基于以太网的交流伺服电机控制器设计毕业论文

 2021-04-07 06:04

摘 要

电机运动控制技术是推动新的技术发展革命和新的产业发展革命的关键性技术。近几年来,通过运动控制技术的不断进步发展,运动控制器作为一个独立有竞争力的工业自动化控制类产品,已经被广泛应用于更多的产业方面,并形成举世瞩目的市场竞争规模。

当前,通过 DSPIC为控制中心的运动控制器已成为很多控制器的发展方向,它可便捷地通过以太网芯片快速的接入PC机,让PC机强大的信息处理能力和开放式特点与运动控制器的运动控制能力有效的结合起来,运动控制器具有信息处理能力强、开放程度高、运动控制方便、通用性好等特点。

交流伺服电机以其精度高,转速性能好,适应性强,运行稳定的特点,在当今现代数控加工行业和机器人等运动控制领域有着不可替代的作用。由于我国在伺服行业起步比较晚,经验比较少,技术水平低等原因,高端的产品大多集中在国外,而且成本昂贵。

本文所讨论的主要是运用DSPIC系列的产品作为主控芯片,通过以太网连接电脑来实现数据的传输,从而控制两台交流伺服电机的运行位置和路径的处理和运行。

关键词:DSPIC;以太网;运动控制器;PC机;交流伺服电机

AC Servo Motor Controller Based On Ethernet

ABSTRACT

Motion control technology is to promote new technological revolution and the new industrial revolution of the key technologies. In recent years, with advances in motion control technology, the motion controller as an independent industrial automation and control products, has been widely used in more and more industries, and the formation of market size compelling.

At present, DSPIC core motion control cards have become the mainstream of development of the motion controller, it can be easily embedded in the form of a PC card, the motion control capabilities of a PC powerful information processing capabilities and open features and motion control card combined with the information processing capability, high degree of openness, easy motion control, good versatility.

AC servo motor and high precision, good speed performance, adaptability and stable operation of its characteristics, in today's modern CNC machining motion control and robotics industry plays an irreplaceable role. Since China started relatively late in the servo sector, less experienced, low level of technical reasons, the high-end products are mostly concentrated in foreign countries, but also expensive.

This article discussed mainly the use of DSPIC range of products as the main chip, connected to the computer via Ethernet to achieve data transmission, thereby controlling the handling and operation of the two operating positions and paths AC servo motor.

