省线式编码器串行总线接口的设计与实现设计.docx
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省线式编码器串行总线接口的设计与实现设计
省线式编码器串行总线接口的设计与实现设计
重庆大学本科学生毕业设计(论文)
省线式编码器串行总线接口的设计与实现
GraduationDesign(Thesis)ofChongqingUniversity
TheMultiplexedDataLineEncoderSerialBusInterfaceDesignandImplementation
Undergraduate:
SuLinghong
Supervisor:
Prof.YanXingqun
AssistantSupervisor:
Prof.TangXiaoqi
Major:
MechanicalDesignandManufactureandAutomation
CollegeofMechanicalEngineering
ChongqingUniversity
June2011
摘要
本论文围绕全数字交流伺服系统,分析了伺服驱动系统的组成,论述了数控系统和伺服系统的研究现状和发展趋势。
重点研究了伺服系统位置反馈装置——编码器。
在吸收和借鉴国内外研究成果的基础上,本文深入研究了省线式编码器与数控伺服系统的串行总线接口。
在结合Altera公司FPGA芯片和光电编码器接口技术的基础上,设计出了省线式编码器串行总线接口装置,该装置由硬件和软件组成。
硬件主要由编码器输入接口模块、FPGA模块、编码器上电控制模块以及输出接口模块构成。
软件主要由四倍频辨向模块、编码器电影控制模块以及协议模块组成。
通过电路板焊接、调试与程序编写、下载后,该装置能够准确读取省线式编码器输出的相对位置信号,并且用FPGA芯片进行四倍频、辨向、计数以及协议输出等处理,成功地将编码器信号反馈给了交流伺服控制系统,构成了控制系统完整的位置和速度反馈环。
关键词:
交流伺服系统,省线式编码器,FPGA,协议
ABSTRACT
Aroundingtheall-digitalACservosystem,thecompositionoftheservodrivesystemisdiscussed,thecurrentsituationandthedevelopingtrendforthestudyoftheCNCsystemandservodrivesystemareanalyzedinthisfocusesonthepositionfeedbackservosystemdevice--encoder.
ThispaperfocusesontheserialbusinterfacebetweenthemultiplexeddatalineencodeandCNCservosystems,onthebasisofresearchresultsathomeandpaperfocusesontheserialbusinterfacebetweenthemultiplexeddatalineencodeandCNCservosystems,onthebasisofresearchresultsathomeandusetheFPGAchipofAlteraCorporationandopticalencoderinterfacetechnologytodesignthemultiplexeddatalineencodeserialbusinterfacedevice.Thedeviceconsistsofhardwareandconsistsoftheencoderinputinterfacemodule,FPGAmodule,encoderpowercontrolmoduleandoutputmainlyconsistsofthefollowingparts:
fourfold-frequencydirection-judgementmodule,encoderpowercontrolmoduleandprotocolmodule.Afterweldingthecircuitboard,programming,debugginganddownloadingthesoftware,thedevicecanaccuratelyreadtheoutputpositionsignalofthemultiplexeddatalineencode,andrealizethefunctionsoffourfrequency,identifyingthedirection,counting,andprotocoloutputingwiththeFPGAencodersignalsarealsofedtotheACservocontrolsystemsuccessfullybythedevice,itconstitutesacompletepositionandvelocityfeedbackloopofcontrolsystem.
