技术规格

备注：常用电压等级：小功率有 24，36，48，130,144,220，300V 等 转速等级可以根据用户要求制定，可以制作低速及高速系列，如8000-16000rpm 特殊系列， 环境条件 室内（不直接受阳光照晒），远离腐蚀 性气体、可燃物、油滴、灰尘等 ，高度 海拔1000m以下。

表3.2 无刷直流电机外形规格

谭芸 16

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

3.6 交流伺服驱动器的选择

选择的交流伺服驱动器是雷塞科技的ACS1806经济型交流伺服驱动器。

图3.5 ACS1806经济型交流伺服驱动器 驱动器基本功能 ■供电电压+20～180VD;

■输出电流均值6ARMS，峰值18A； ■可驱动50～750W交流伺服电机； ■具有位置/速度/力矩三种控制模式； ■速度/力矩控制指令为±10V的模拟信号； ■提供编码器反馈脉冲输出。

概述

ACS806/ACS1806型全数字交流伺服驱动器，是雷赛开发的经济型中压全数字交流伺服产品，其工作电压为＋20～180VDC，可驱动50～750W的交流伺服电机。其体积小巧、安装方便、高性价比、高可靠性、调试简单。 应用领域：

适合喷绘机、中小型雕刻机、电子加工设备、自动抓取设备、专用数控机床、包装设备等。在用户期望振动极小、超低噪音、高度和高速度的设备中使用，效果尤佳。

谭芸 17

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

图3.6 ACS1806经济型交流伺服驱动器尺寸安装 3.7 交流伺服电机的选择

选择的交流伺服电机是雷塞科技ACM604经济型交流伺服电机。

图3.7 ACM604经济型交流伺服电机

雷赛在推出经济型交流伺服驱动器的同时，配套推出了ACM系列交流伺服电机产品，电机功率涵盖100W～750W。该系列电机与日本松下和富士电机安装尺寸兼容，编码器为2500线或1000线可选。电机运行十分平稳，发热与噪声极小，低速性能十分接近日本伺服水平，在1rpm时仍能平稳运行。

ACM601VACM602VACM602V3ACM602VACM602V6ACM604V产品型号 额定电压 额定功率 36 36 36 200 6A 36 200 60 60 200 0A 60 200 60 60 400 ACM604 V W 36 100 220 400 谭芸 18

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

额定力矩 峰值力矩 额定转速 最大转速 额定电枢电流 峰值电枢电流 力矩系数 N.M N.M RPM RPM A A N.M/A 0.318 0.95 3000 4000 4 11 0.0866 0.64 1.91 3000 4000 7.6 22 0.0918 0.64 1.91 3000 4000 7.6 22 0.0918 0.64 1.91 3000 4000 4.7 14 0.15 0.64 1.91 3000 4000 4.7 14 0.15 1.27 3.82 3000 4000 8.4 25 0.161 1.27 3.82 3000 5000 2.8 8.5 0.49 17x10-3 1425 6 反电势系数 V/RPM 3.03 x10-3 3.213x10-3 3.213x10-3 5.24x10-3 5.24x10-3 5.54x10-3 电阻 电感 mohm mH kg㎡转动惯量 x10-4 最大径向负载 最大轴向负载 N N 78.6 38.2 60 70 50 8 无键槽 25 86.7 4 245 68 60 70 50 11 带键槽 30 100.7 4 245 68 60 70 50 14 带键槽 30 100.7 4 245 68 60 70 50 11 带键槽 30 100.7 4 245 68 60 70 50 14 带键槽 30 100.7 4 245 74 60 70 50 14 带键槽 30 127.8 4 380 0.91 0.1032 0.176 0.296 0.176 0.296 0.3549 163 0.41 163 0.41 378 1.07 378 1.07 192 0.59 0.3549 245 74 60 70 50 14 带键槽 30 127.8 4 电机机座尺寸 mm 电机安装直径 mm 电机法兰直径 mm 电机轴直径 轴连接方式 出轴长度 电机总长 磁对极 编码器 电机重量 工作环境温度 mm mm mm 2500可选 2500可选 2500可选 2500可选 2500可选 2500可选 2500可选 Kg ℃ 0.701 0～40 0.966 0～40 0.984 0～40 0.966 0～40 0.984 0～40 1.463 0～40 1.48 0～40 表3.3 ACM系列交流伺服电机电气参数 谭芸 19

