基于arm的伺服电机控制器设计毕业论文(编辑修改稿)

基于arm的伺服电机控制器设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

控技术及其装备发展趋势之一是高速、高效、高精度。 从 80 年代开始，由于数控机床的主轴、进给系统等功能部件的突破，数控机床的主轴转速和进给速度都大幅度提高，以及制造技术的全面进步，使金属切削加工进入了高速切 9 削的新阶段。 90 年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。 高速电主轴单元转数在 30000r/min(有的高达 1179。 105r/min)以上。 工作台的移动速度 (进给速度 ):在分辨率为 1181。 m 时 ,在 100m/min(有 的到200m/min)以上 , 在分辨率为 时，在 24m/min 以上。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如大功率高速电主轴、高加 /减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。 超高速加工是继数控技术之后，使制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术。 超高速机床是实现超高速加工的物质基础，而高速主轴单元则是超高速机床的 “ 核心 ” 部件，它的性能直接决定了机床的超高速加工性能。 最佳适合高速运转的主轴形式是将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，形成电主 轴，实现机床主轴系统的一体化、 “ 零传动 ”。 电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。 电主轴的工作转速极高，这对其结构设计、制造和控制提出了非常严格的要求，并带来了一系列技术难题，如主轴的散热、动平衡、支承、润滑及其控制等。 在应用中，必须妥善解决这些技术难题，才能确保电主轴高速运转和精密加工的可靠性。 电主轴一体化所融合的技术包括 : a. 高速电机技术。 电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转 部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。 关键技术是高速度下的动平衡。 b. 高速轴承技术。 电主轴通常采用复合陶瓷滚动轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍。 有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限。 c. 油雾润滑。 电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑。 也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。 所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。 所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。 而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。 油量控制很重要，太少，起 不到润滑作用。 太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。 d. 冷却装置。 为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。 10 e. 内置脉冲编码器。 为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。 主轴系统所用的位置编码器分辨率也已达到 360000p/r。 f. 高频变频装置。 要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千 Hz。 当前高速高精加工机床一般都使用矢量控制的变频驱动电主轴，常内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的准确配合，电机定子和主轴轴承用恒温水循环冷却。 所使用的主轴轴承主要是定时定量油气润滑的高精度陶瓷球角接触球轴承，转速不太高的机床也有采用脂润滑的。 主轴与刀具的接口以适合高速加工的 HSK 等接口为主，但也可选择传统的 7:24 锥孔。 对精度的要求，主轴径向跳动小于 2181。 m，轴向窜动小于 1181。 m，轴系不平衡度达到 级。 