Keywords:
ACservosystem,multiplexeddatalineencode,FPGA,protocol
1绪论
课题研究背景和意义
自上世纪七十年代以来,随着电力电子技术、微电子技术、传感器技术、电机技术以及控制理论等技术的飞速发展,以交流伺服电机为控制对象的交流伺服系统逐渐取代直流伺服系统,在数控机床、机器人、大规模集成电子制造和军用武器随动系统等方面得到广泛应用。
近十多年来,由于永磁材料及相关技术的重大突破,永磁同步电机性能得到了迅速提高,其良好的低速运行性能和较高的性价比等优点使得三相永磁同步电机逐渐成为交流伺服系统执行电机的首选。
随着高性能微处理器在电机调速系统的广泛应用,使得交流伺服系统由模拟、模数混合方式向全数字方式发展。
数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备。
世界各国信息产业、航空、航天等国防工业广泛采用数控技术,以提高制造能力和水平。
工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资,不仅大力发展自己的数控技术及其产业,而且在"高精尖"数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策,严重制约了我国高档数控机床产业的发展。
因此,数控系统产业是关系到国家经济安全、产业安全和国防安全的战略性产业。
我国数控产业经历了“十五”、“十一五”产业化攻关,已取得了重要的阶段性成果。
但是我国高档数控机床的技术水平、整体质量与发达国家相比还有较大差距[1]。
本课题是来源于华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心自主开发的课题:
全数字交流伺服电机驱动系统研制。
该伺服驱动系统主要由DSP和FPGA组成的运动控制器、智能化功率模块(IPM)、光纤总线接口、编码盘反馈接口等组成。
运动控制器将光纤总线接口接收数控单元发送位置运动控制指令和码盘反馈位置信息进行处理,最后通过IPM模块驱动伺服电机。
本课题的主要任务是开发全数字交流伺服电机驱动装置控制接口模块中省线式编码器接口模块,该接口模块完成对省线式编码器信息的读取,并通过FPGA进行细分、计数、鉴向,最后将结果以目前使用较普遍的编码器数据接口协议EnDat传送出去,供上位机进行控制。
数控系统简介
自1952年第一台数控机床问世到如今六十年的历史中,以电子信息技术为基础,集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术、液压气动技术、光机电技术于一体的数控技术得到了迅速发展和广泛应用,使得普通的机械逐渐被高效率、高精度的数控机械所代替,从而形成了巨大的生产力,促进制造业发生了根本性的变化。
数控机床不但是机械工业中的重要基础装备,也是汽车、电子、航空、国防等支柱产业生产现代化的主要手段。
数控机床产业本身的产值远不如汽车、航空、航天等产业,但高效能的数控机床给制造业带来了高倍率的效益增长和现代化的生产方式,是促进国民经济发展的巨大原动力。
1.2.1数控系统的组成
数控系统是数字控制系统的简称,它根据计算机存储器中存储的控制程序,执行部分或全部数值控制功能,并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。
通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制,它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。
一般整个数控系统由三大部分组成,即控制系统,伺服系统和位置测量系统。
控制系统按加工工件程序进行插补运算,发出控制指令到伺服驱动系统;伺服驱动系统将控制指令放大,由伺服电机驱动机械按要求运动;测量系统检测机械的运动位置或速度,并反馈到控制系统,来修正控制指令。
这三部分有机结合,组成完整的闭环控制的数控系统。
在数控机床上加工一个零件的过程如下:
首先编程人员按照零件的几何形状和工艺要求将加工过程编成零件加工程序。
数控装置读入记录在介质上的加工程序后,将其翻译成机器能够理解的控制指令,再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动,进而带动机床的工作台移动,实现加工程序。
数控系统是数控机床的指挥中心,它主要由操作面板、输入/输出设备、数控装置、伺服单元和驱动装置、PLC和机床I/O电路等部分组成[2],如图。
操作面板
操作面板是操作人员与数控机床进行交互的工具。
一方面,操作人员可以通过它对数控机床进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改;另一方面,操作人员也可以通过它了解或查询数控机床的运行状态。