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

图3.8 ACM604安装尺寸

3.8 步进电机驱动器的选择

选择的步进电机驱动器是北京时代超群的ZD-6209-V2C驱动器。

图3.9 ZD-6209-V2C驱动器

产品特点：

高集成度高可靠性 ? 接口采用超高速光耦隔离 ? 抗高频干扰能力强

? 最高输入电压：DC 40V(峰值)

谭芸 20

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

? 电源反接保护 主要功能 ：

? 内部集成控制调速度功能，支持内部和外部控制 ? 整步、二细分、四细分、八细分、十六细分可调 ? 输出电流线性可调 ? 过热自动保护 ? 自动半流锁定 ? 衰减可调

? 支持脱机、使能、锁定等功能 控制方式 ：

脉冲- 有脉冲时工作，高电平有效；无脉冲时锁定电机并自动半流 方向- 高电平输入或悬空时正转；低电平输入时反转 脱机- 高电平输入或者悬空时正常工作；低电平时脱机

图3.10 ZD-6209-V2C驱动器外形尺寸

谭芸 21

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

3.9步进电机的选择

选择的步进电机是北京时代超群的39BYG250-34步进电机。

图3.11 39BYG250-34步进电机

1. 使用范围:

该规格书适用于39BYG250混合式步进电动机. 2. 类型和规格:

2.1 驱动方式:恒流斩波驱动:

2.2 励磁方式:1-2相励磁(二相八拍运行).可正反向旋转; 2.3 转向:按A -B -C -D -A顺序通电,从轴伸端看C.W; 2.4 额定电压: DC 12V 2.5 步距角:1.8°; 2.6 绝缘等级: B级; 3. 参数

3.1工作条件:环境温度: -24～50℃;相对湿度: 90％MAX;安装位置: 轴水平或垂直安装;

3.2 试验条件(以上参数在正常试验大气条件测定); 3.3 定位转矩: 11.8mN.m REF.;

3.4 保持转矩(两相同时通电): ≥120mN.m(I=0.46A); 3.5 最大空载起动频率: ≥1500pps; 3.6 最大空载运行频率: ≥2000pps;

3.7 温升(两相同时通以额定电压12V):﹤80 K; 3.8 步距角精度: 1.8°±0.09°; 3.9 转动惯量: 20g.cm2 ; 3.10 重量: 0.14Kg REF; 3.11 轴向间隙:≤0.08mm; 3.12 径向间隙≤0.02mm;

3.13 轴伸径向图跳动:≤0.025mm; 3.14 安装配合面垂直度:≤0.03mm; 3.15 安装配合面同心度:≤0.05mm;

3.16 绝缘电阻 电机定子铁芯与接线端子间冷态绝缘电阻应大于100MΩ( 用DC500V 兆欧表测量).

3.17 介电强度 电机定子铁芯与接线端子间应能承受AC600V/lS不击穿, 泄漏电流小于1mA

谭芸 22

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

图3.12 39BYG250系列技术参数

3.10光电编码器的选择

选择的光电编码器是长春博辰光电技术有限公司的

码器。

BCE94A/K20 中空型编

图3.13 BCE94A/K20 中空型编码器 特征与用途：

谭芸 23

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

● 外径Φ94，厚度66，轴径Φ20。 ● 安装方便，抗干扰强性能稳定。 ● 分辨率：18bits 19bits 20bits。 ● 输出码制为自然二进制码。 ● 可配显示和电清零功能。

