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        基于TMS320F2812的交流伺服運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2012-09-22 03:19:52,
        電氣傳動 2012年5期
        關(guān)鍵詞:交流系統(tǒng)

        ,

        (凱邁(洛陽)測控有限公司,河南 洛陽 471009)

        1 引言

        交流伺服運(yùn)動系統(tǒng)相對于步進(jìn)運(yùn)動系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]:噪音?。浑姍C(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證了控制精度高;低速運(yùn)行平穩(wěn),并具有共振抑制功能,可涵蓋機(jī)械剛性不足;矩頻特性穩(wěn)定,額定轉(zhuǎn)速內(nèi)以額定轉(zhuǎn)矩輸出,額定轉(zhuǎn)速外以恒功率輸出;具有3倍于額定轉(zhuǎn)矩的過載能力,可以克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩;控制性能可靠,不易出現(xiàn)丟步或過沖現(xiàn)象;速度響應(yīng)快,從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速僅需數(shù)ms,適用于快速啟停的控制場合。

        2 工作原理

        本文設(shè)計(jì)的交流伺服運(yùn)動系統(tǒng)主要由上位機(jī)、控制系統(tǒng)、交流電機(jī)及伺服驅(qū)動器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成,如圖1所示[2-3]。

        圖1 交流伺服運(yùn)動系統(tǒng)Fig.1 AC servo motion system

        上位機(jī)通過422串口發(fā)出控制指令,同時反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動信息;控制系統(tǒng)通過交流伺服驅(qū)動器,以脈沖或正負(fù)電平兩種方式控制交流電機(jī)按設(shè)定模式運(yùn)轉(zhuǎn),并實(shí)時處理執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動信息;執(zhí)行機(jī)構(gòu)由導(dǎo)程為5mm的滾珠絲杠傳動,配合伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)±1 000mm行程,定位精度0.01 mm,速度范圍0.1~250mm/s、速度精度0.1 mm/s、加速度500mm/s2的速度連續(xù)可調(diào)的技術(shù)指標(biāo)。其中,交流電機(jī)內(nèi)置光電編碼器輸出反饋脈沖,伺服驅(qū)動器速度監(jiān)視輸出正負(fù)電平,兩種數(shù)據(jù)經(jīng)處理換算后提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前運(yùn)動方向、速度與位置等信息。

        3 伺服驅(qū)動器

        運(yùn)動系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量與功率需求,選用松下高慣量交流電機(jī)MHMD082G1C,內(nèi)置20位增量旋轉(zhuǎn)式編碼器。相應(yīng)的交流伺服驅(qū)動器為MCDHT3520,其參數(shù)設(shè)置要與控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)緊密配合,以實(shí)現(xiàn)速度及定位的控制精度要求。為反饋計(jì)算方便,輸入脈沖/電平與反饋脈沖/電平等數(shù)量級,其參數(shù)對應(yīng)關(guān)系如下:電機(jī)轉(zhuǎn)速1r/s(60r/min)與目標(biāo)速度5mm/s、控制/反饋電壓200mV、控制/反饋脈沖頻率3 240Hz相對應(yīng)。如目標(biāo)速度設(shè)為50mm/s時,電機(jī)轉(zhuǎn)速為10r/s(600r/min),控制/反饋電壓為2 000mV,控制/反饋脈沖頻率為32 400Hz,其余可類推。

        依據(jù)上述關(guān)系,設(shè)置交流伺服驅(qū)動器控制/反饋脈沖與電壓參數(shù)如下:脈沖控制方式的指令采用脈沖序列+符號方式,PULS信號的脈沖頻率與電機(jī)運(yùn)行速度相對應(yīng),SIGN信號的高低電平與電機(jī)的正反轉(zhuǎn)相對應(yīng),如圖2所示。

        圖2 脈沖控制方式Fig.2 Pulse control mode

        正負(fù)電平控制方式速度指令輸入增益與速度監(jiān)視輸出電壓均設(shè)置為10V←→3 000r/min;加速度為500mm/s2,交流伺服驅(qū)動器加/減速時間均設(shè)置為5ms,即從0運(yùn)行至1 000r/min所需要的時間。