Key words: DSPIC; Ethernet; motion controller; PC machine; AC servo motor

目录

1 绪论 1

1.1 课题的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 从历史的角度看控制器的发展 2

1.2.2 控制器在我国的发展现状 2

1.2.3 控制器在国外的发展现状 3

1.3 伺服控制器的发展趋势 5

1.4 论文的主要内容及论文的结构 6

1.5 本章小结 7

2 交流伺服电机控制器的硬件设计与实现 8

2.1 控制器总体结构 8

2.2 dsPIC概述 9

2.2.1 dsPIC33E特点与芯片选型 9

2.2.2 dsPIC33E806功能介绍 11

2.3 DSC电路设计 12

2.3.1 DSC电源模块 12

2.3.2 DSPIC引脚接线图 13

2.3.3 SPI串行外设接口 15

2.4 W5500以太网模块设计 16

2.4.1 W5500芯片概述 16

2.4.2 RJ45插座电路 19

2.5 功率控制及隔离电路设计 19

2.5.1 控制电路电源 20

2.5.2 隔离电路 22

2.5.3 控制运放电路 29

2.6 硬件系统的抗干扰方法 31

2.7 本章小结 32

3 交流伺服电机控制器的软件设计与实现 33

3.1 MPLAB集成开发环境 33

3.2 系统软件设计 34

3.2.1 控制模块总体设计 34

3.2.2 SPI模块程序设计 35

3.2.3 QEI模块程序设计 37

3.2.4 DA数模转换程序设计 38

4 总结与展望 39

4.1 工作总结 39

4.2 后续工作展望 40

致谢 41

参考文献 42

1 绪论

1.1 课题的目的和意义

从上世纪八、九十年代以来,随着现代微电子技术、电力电子技术、传感器技术、电机制造技术以及先进的控制理论等支撑技术的飞速发展, 交流伺服系统控制伺服电动机正在慢慢的代替直流伺服系统成为主流,在工业机器人方面、数控机床方面、大规模集成电路设计方面、雷达和各种军用武器随动系统等方面占据了重要的地位。21世纪以来,随着相关电机技术的重大发展,交流伺服电动机性能得到了质的飞跃,与感应电动机和普通同步电动机相比,其具有良好的低速运行性能和较高的性价比等优点。而随着高性能微处理器在电动机调速系统中的广泛应用,使得交流伺服系统的实现方式也由模拟、模数混合方式向全数字方式发展。全数字控制方式不但让控制系统具有功能多样化、高精度、高可靠性、智能化、网络化等功能,还为新型的控制理论和方法的应用提供了平台。随着运动控制器的广泛应用,遍及众多领域,因而运动控制技术的研究在国际上极被重视,目前已进入普遍开发阶段。与国外相比,我国在运动控制器的设计研发方面还比较单一落后,高端控制产品基本上被国外公司垄断控制,中国作为21世纪飞速发展的国家,从制造大国向创造大国的转变,市场上新设备的控制需求和传统设备技术升级换代,对运动控制器的需求越来越大。此外,由于市场日益竞争的压力,系统集成商和设备制造商要求运动控制系统向开放式方向发展。在这样的经济压迫形势下,我们应该抓住这一发展机遇,研制出具有自主知识产权,具有高水平、高质量、高可靠性的开放式运动控制器产品。

目前,由于以 DSPIC 为代表的便捷高性能专用微处理器的出现和 PC 机的普及和发展,以 DSPIC 为核心的运动控制器已成为运动控制器发展主导方向,它可方便地通过以太网模块接入到PC机,使PC机强大的信息处理能力和开放式特点与运动控制器的运动控制能力很好的结合起来,具有信息处理能力强、开放程度高、运动控制方便、通用性好的特点。正因为如此,本文针对以 DSPIC 为核心的以太网运动控制器进行了研究与开发。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 从历史的角度看控制器的发展

信息时代的高新技术冲击着传统产业,引起传统产业的飞速变革。作为传统产业巨头之一的机械行业,在这场信息时代高新技术革命的冲击下,产品类型结构和生产系统结构都发生了质的飞跃,微电子技术、微计算机技术的高速发展使信息、机械装置和动力设备智能的结合到一起,促使着机械工业开始了一场大规模,大转变的机电一体化技术革新发展。在机电一体化技术迅速发展的同时,运动控制技术作为其核心部分,也得到前所未有的发展。何为运动控制技术,就是对机械运动部件的位置、速度、方向等方面进行实时的控制管理,使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。运动控制技术是一门综合性、多学科交叉的新型学科,是推动新产业革命进步发展的关键性技术。这些年来,运动控制的新技术、新产品不断出现发展,这之中最具有代表性的就是开放式运动控制器。这类运动控制器绝大多数都是采用专业运动控制芯片或高性能微处理器(如单片机,dsPIC)作为运动控制核心,主要用于控制步进电动机或者伺服电动机。通常将开放式运动控制器与PC机构成主从式控制结构:PC 机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控等方面的工作;运动控制器完成运动控制的所有细节工作。开放式运动控制器的出现一方面是满足新型数控系统标准化、柔性化和开放性等要求;另一方面使得运动控制技术由面向传统的数控加工发展为具有更好的开放结构、能够快速重组,更快更好地适应其他行业的应用需求的一门技术。

1.2.2 控制器在我国的发展现状

我国在“八五”期间,国内的一些研究机构为实现特殊的功能,并结合开发的难度难易程度、成本的高低等各个方面考虑,采用“PC机+运动控制器”的结构,构建简便开放性大的运动控制系统。一直到近些年,固高科技(深圳)有限公司成立,这是国内(大陆地区)较早专业开发、生产开放式运动控制器产品的公司,并且目前已经生产了一系列的主流运动控制器,如基于计算机标准总线运动控制器 GT 系列,基于 Soft 型开放式运动控制器 GO 系列和嵌入式结构的运动控制器 GU 系列等,填补了国内相关行业的多项空白。此外,该公司以运动控制器为核心派生了众多面向行业应用的控制系统,形成了一定规模。

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