输入/输出设备
存储介质是记录零件加工程序的媒介。
输入/输出设备是CNC系统与外部设备进行信息交互的装置,它们的作用是讲编制好的零件加工程序输入数控系统。
CNC装置
CNC装置是数控系统的核心,它主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板、通信接口板、扩展功能模块及相应的控制软件等模块组成。
其主要作用是根据输入的零件加工程序或操作者命令进行相应的处理(如运动控制处理、机床输入/输出等),然后输出控制命令道相应的执行部件(如伺服单元、驱动装置和可编程控制器PLC等),完成零件的加工程序或操作者命令所要求的工作。
伺服单元、驱动装置和测量装置
伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置和主轴电机、进给伺服驱动装置和进给电机;测量装置指位置速度测量装置,它是实现速度闭环控制和位置闭环控制的必要装置。
主轴伺服系统的主要作用是实现零件加工的切削运动,其控制量为速度。
进给伺服系统的主要作用是实现零件加工的成形运动,其控制量为速度和位置。
能灵敏、准确地跟踪CNC装置的位置和速度指令是它们的共同特征。
PLC、机床I/O电路和装置
PLC用于实现与逻辑运算、顺序动作有关的I/O控制,它由硬件和软件组成;机床I/O电路和装置是用于实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、形成开关、接触器等组成的逻辑电路)。
1.2.2数控系统的发展趋势
数控技术是工业自动化的基础,数控系统是数控机床的灵魂。
数控系统的性能和水平直接决定着数控机床的性能和水平。
数控系统主要有以下几个发展方向:
开放式数控系统
开放式数控系统的提出是数控系统发展到一定阶段的必然产物。
面对市场全球化导致的激烈竞争,制造业行业迫切需要在产品多样化和产品跟新换代频率的情况下提高生产效率和产品质量、降低产品成本,同时更人性化地满足用户的需求。
由此,对适合中小批量加工、具有良好柔性和多功能型制造系统的需求逐步超过了对大型单一功能的制造系统的需求,正是这一变化促使人们展开了对模块化、可重构、可扩充、可升级的新一代数控系统的研究。
数控系统的开发性应体现为系统对不同软、硬件平台的可移植性、系统功能的可伸缩性、系统功能模块的可替代性和功能模块间的互操作性,这表明开放式的数控系统应构筑于一个开放的平台之上,并具有模块化的组织结构,允许用户对功能模块进行选配、更改和扩展以迅速满足不同的应用需求,且给功能模块可来源于不同的供应商并相互兼容。
数控系统的网络化
数控系统的网络化主要是指数控系统与外部的其他控制系统或上位计算机进行网络连接和网络控制。
网络数控就是把数控系统网络化,通过Internet/Intranet技术将制造单元和控制部件相连,以实现网络制造和资源共享为目的,支持各种先进制造环境。
网络化包括两个方面:
内部网络化(现场总线网络)和外部网络化。
内部网络化是指为使数控系统硬件具有互换性,数控系统内CNC单元与伺服驱动及I/O等单元以现场总线网络连接。
外部网络化是数控系统与其他控制系统或外部上位计算机以网络连接。
其作用有:
实现对设备的远程控制、加工程序的传输、远程诊断和维修服务、技术服务等。
网络数控作为全球制造的基础,已从通信向生产管理转移,注重和企业资源计划、物料需求计划等管理系统的集成。
一个完善的网络数控系统是集加工制造、生产管理、工艺设计、设备调度和网络控制为一体的,具有开放式体系结构的集成化制造控制和生产管理系统。
数控系统的智能化
智能化是制造技术发展的一个大方向。
当前数控系统所需要的功能不仅是高性能而且还有许多智能化技术。
智能化数控系统研究的目的是使数控系统能充分感知机床所处的工作环境并作出符合工况的优化决策,使机床在智能控制器的指挥下,即使环境不可预知,甚至信息不完整、不确切仍能正常工作。
在数控技术领域,随着人工智能在计算机领域的渗透和发展,数控系统引入了自适应控制、模糊系统、和神经网络的控制机理,其不但有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿和运动参数动态补偿等功能,而且人机界面极为友好,并具有故障诊断专家系统,使得自诊断和故障监控功能更趋完善。
数控系统的集成化和模块化
采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路及专用集成电路ASIC,可提高数控装置的集成度和软硬件运行速度。
当前数控技术的集成化措施主要有:
使用更新的IC器件、数控装置进行高密度立体安装,以减少占用空间和提高可靠性;
使用光缆传递信号,减少铜缆;