        目標(biāo)速度分為高中低檔,低檔0.1~99.9 mm/s,中檔100~175.9mm/s,高檔176~250 mm/s,在單程定位運(yùn)動及將運(yùn)行至極限位置±1 000mm處時,以24ms為周期的加/減速調(diào)整范圍分別為2mm,4mm和6mm,以最大限度地減少目標(biāo)運(yùn)動慣量的影響。由于伺服驅(qū)動器在速度指令控制電壓不超過60mV,以及內(nèi)部速度指令不超過30r/min時,會產(chǎn)生電機(jī)不轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,因此驅(qū)動器采用位置/速度控制模式。根據(jù)上位機(jī)的控制命令,當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度小于60 r/min時采用位置控制模式;當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度大于60r/min時切換到速度控制模式。

        伺服驅(qū)動器SF1與SF2并聯(lián)聯(lián)接,以常閉形式接入蘑菇頭按鈕開關(guān),提供緊急情況下人工關(guān)閉驅(qū)動信號、切斷電機(jī)電流的功能。

        4 控制系統(tǒng)

        4.1 硬件設(shè)計(jì)

        控制系統(tǒng)硬件主要由電源與轉(zhuǎn)換、晶振與復(fù)位、TMS320F2812、串口通信、脈沖控制與反饋鑒相、速度電平控制與監(jiān)視、定位與限位等電路模塊構(gòu)成。

        電源轉(zhuǎn)換芯片TPS767D301輸入5V,輸出3.3V供 TMS320F2812I/O電壓,輸出1.9V供TMS320F2812核心電壓,并提供復(fù)位輸出功能;晶振30MHz,經(jīng)PLL鎖相環(huán)5倍頻后供給TMS320F2812內(nèi)核;串口通信采用 MAX3162,可同時實(shí)現(xiàn)232及422兩種模式通信,其中232模式用于輔助調(diào)試,422模式用于控制命令的接收和電機(jī)運(yùn)行信息的反饋。

        脈沖控制與反饋模塊利用高速光耦HCPL-2631對驅(qū)動器控制脈沖序列PULSH及符號SIGNH進(jìn)行光電隔離處理;利用中速光耦TLP521-4對驅(qū)動器控制信號INH,POT,NOT,CL,SRV-ON,ZEROSPD,C-MODE,A-CLR,對驅(qū)動器反饋信號S-RDY,ALM進(jìn)行光電隔離處理,以提高抗干擾性,并具有3.3V與24V電平信號的匹配與轉(zhuǎn)換功能。

        脈沖鑒相模塊中,伺服電機(jī)內(nèi)置編碼器通過伺服驅(qū)動器輸出A,B,Z3路差分互補(bǔ)脈沖,計(jì)算A相或B相的脈沖個數(shù),經(jīng)換算得目標(biāo)當(dāng)前運(yùn)行速度和位置信息。當(dāng)電機(jī)內(nèi)置光電編碼器正轉(zhuǎn)時,A相超前B相1/4周期;反轉(zhuǎn)時,A相落后B相1/4個周期。根據(jù)光電編碼器正反轉(zhuǎn)時A相與B相的相位差關(guān)系,將A相與B相分別接到D觸發(fā)器SN54LS74AJ的D端與CLK端,如圖3所示。則正轉(zhuǎn)時,Q=0;反轉(zhuǎn)時,Q=1。

        圖3 光電編碼器反饋脈沖波形與鑒相Fig.3 Feedback pulse waveform and identifying of the optical encoder

        當(dāng)伺服驅(qū)動器工作在速度模式時,速度電平控制模塊通過14位D/A轉(zhuǎn)換器AD7841BS輸出-10~10V電平,控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)及其運(yùn)轉(zhuǎn)速度。速度電平監(jiān)視模塊采用14位A/D轉(zhuǎn)換器TLC3578接受±10V的速度監(jiān)視輸出電壓,以反饋電機(jī)正反轉(zhuǎn)及其運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

        對射型光電開關(guān)GK122分別安裝在行程為-1 000mm,0mm,1 000mm處,其引腳電平變化觸發(fā)中斷,提供位置基準(zhǔn),配合其它控制引腳實(shí)現(xiàn)定位、校準(zhǔn)、限位等功能。其中0mm處光電開關(guān)的零位基準(zhǔn)點(diǎn)配合反饋脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)至極限位置則返回,提供軟件保護(hù)功能。行程開關(guān)KW4A-1ZA緊貼極限位置光電開關(guān)外,當(dāng)程序異常或漏判±1 000mm而沖至行程有效動作范圍內(nèi)時,則直接切斷驅(qū)動器的24V供電回路,提供硬保護(hù)功能。