● 适用于工业机械、自动化控制行业 基本参数： 输出位数 分割数 262144 524288 1048576 角分辨率 360°/2360°/2360°/218 测量范围 0°-360° 准确度 ±15″ ±10″ ±7.5″ 18位 19位 20位 19 20

3.11其他元件的选择

除了上述要用的元件以外，完整的试验台还需要光耦，整流器，空气开关等。

谭芸 24

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

光耦的选择是常州市亚前电子有限公司6N138型号，选择的整流器是上海麾鸿贸易有限公司的ZDA-100/36型号，选择的小型熔断器是江西斯德尔实业有限公司JXC45N型号。

图3.14 6N138光耦 图3.15 JXC45N熔断器

6N138光耦直流输入达林顿管输出型光电耦合器 电流传输比CTR＞300%，最大正向电流60ma，最大功耗100mw，隔离电压2.5KV 击穿电压30v，响应时间35μS，1通道，工作温度-55～100℃ ;用于驱动回路电流,低输入电流线性接收器和CMOS逻辑接口电路等。

小型断路器具有美观小巧、重量轻、性能优良可靠、分段能力较高、脱扣迅速、导轨安装、壳体和部件采用高阻燃及耐冲击塑料、使用寿命长等优点。主要用于交流50HZ或60HZ单极 230V，二、三、四极400V线路的过载、短路保护。

断路器的基本参数 型号 JXC45N 极数额定频率壳架等级额额定电压额定电流额定短路分（P） （HZ） 定电流（A） （V） （A） 断能力（KA） 1、2、3、50、60 4 100 230/400 63、80、100 10

谭芸 25

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

图3.16 ZDA-100/36整流器

特点：采用全控器件IGBT，IGBT处于高频开关逆变状态，设备体积小，重量轻，效率高（节能省电）波纹数小和简单，自保护功能（过流、过压、欠压、缺相等）。应用：电镀、电解、氧化、着色、电泳等。

第4章 软件程序设计

4.1软件整体运动框图

本课题要实现的是通过输入一个（某个电机）速度方向信号，这个电机执行

这个速度方向，编码器通过电机得到的反馈信号再传送给PC机，完成整个软件整体运动框图。其中信号在传送过程中需要一些装换，可以参照软件结构框图。

开始输入控制信号接收控制信号驱动器接收控制信号结束显示反馈信息编码器反馈信号电机执行控制信号

图4.1整体运动框图

谭芸 26

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

4.2 VB工作界面

图4.2 VB工作界面图

说明：可以在上面输入电机1，电机2，电机3的速度，启动后可以实现正转和反转，同时可以实时监控各个电机的速度，位移。 4.3软件程序 Option Explicit

Dim AxesNum As Long Dim onespeed As Double Dim twospeed As Double

谭芸 27

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

Dim threespeed As Double Dim zhengzhuan As Long Dim fanzhuan As Long

Private Function SetBoard() As Integer Dim Rtn As Integer

Rtn = auto_set() '对板卡进行自动设置 If Rtn <= 0 Then '若自动设置错误则返回0 SetBoard = -1 Exit Function End If

Rtn = init_board If Rtn < 0 Then SetBoard = -2 Exit Function End If SetBoard = 0 End Function

'****************************************** '读取用户设置的运动参数 Private Sub GetParam() AxesNum = 1

onespeed = Val(suduone.Text) twospeed = Val(sudutwo.Text) threespeed = Val(suduthree.Text) zhengzhuan = Val(juli.Text) fanzhuan = -Val(juli.Text)

谭芸 28

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

set_maxspeed AxesNum, onespeed set_conspeed AxesNum, twospeed

set_linspeed AxesNum, threespeed '设置常速运动参数 set_profile AxesNum, twospeed, onespeed, 50 '设置速度运动参数 End Sub