采用无缆连接,进一步减少数控装置内连接电缆数目。
采用硬件模块化技术易于实现数控装置的集成化和标准化。
据不同的功能需求,将基本模块做成标准的系列化产品,通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减,构成不同档次的数控系统。
伺服驱动系统简介
“伺服(servo)”一词源于希腊语“奴隶(slave)”[3]。
伺服系统,亦称随动系统,是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作,从而获得了精确的位置、速度等输出的自动控制系统。
伺服系统的主要任务就是按照控制命令的要求,对信号进行变换、调控和功率放大等处理,使驱动装置的输出的力矩、速度及位置都能得到灵活控制。
它是数控装置和机床机械传动部件的连接环节,是数控机床的重要组成部分,其性能直接影响整个数控机床的精度、速度和可靠性等技术指标。
而数控机床的最高运动速度、跟踪及定位精度、加工表面质量、生产率及工作可靠性等技术指标,往往又主要取决于伺服系统的动态和静态性能。
数控机床的故障也主要出现在伺服系统上。
可见提供伺服系统的技术性能和可靠性,对数控机床具有重大意义,研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一,是提供数控机床的加工精度、表面质量和生产效率的重要途径。
数控机床的伺服驱动系统按有无位置检测反馈装置分为开环进给伺服驱动系统、半闭环进给伺服驱动系统和闭环进给伺服驱动系统;按驱动电机的类型可分为步进电机进给伺服驱动系统、直流电机进给伺服驱动系统、交流进给伺服驱动系统和直线电机进给伺服驱动系统。
1.3.1交流伺服系统组成
交流伺服系统组成如图所示:
除交流伺服电机外,系统主要由编码器、电流反馈单元、功率驱动单元、位置速度转矩电流控制单元组成。
[4]
控制单元
控制单元是整个交流伺服控制系统的核心,包含了系统位置控制器、速度控制器、电流和转矩控制器。
控制单元主要由数字信号处理器(DSP)和大规模现场可编程门阵列(FPGA)组成。
功率驱动单元
智能功率模块(IPM),不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起。
而且还内藏有过电压,过电流和过热等故障检测电路,并可将检测信号送到CPU。
它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。
即使发生负载事故或使用不当,也可以保证IPM自身不受损坏。
IPM一般使用IGBT作为功率开关元件,内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。
IPM以其高可靠性,尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源,是变频调速,冶金机械,电力牵引,伺服驱动,变频家电的一种非常理想的电力电子器件。
位置反馈单元
位置反馈装置时交流伺服系统关键组成部件,其直接关系到系统精度、灵敏度,静态及动态特性。
目前常用位置传感器主要有旋转变压器,感应同步器、光电编码器、磁性编码器等元件。
电流反馈单元
电机电流直接反应出控制性能的好坏。
系统的信号处理部分一般都是低压电路,所以要求电流传感器具有很强的隔离性。
另外要求电流传感器具有高精度、灵敏度及良好静态及动态特性。
常采用是霍尔电流传感器,其利用霍尔效应制成检查电流装置,能够测量各种波形的交直流电流,且输出电位是与系统相隔离。
1.3.2伺服驱动系统的发展趋势
伴随着伺服系统动态特性与静态特性的提高,近年来发展了多种伺服驱动技术。
可以预见,随着超高速切削、超精密加工、网络制造等先进制造技术的发展,具有网络接口的全数字伺服驱动系统、直线伺服驱动系统已经告诉电主轴等将成为数控机床行业的热点,并成为伺服系统的发展方向。
全数字伺服驱动系统
所谓全数字伺服驱动系统是指将伺服驱动系统中的控制信息用数字量来处理。
随着数字信号微处理器速度的大幅度提高,伺服驱动系统的信息处理课完全用软件来完成,这就是当前所说的“数字伺服”。
伺服驱动系统全数字化主要包括伺服驱动系统内部控制的数字化,伺服驱动系统到数控装置接口的数字化和测量单元的数字化[4]。
伺服驱动系统所有的控制运算都是有内部的数字信号处理器(DSP)完成的。
DSP是一种独特的微处理器,是以数字信号来处理大量信息的器件。
伺服驱动系统内部的三环控制在内部高速DSP的控制下,能充分实现伺服环路高响应、高性能、高可靠性和高速实时控制的要求。
采用现场总线的数字化控制接口是全数字伺服驱动装置实现高速、高精控制的必要条件。
全数字伺服驱动系统可以采用以下新技术,通过计算机软件实现最优控制,达到同时满足高速度和高精度的要求。
前馈控制:
引入前馈控制,实际上构成了具有反馈和前馈复合控制的系统结构;
预测控制:
它通过预测机床伺服驱动系统的传递函数来调节输入控制量,以产生复合要求的输出;
学习控制或重复控制:
这种控制方法适合于周期性重复操作控制指令情况的加工,可以获得高速、高精度的效果。
[5][6]
本论文主要内容
本论文围绕了全数字交流伺服系统,在吸收和借鉴国内外研究成果的基础上,深入研究省线式编码器接口技术,结合AlteraFPGA芯片,设计了省式编码器串行总线接口系统的硬件和软件,实现了对编码器的通断电控制和对电机初始角度信息和电机增量位置信息的正确读取,并完成了对读取信息的处理以级按照编码器串行总线协议输出的功能。
全文安排如下:
第一章绪论阐明了本课题研究背景和意义,并对数控系统、交流伺服驱动系统的组成和发展趋势做了介绍。
第二章论述了详细介绍了光电编码器原理以及省线式编码器的特点和作用。
最后介绍了码盘接口技术和德国海德汉Endat协议。
第三章介绍了省线式编码器串行总线接口装置的硬件设计,介绍了该装置设计的主要思路和硬件总体结构,详细论述了几个主要模块的原理。
第四章介绍了省线式编码器串行总线接口装置的软件设计,主要是各个模块的设计思路和部分代码,以及仿真结果。
第五章对省线式编码器串行总线接口装置进行了实验测试和验证,给出了相关的测试结果。
2编码器及其接口技术
位置检测装置有检测元件(传感器)和信号处理装置组成,用于检测运动部件的直线线位移或角位移并将其转变为电信号,在反馈到位置控制调节器,以实现闭环或半闭环控制,使机床运动部件能跟随数控装置的运动指令信号精确移动。
闭环和半闭环进给伺服系统的控制精度依赖于位置检测装置。
数控机床对位置检测装置的主要要求有:
可靠性高、抗干扰能力强;检测精度高、静态和动态响应速度快;使用、维护方便,适应数控机床的运行环境,成本底等。
表位置检测装置的分类[6]
类型
数字式
模拟式
增量式
绝对式
增量式
绝对式
回转型
增量式脉冲编码器
圆光栅
绝对式脉冲编码器
旋转编码器
圆感应同步器
圆磁尺
多极旋转变压器
三速圆感应同步器
直线型
计量光栅
激光干涉仪
多通道透射光栅
直线感应编码器
光栅尺
三速直线感应同步器
绝对式磁栅尺
数控机床的位置检测装置类型很多如表所示,按检测信号的类型可分为数字式和模拟式两种;按检测量的基准可分为增量式和绝对式两种;按测量值的性质可分为直接测量式和间接测量式。
对于不同类型的数控机床,因工作条件和检测要求不同,应采用不同的检测方式。
光电编码器
目前常用位置传感器主要有旋转变压器,感应同步器、光电编码器、磁性编码器等元件。
旋转变压器,感应同步器是基于电磁感应原理的模拟式位置传感器它们的优点是可靠性和精度都比较好。
光电编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置,它具有分辨率高、精度高、结构简单、体积小、使用可靠、易于维护、性价比高等优点,直接输出数字式电脉冲信号。
和光电编码器一样,磁性编码器也是由位移量变换成数字式脉冲信号的传感器,近年来发展相当迅速,已有磁敏电阻式、励磁磁环式、霍尔元件式等多种类型。
和光电编码器相比磁性编码器的突出优点是:
适应环境能力强、不怕灰尘、油污和水雾,结构简单,坚固耐用,响应速度快,寿命长;不足之处是很难做出高分辨率的产品。
光电编码器是现代数字式伺服系统主要采用的位置传感器,本课题采用位置传感器是光电编码器。
光电编码器,是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器,主要用于速度或位置(角度)的检测。
光电编码器由光栅码盘、检测光栅、光电转换电路(包括光源、光敏器件、信号转换电路)、机械部件等组成[7]。
一般来说,根据光电编码器产生脉冲的方式不同,可以分为增量式、绝对式以及复合式三大类。
按编码器运动部件的运动方式来分,可以分为旋转式和直线式两种。
由于直线式运动可以借助机械连接转变为旋转式运动,反之亦然。
因此,只有在那些结构形式和运动方式都有利于使用直线式光电编码器的场合才予使用。
旋转式光电编码器容易做成全封闭型式,易于实现小型化,传感长度较长,具有较长的环境适用能力,因而在实际工业生产中得到广泛的应用,在本文中主要针对旋转式光电编码器。
2.1.1增量式光电编码器
增量式光电编码器主要由光源、码盘、检测光栅、光电检测器件和转换电路组成,如图所示。
码盘上刻有节距相等的辐射状透光缝隙,相邻两个透光缝隙之间代表一个增量周期;检测光栅上刻有A、B两组与码盘相对应的透光缝隙,用以通过或阻挡光源和光电检测器件之间的光线。
它们的节距和码盘上的节距相等,并且两组透光缝隙错开1/4节距,使得光电检测器件输出的信号在相位上相差90度电度角。
当
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