        詞在最初是配合樂曲演唱的,而詞牌就是曲調(diào),這些曲調(diào)又分屬于各種宮調(diào),決定宮調(diào)之后才能演奏曲譜?!饵c(diǎn)絳唇》調(diào)名用南朝江淹《詠美人春游詩》:“江南二月春,東風(fēng)轉(zhuǎn)綠蕷。不知誰家子,看花桃李津。白雪凝瓊貌,明珠點(diǎn)絳唇。行人成息駕,爭擬洛川神?!痹短綐犯纷ⅰ跋蓞螌m”;高拭詞注“黃鐘宮”;《正音譜》注“仙呂調(diào)”。龍榆生先生在《唐宋詞格律》中也提到“《清真集》入’仙呂調(diào)’,元北曲同,但平仄句式略異,今京劇中猶常用之”。

        4.2 軟件設(shè)計(jì)

        為實(shí)現(xiàn)電機(jī)可靠運(yùn)行及控制的實(shí)時性,TMS320F2812軟件設(shè)計(jì)主要采用中斷方式。主函數(shù)在初始化后等待伺服驅(qū)動準(zhǔn)備好,之后便進(jìn)入休眠狀態(tài)等待中斷。中斷資源分配及相應(yīng)功能如下。

        串口A中斷:主要實(shí)現(xiàn)命令的接收與目標(biāo)當(dāng)前位置與速度信息的反饋,為克服數(shù)據(jù)傳輸過程中的不確定性,采用幀起始字符+數(shù)據(jù)/命令+校驗(yàn)字+幀停止字符的數(shù)據(jù)格式。

        外部中斷1:主要實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)報警處理與3個定位光耦處定位與基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置功能。

        通用定時器1比較中斷:主要實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的控制輸出PWM波的精細(xì)調(diào)整。

        通用定時器2捕獲中斷:主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)當(dāng)前位置與速度的計(jì)算。

        通用定時器3溢出中斷:提供10ms的中斷間隔,控制速度監(jiān)視A/D的采樣頻率。

        通用定時器4溢出中斷:提供6ms的時間單元,用于24ms周期間隔的PID算法調(diào)用。

        為保證交流電機(jī)運(yùn)行速度平穩(wěn)快速準(zhǔn)確地到達(dá)設(shè)定值,調(diào)用帶死區(qū)的PID控制算法,其死區(qū)范圍為設(shè)定值±10mm/s范圍內(nèi),超出該范圍則不進(jìn)行PID控制。在不產(chǎn)生過大過沖的情況下,盡可能地把起控點(diǎn)抬高,以利于后續(xù)控制部分進(jìn)一步細(xì)化。另外,在進(jìn)入控制之前所有積分項(xiàng)的數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行清零處理。

        對PID參數(shù)進(jìn)行整定時,首先將控制范圍10 mm/s劃分為100等分,即0.1mm/s的速度控制精度,設(shè)其為標(biāo)準(zhǔn)控制單位U。速度誤差最大為250mm/s,所對應(yīng)的控制量為2 500U,則Kp值設(shè)為25,然后根據(jù)PID歸一參數(shù)整定公式確定Ki與Kd初始值,再在此基礎(chǔ)上細(xì)調(diào)。

        4.3 抗干擾設(shè)計(jì)

        伺服驅(qū)動器通過高速開關(guān)輸出電流,是伺服運(yùn)動系統(tǒng)中主要的噪聲來源,其抗干擾設(shè)計(jì)從布局、布線、接地、屏蔽、濾波與隔離等方面進(jìn)行[4-5]。

        布局根據(jù)EMC的區(qū)域原則進(jìn)行??刂齐娐钒鍐为?dú)置于一個金屬盒內(nèi),伺服驅(qū)動器、開關(guān)電源等單元靠近控制箱底部,用接地金屬隔離板將區(qū)域隔離。

        布線采用樹叉狀方式,強(qiáng)弱分開,電機(jī)電纜和其它電纜長度最小距離為500mm,并避免構(gòu)成環(huán)路??刂齐娎|和電源電纜、動力電纜90°交叉。24V及其以上的強(qiáng)電電纜屏蔽層兩端接地,并用金屬夾將屏蔽層固定在安裝板上。強(qiáng)電接地板和信號線接地板最小距離20cm,用6mm銅帶搭接至大地端子。

