理工论文非球面加工的速度伺服控制器研究.doc

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2、的三轴联动的速度伺服控制器,能够满足非球面光学器件数控回转切线法的要求，在数控机床的控制中有重要的应用价值。关键词：ARM内核；速度伺服控制器；非球面加工引言现今的非球面光学系统中采用的非球面零件有二次和高次非球面，绝大多数采用的是轴对称非球面，解决它们的加工问题也就成为重要的研究内容。本文研究的速度伺服控制器是在高次非球面加工的新原理-数控回转切线法的基础上提出的新方法。利用回转切线法加工非球面控制系统中的三轴联动的控制方式为速度伺服控制，而不是位置伺服控制。但速度伺服控制器中的速度控制是一个暂态控制过程，我们必须对三轴的随动误差在各点加工过程中进行实时补偿，否则累计误差将严重影响加工精度，

3、同时为保证切线的正常回转，每轴的速度必须具有单调性。嵌入式系统是近年来逐渐发展起来的面向控制、监视的实时系统，它的特点是采用高速处理器，体积小、集成度高、运算速度大、存储器容量大、功耗低、支持多种网络接口。本文介绍的是基于嵌入式操作系统的三轴联动速度伺服控制器的设计。嵌入式控制系统的主要功能是为速度伺服控制器提供良好的控制处理平台，用硬件实现任务的合理调度、实时控制。11位置伺服控制器位置伺服控制系统是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等，伺服电机驱动器接收电机编码器的反馈信号，并和指令脉冲进行比较，从而构成了一个位置的半闭环控制。但位置伺服控制有很大的缺点，如位置伺

4、服控制使控制的灵活性大大下降。这是因为伺服驱动器工作在位置方式下，位置环在伺服驱动器内部，这样系统的PID参数修改起来很不方便。当用户要求比较高的控制性能时实现起来会很困难。从控制的角度来看，这只是一种很低级的控制策略。如果控制程序不利用编码器反馈信号，事实上成了一种开环控制。如果利用反馈控制，整个系统存在两个位置环，控制器很难设计。在实际中，常常不用反馈控制，但不定时的读取反馈进行参考。这样的一个开环系统，如果运动控制器和伺服驱动器之间的信号通道上产生干扰，系统是不能克服的。同时位置伺服控制使得控制的快速性速度不高。22速度伺服控制器的结构2.1速度伺服控制器的硬件结构速度伺服控制器的硬件结

5、构图如图1所示。系统主要部件有：电源转换电路、复位监控电路、微处理器主控系统、功率放大驱动电路、逆变器、直线电机、光栅尺、信号反馈变换电路、人机接口电路等。2.1.1微处理器主控系统硬件组成的核心为ARM控制器S3C2410，S3C2410是Samsung公司推出的采用了ARM9TDMI内核的32位RISC微处理器，内部提供了丰富的设备：分开的16KB的指令Cache和16KB的数据Cache，MMU虚拟存储器管理，系统管理器，4通道DMA，4通道PWM定时器，RTC，IIC-BUS接口，内部PLL时钟倍频器等。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用，同样采用一种A

6、MBA新型总线结构。32.1.2直线电机及光栅尺速度伺服驱动器是非球面光学器件加工的核心部件，因此电机的选择就变得尤为重要。我们先了解直线电机的工作原理及控制原理3。在交流永磁同步直线电动机的定子绕组中通入对称三相交流电流后，将产生沿电动机运动方向的行波磁场。交流永磁同步直线电动机的定子中签有对称三相绕组，因此，当由逆变器向此绕组中通入有效值为I，角频率为的三相正弦电流根据磁极异性相吸的特性，定子行波磁场的磁极N、S将分别与动子永久磁场的磁极S、N相吸，行波磁场的磁极与动子永久磁场的磁极间必然存在磁拉力。这样，当定子磁场的磁极以速度v0运动时，在各对相互吸引的磁极间的磁拉力共同作用下动子将得到

7、一合力，该力将克服动子所受阻力（负载等）而带动动子运动。通过对定子行波磁场的运动进行合理控制，即可产生所要求的磁拉力带动动子平稳运动。由于永磁同步直线电动机在稳态同步运行时，其动子磁极与定子行波磁场的磁极是一一对应的，因此，电机动子的稳态运动速度将与定子行波磁场的速度相同，即由直线电机控制原理知，直线电机的移动速度与逆变器输出电流的频率有，为一连续的正弦信号，可对直线电机的速度进行伺服控制。直线电机的控制精度由光栅尺决定。电机具体选择时需要考虑众多因素，如给定负载、价格、重量、体积、控制精度（由匹配的光栅尺决定）、与光栅尺的接口等。42.2速度伺服控制器的软件功能速度伺服控制器的软件主要实现：

8、一方面接收数控系统发出的位移，速度指令，经变换、放大、调整后，由电机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的非球面的光学器件；另一方面作为数控机床的执行机构，速度伺服控制器通过直线电机连接的光栅尺反馈装置检测的实际速度值与数控系统给定值的差，调节电流控制量，保证加工器件的精确度。系统目前采用的是基于查询的调度方式,即主控程序完成系统自检,初始化后,执行查询循环指令,检测到处理器的通信指令后完成相应的动作。5主程序中首先进行变量和寄存器的初始化,然后进入功能子程序的循环调用或无限等待之中。功能子程序封装了伺服

9、控制器的某个操作过程,这样既可以实现操作的模块化,又可以在三轴联动的运动控制中让主机方便地调用某个操作过程。伺服控制器通过接收主机发送过来的参数和功能子程序的调用指令就可以完成基本的操作过程。2.3反馈信号处理直线光栅尺对电机速度检测的输出信号有两种：一种是正弦波信号；另一种是方波信号。其特点是易于与ARM处理器进行接口，具有较强的抗干扰能力，测量速度简单方便。光栅尺反馈信号的处理方法有：（1）倍频处理，即正弦波输出有电流型和电压型，对正弦波输出信号需经过差动放大、整形及倍频处理后得到脉冲信号。倍频可提高光栅的分辨精度，如5倍频、10倍频等。如原光栅线纹为50条mm，经5倍频处理后，相当于将线

10、纹密度提高到250条mm。(2)方向判别,即光栅输出信号经差动放大和信号处理后，获得PA、PB脉冲信号，PA和PB的超前或滞后经方向判别电路处理后，得到以高、低电平表示的方向信号。63结束语速度伺服控制器在数控机床的控制系统中是一个创新，在非球面加工的控制过程中，是一个大的突破。基于ARM速度伺服控制器经济性好，通用性强，操作简单，拓展性好，缩短了非球面光学器件的加工时间，达到更高的精度要求。所以，速度伺服控制器在非球面加工的控制中应用前景非常广泛。参考文献1朴承镐.轨迹成形法加工非球面光学零件新原理的报告.长春:长春理工大学，2003.2秦忆.现代交流伺服系统M.武汉：华中理工大学出版社，1

11、995.3任哲，潘树林，房红征.嵌入式操作系统基础C/OS-II和LinuxM.北京：北京航空航天大学出版社，2006.4周凯.数控原理、系统及应用M.北京：机械工业出版社，2006：1532.5张莉松，胡佑德.伺服系统原理与设计M.北京：机械工业出版社，20066作者简介：耿振野（1966.6.8）男毕业于南京理工大学自动控制系，现在长春理工大学副教授，在读博士，主要从事过程控制与检测的研究。其他参考文献Baker, Sheridan. The Practical Stylist. 6th ed. New York: Harper & Row, 1985.Flesch, Rudolf. Th

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