预计在 2020 年前，油气润滑的陶瓷球轴承电主轴依然是主流，空气静压轴承、电主轴和磁悬浮轴承电 主轴仍会比较少。 主轴传动用电动机和进给传动一样，经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动，而随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代，目前已很少见到在数控机床上有使用直流主轴伺服系统了。 当代电主轴所使用的电机，不仅有异步交流感应电机，还有永磁同步电机，后者在相同功率下，外形尺寸较小，且转子为永久磁铁不发热。 高速主轴单元技术在一些工业发达国家已经发展到较高水平，并被广泛应用于高速机床行业，已经产生了巨大的经济效益。 为了满足国内发展高速、高精度数控机床的需求，在 “ 九五 ” 期间通过攻关，我国开发出了主轴功率为 ～ 29kW、扭矩为 4～ 、能应用于数控机床和加工中心的电主轴，并且已装备了部分国产数控机床。 但是从总体上讲，国产的电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种和质量都有较大差距，所以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴，仍然主要从国外进口。 而高速电主轴单元技术是制约我国超高速加工技术的瓶颈。 为了赶上高速加工技术发展的潮流，我国正在不断加大对超高速加工关键功能部件 — 电主轴单元的研究力度。 目前，国家高效磨削工程技术研究中心承担了国家“ 十 五 ” 攻关计划课题 “ 高速主轴单元的研究开发与应用 ” ，正在为提升我国的电主轴单元技术水平而不断努力。 11 (4) 以直线电动机直接驱动的直线伺服进给技术已趋成熟 高速高精加工机床的进给驱动，主要有传统的 “ 旋转伺服电机 +精密高速滚珠丝杠 ” 和新型的 “ 直线电机直接驱动 ” 两种类型。 滚珠丝杠由於工艺成熟，应用广泛，不仅精度能达到较高 (ISO3408 1 级 )，而且实现高速化的成本也相对较低，所以迄今仍为许多高速加工机床所采用。 当前使用滚珠丝杠驱动的高速加工机床最大移动速度 90m/min，加速度。 但滚珠丝杠毕竟是机 械传动，从伺服电机到移动部件间有一系列机械元件，势必存在弹性变形、摩擦和反向间隙，相应造成运动滞后和其它非线性误差，目前滚珠丝杠副的移动速度和加速度已提高较多，再进一步提高的余地有限。 自 1993 年，在机床进给上开始应用直线电机直接驱动，它是高速高精加工机床特别是其中的大型机床更理想的驱动方式。 目前使用直线电机的高速高精加工机床最大快移速度已达 208m/min，加速度 2g(Mazak 的 HMCF3660L 加工中心的水平 )，并且还有发展余地。 与滚珠丝杠传动相比，直线电机直接驱动的优点是 : a. 高刚度。 直 线电机直接和负载连接，没有间隙，有更高的动态刚度。 b. 更宽的速度范围。 现代电机技术，很容易实现宽调速，速度变化范围可达1:10000 以上。 例如，美国科尔摩根公司 DDL 永磁直线电机高速大于 5m/s，低速1181。 m/s。 c. 加速特性好、运动惯量小、有更高动态响应性能。 运行平稳，位置精度高 (基本上取决于位置反馈检测元件 )。 d. 无行程限制。 采用模块结构 , 可接长适应不同行程要求。 采用直线电机直接驱动省去了一切中间机械传动，从根本上减小了机械摩损与传动误差，减少维护工作。 e. 轨迹误差小，高速下可 获得良好的定位精度。 电机直接驱动的优点正好弥补滚珠丝杠传动的不足，与滚珠丝杠传动相比，其速度提高 30 倍，加速度提高 10 倍，最大达 10g，刚度提高 7 倍，最高响应频率达 100Hz。 直线电机直接驱动也存在一些缺点和问题，除控制难度大 (中间没有缓冲环节和存在端部效应 )外，还存在强磁场对周边产生磁干扰，影响滚动导轨副的寿命，同时给排屑、装配、维修带来困难，以及发热大、散热条件差。 需解决散热、隔磁、足够的推力、自锁和移动部件轻量化等方面的问题，才能在机床上实际应用，同时成本较高也影响其推广应用。 目前这些问题都已得到不 同程度的解决，采用者愈来愈 12 多。 交流直线伺服电机也有感应 (异步 )式和同步式两大类，同步式 (次级为永久磁钢 )由于效率高、推力密度大、可控性好等优点，尽管其对隔磁防尘要求较高和装配较困难，现在也已成为机床用直线电机的主流。 例如，美国 Ingersoll 铣床公司生产的HVM800 高速卧式加工中心， X、 Y、 Z 三轴都采用永磁同步直线伺服电机，最大进给速度可达 ，最大加速度。 在高速高精加工机床领域，直线电机驱动和滚珠丝杠驱动虽然还会并存相当长一段时间，但总的趋势是直线电机驱动所占比重会愈来愈大， 将来很有可能成为此种机床进给驱动的主流。 