        接地采用3層次接地方式,如圖4所示。3層次接地線在匯入基準(zhǔn)地之前不能隨意短接,各級連接按規(guī)定進(jìn)行,同時接地線要直、短、粗。

        濾波器端接的阻抗在嚴(yán)重失配的狀態(tài)下工作,以使之具有最佳的衰減性能。

        圖4 3層次接地Fig.4 Three levels of grounding

        系統(tǒng)中受干擾影響最大的為3根光耦定位信號采集長線。在電機(jī)使能情況下,感應(yīng)電壓>10 V,頻率2~12MHz,且在電機(jī)靜止而勵磁時干擾最大。為保證與PCB上的弱電系統(tǒng)完全隔離,使用MOS FET繼電器作為強(qiáng)弱邏輯轉(zhuǎn)換關(guān)口,以負(fù)邏輯傳輸方式反映定位對射型光電開關(guān)的遮斷與否,達(dá)到延時1ms左右、隔斷勵磁感應(yīng)電壓干擾的效果,見圖5。對于不確定因素所造成的干擾,將3根較長的定位信號采集線所對應(yīng)的I/O的輸入限制寄存器GPAQUAL進(jìn)行多次采樣,配合繼電器濾除1MHz以上的干擾。

        圖5 長線傳輸抗干擾處理Fig.5 Anti-jamming process of long-wire transmission

        4.4 安全性設(shè)計(jì)

        為保證系統(tǒng)運(yùn)行安全,設(shè)計(jì)有軟限位、硬限位、機(jī)械緩沖裝置。

        軟限位首先通過定位對射型光電開關(guān)設(shè)定基準(zhǔn)值,然后對控制脈沖或反饋脈沖計(jì)數(shù),經(jīng)換算后得到目標(biāo)當(dāng)前位置值,當(dāng)超過理論極限值時,就使電機(jī)運(yùn)動方向置反。

        硬限位通過急停蘑菇頭按鈕與行程開關(guān)串連實(shí)現(xiàn),一旦目標(biāo)越界觸發(fā)任意行程開關(guān)動作或急停蘑菇頭按鈕動作,無論是安全輸入SF1或SF2,斷電輸入后5ms以內(nèi),STO功能工作,電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩被關(guān)閉。

        機(jī)械緩沖裝置可消除或降低斷電后運(yùn)動機(jī)構(gòu)的慣性沖擊。

        5 試驗(yàn)與應(yīng)用

        利用示波器觀測發(fā)送的PWM脈沖頻率及編碼器反饋脈沖頻率,在勻速階段單脈沖頻率與理論值相比變化[-75,40],10個脈沖平均頻率變化[-50,23],在0.1mm/s所對應(yīng)的變化區(qū)間[-64.8,64.8]之內(nèi),整體運(yùn)行平穩(wěn)。

        利用定時器3計(jì)算目標(biāo)實(shí)時速度與位置,通過串口反饋信息。其中,對速度進(jìn)行四舍五入處理。由于程序執(zhí)行片段差異及串口發(fā)送與命令接收延遲,速度與理論值相差[-0.2,0.1];定位脈沖與理論值相差[-3,-13],折算為位置后相差[-0.004 6,-0.02]。

        利用驅(qū)動器模擬監(jiān)視器進(jìn)行速度監(jiān)視,在勻速階段驅(qū)動器液晶顯示屏上數(shù)據(jù)變化±1,折算為目標(biāo)速度相差±1/12mm/s。

        上述數(shù)據(jù)表明,該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)±1 000mm行程、速度0.1~250mm/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的前提下,滿足給定的定位精度0.01mm,速度精度0.1 mm/s的技術(shù)指標(biāo)。

        該系統(tǒng)已在某型地面測試設(shè)備中應(yīng)用,通過模擬飛行目標(biāo)的偏航姿態(tài),對某雷達(dá)型產(chǎn)品的動態(tài)特性加以測試。系統(tǒng)停放位置與角度靈活,高度與水平度可根據(jù)兩側(cè)支撐三角架進(jìn)行調(diào)整,拆裝搬運(yùn)方便,使用方反映良好。

        6 結(jié)論

        所設(shè)計(jì)的交流伺服運(yùn)動系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)需求與技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行量體裁衣,通過分析控制命令中的運(yùn)動模式與速度參數(shù),能夠自動匹配與設(shè)置合適的位置控制或速度控制模式,并且其位置和速度參數(shù)在指定范圍內(nèi)可隨時設(shè)置。同時,該系統(tǒng)還具備軟限位、硬限位和人工急停3種安全保護(hù)功能,具有較高的性價比與良好的應(yīng)用前景。文章對交流伺服運(yùn)動系統(tǒng)的響應(yīng)延遲性、振動性及多軸聯(lián)合運(yùn)動的研究不足,為下一步的努力方向。

        [1]秦憶.現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)[M].武漢:華中理工大學(xué),1995.

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