Private Sub f_Click() GetParam

con_pmove AxesNum, fanzhuan End Sub

Private Sub qidong_Click() SetBoard End Sub

Private Sub qingling_Click() getback weiyi = 0 End Sub

Private Sub sstop_Click() smow_stop AxesNum End Sub

Private Sub stop_Click() sudden_stop AxesNum End Sub

Private Sub z_Click() GetParam

con_pmove AxesNum, zhengzhuan End Sub

谭芸 29

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

第5章 个人总结

经过这次毕业设计，使我觉得不论从理论知识还是从实际操纵运用都学到了不少知识，我想归纳起来，主要有以下五个方面： 1、经过这次毕业设计，它让我接触更多平时没有接触过的伺服系统零件和较为实用的电子产品以及获得相关的经验，同时我也发现自己在这方面知识的不足之处。体会到理论知识对实践有很大的指导作用，只有在正确的理论指引下，才能设计出合乎实际需要的产品。 2、学会了高效率的查阅资料、运用工具书、利用网络查找资料。我发现，在我们所使用的书籍上有一些知识在实际应用中其实并不是十分理想，各种参数都需要自己去调整。偶尔还会遇到错误的资料现象，这就要求我们应更加注重实践环节。 3、在毕业设计中，我们应当注意细节，分析问题要全面，设计过程中要考虑各个方面的影响。4、要在充分的准备下进行方案的进行，避免走入一些误区，多多借助外来条件（图书馆，网络）。5、失败不可怕，只要不趴下，昂首向前走，希望总会有。在这次毕业设计过程中同组同学相互包容，取长补短，积极与指导老师沟通学习，带着一种拼搏的精神，不断修改完善自己的设计内容，这才铸就了最后的成功。

谭芸 30

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

致 谢

本次设计过程中，非常感谢我的指导老师张晓宇老师，他在整个过程中始终给我大力的支持，尽力地帮助我，在设计中始终给我很好的引导，并且对我的设计提出了很多宝贵的建议。在老师的指引下我真真切切地感受到自己学到了很多，特别是他处理问题的方式，以及对待问题的严谨的科学作风使我感触很深，在他身上我真真切切的学到了很多课本上无法学到的东西。

在四年的学习和生活期间，始终得到重庆理工大学各位老师的无私帮助，在此深表感谢!

感谢所有关心和帮助过我的人们!

最后，在本文结束之际，向所有为我的论文提出宝贵意见的评阅专家们表示衷心的感谢和崇高的敬意! 谢谢!

二零一一年五月

谭芸 31

重庆理工大学毕业论文 伺服电机PS/DSP主从控制系统设计

参考文献

［1］钱平. 《伺服系统》.机械工业出版社.2005

［2］于龙飞,鲁凯生,袁裕鹏. 《中国水运》.2007,5(6):170-171 ［3］杨益强，李长虹，江明明. 《控制器件》.中国水利水电出版社.2005 ［4］王苏. 《直流电机PWM调速研究及单片机控制实现.机电工程技术》,2008,37(11):82-84

［5］张雄伟等编. 《DSP芯片的原理与开发原理》，电子工业出版社，2003. ［6］尹勇等编. 《DSP集成开发环境CCS开发指南》

［7］王晓明著，《电动机的DSP控制-TI公司DSP应用》，北京航空航天大学出版社，2009.

［8］欧阳名三著，《DSP原理与技术》，合肥工业大学出版社

［9］冬雷著.《DSP原理及电机控制系统应用》，北京航空航天大学出版社 ［10］郭庆鼎, 孙宜标, 王丽梅. 《现代永磁电动机交流伺服系 统[M] 》. 北京: 中国电力出版社, 2006.

［11］[美] Jan Axelson．《Serial Port Complete [串行端口大全] 》．北京：中国电力出版社， 2001．

［12］ 高传善，郭健民，陈章龙．《接口与通信》．上海：复旦大学出版社，1997． ［13］ 黄凤英．《DSP 原理与应用》．南京：东南大学出版社，1998．

谭芸 32

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/e3y.html