现在世界各国的知名机床制造商 (比如以发展滚珠丝杠驱动闻名于世的日本 Mazak 公司和韩国的大宇公司 )都纷纷推出直线电机驱动的机床，而德国的 DMG 公司， 2020 年便已销售装有直线电机的机床约 1000 台， 2020 年要翻番，计划为 2020 台。 种种迹象表明，直线电机驱动在高速高精加工机床上的应用已进入加速增长期。 13 2 相关技术 简介 ARM 原理简介 ARM 处理器概述 ARM 公司自 1990 年正式成立以来，在 32 位 RISC(Reduced Instruction Set Computer)开发领域不断取得突破，其结构已经从 V3 发展到 V6。 现在设计、生产ARM 芯片的国际大公司已经超过 50 家，国内中兴通信和华为等公司也已经购买ARM 公司的芯核用于通信专用芯片的设计。 ARM 微处理作为典型 32 位 RISC 架构的处理器，广泛运用于工控设备、智能仪表、汽车电子、网络设备、电子商务、信息家电、智能玩具、通信设备、移动存储以及军事电子领域。 具有以下几个主要特点： 、低功耗、低成本； Thumb(16 位 )和 ARM(32 位 )双指令集，能很好地兼容 8/16 位器件； ，指令执行速度快； ； ，执行效率高； ；。 随着 ARM 技术的发展，新的 ARM 处理器还集成了以下几个主要特点。 ： 16 位指令集，用以改善代码密度； 2. DSP：用于 DSP 应用的算术运算指令集； ：允许直接执行 Java 代码的扩充。 目前， ARM 处理器有以下几个系列的产品： ARM7TDMI、 StrongARM ARM720T、 ARM9TDMI、 ARM922T、 ARM940T、 RM946T、 ARM966T、 ARM10TDM1 等。 自 V5 以 后， ARM 公司提供 Piccolo DSP 的芯核给芯片设计者，用于设计 ARM＋ DSP 的SoC(System on Chip)结构的芯片。 14 ARM7 处理器是低功耗的 32 位微处理器，最适合于对价位和功耗要求较高的消费类应用，广泛运用于工业控制、网络设备、数据通信等领域。 目前， ARM7 处理器包括 ARM7TDMI、 ARM7TDMIS、 ARM7EJS 和 ARM720T。 ARM9 微处理器是 ARM7 处理器的升级，是高性能和低功耗处理器的代表，采用 ，广泛运用于无线设备、仪用仪表、数字成像、数字机顶盒和网络产品中。 目前， ARM9 系统微处理器主要有 ARM920T、 ARM922T、ARM940T 等产品。 ARM9E(E 表示增强 DSP 指令 )处理器作为可综合的处理器，使用单一的处理器内核，提供微处理器、 DSP、 Java 应用系统的解决方案，广泛运用于工业控制、无线通信设备、数字消费电子产品、网络通信设备等领域。 目前， ARM9E 系统微处理器主要有 ARM926EJS、 ARM946ES、 ARM966ES。 ARM11 囊括了 Thumb CoreSight、 TrusZone 等众多业界领先技术，同时由单一的处理器内核向多核发展，为高端的嵌入式应用提供了强大的处理平台。 ARM SecurCore 系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的 32 位 RISC技术的安全解决方案，具有低功耗、高性能的特点以及对安全解决方案的支持，广泛应用于对安全性要求较高的应用产品及应用系统中，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。 目前的 ARM SecurCore 系列微处理器包含SecurCore SC100、 SecurCoreSC1 SecurCore SC200 和 SecurCore SC210。 基于 ARM 的 Intel 处理器包括 StrongARM 和 XScale 两类产品，其融合了 ARM 处理器和 Intel 公司设计方案。 StrongARM 广泛运用于消费电子、通信产品、掌上电脑等领域； XScale 则广泛运用于移动数字电话以及网络产品中。 ARM 硬件体系结构 （ 1） 冯 178。 诺依曼体系和哈佛总线 众所周知，早期的微处理器内部大多采用冯 178。 诺依曼结构，以 Intel 公司的 X86系统微处理器为代表，如图 所示，采用冯 178。 诺依曼结构的微处理器的程序空间和数据是合在一起的，即取指令和取操作数都是在同一条总线上，通过时分复用的方式进行的，其每条指令的执行周期为： T＝ TF(取指令 )＋ TD(指令译码 )＋ TE(执行指令 )＋ TS(存储时间 ) 15 在高速运行时，不能达到同时取指令和取操作数的目的，从而形成了传输过程的瓶颈。 冯 178。 诺依曼结构被大多数微处理器所采用，其中， ARM7 处理器即采用此体系结构。 随着微电子技术的发展，以 DSP 和 ARM 为应用代表的哈佛 总线技术应运而生，如 图 所示，在采用哈佛总。