伺服電機轉(zhuǎn)速測量顯示與調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計

張 松， 李 杰，b， 祝敬德， 劉 俊，b， 劉 喆

（1.中北大學(xué)a.電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室;b.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051;2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 200233）

伺服電機轉(zhuǎn)速測量顯示與調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計

張 松1a， 李 杰1a，b， 祝敬德1a， 劉 俊1a，b， 劉 喆2

（1.中北大學(xué)a.電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室;b.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051;2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 200233）

提出了一種集精確測量電機轉(zhuǎn)速、上位機實時顯示轉(zhuǎn)速及數(shù)據(jù)存儲的綜合設(shè)計方案。該方案采用角速率傳感器測量轉(zhuǎn)速，將FPGA作為微控制器控制模數(shù)轉(zhuǎn)換并將傳感器的輸出值存儲并處理，提高了整個系統(tǒng)的處理速度。經(jīng)試驗驗證，該系統(tǒng)能實時地顯示電機的轉(zhuǎn)速，有很好的穩(wěn)定性和可操作性。

無刷直流電機;角速率傳感器;精確測量;實時顯示

0 引言

隨著電機在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用，轉(zhuǎn)速的精確測量已成為電機開發(fā)研究、測試分析、質(zhì)量檢驗、優(yōu)化控制等環(huán)節(jié)中必不可少的內(nèi)容，轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研制具有重要的現(xiàn)實意義。

電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)在出廠時已經(jīng)配置好缺省參數(shù)，缺省參數(shù)能保證在無慣性或小慣性負載下系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。隨著負載的不同，伺服運行性能也會有所變化，如單步響應(yīng)出現(xiàn)過沖等，如果負載過重，甚至會出現(xiàn)伺服運行不穩(wěn)定［1］。因此，需要針對不同負載情況對參數(shù)進行調(diào)整。

傳統(tǒng)電機轉(zhuǎn)速檢測方法安裝麻煩、檢測效率低，因此找到一種準確、快速而且方便的測速方法，具有非常重要的現(xiàn)實意義［2-3］。本文所設(shè)計的系統(tǒng)可實現(xiàn)電機實時測速及驅(qū)動參數(shù)在線調(diào)整的功能。通過電機轉(zhuǎn)速實時測量及顯示系統(tǒng)，可以觀測到電機在當前伺服驅(qū)動參數(shù)下轉(zhuǎn)速的實時測量值，并可在線調(diào)整電機的驅(qū)動參數(shù)。

1 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)主要由電機轉(zhuǎn)速測量模塊、電機轉(zhuǎn)速控制模塊、上位機組成，其組成原理框圖如圖1所示。其中測量電機轉(zhuǎn)速的傳感器采用大小量程陀螺，由FPGA控制數(shù)據(jù)采集并將其以串口的形式上傳到上位機。上位機通過串口接收數(shù)據(jù)并將其解算為轉(zhuǎn)速，并實時顯示。通過將所測的電機轉(zhuǎn)速與電機轉(zhuǎn)速預(yù)設(shè)值進行比較，進一步在線調(diào)整電機驅(qū)動參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)總體組成原理框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電機轉(zhuǎn)速實時測量

電機轉(zhuǎn)速實時測量模塊由大、小量程陀螺，數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)，通訊接口組成。

2.1.1 角速率傳感器

本設(shè)計對電機轉(zhuǎn)速的實時測量采用MEMS陀螺儀。MEMS陀螺儀具有體積小、重量輕、抗沖擊、不受周圍環(huán)境電磁干擾影響等特性，在該測量系統(tǒng)中易于安裝且轉(zhuǎn)速測量過程中對電機負載影響小，可忽略不計，故而本系統(tǒng)采用MEMS陀螺實時測量電機的轉(zhuǎn)速［4-5］。該系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中，需要電機的轉(zhuǎn)速在30 r/s范圍內(nèi)，為精確得到電機的轉(zhuǎn)速，采用大、小兩陀螺分轉(zhuǎn)速測量的方案，其中大量程陀螺儀的量程為10 800°/s，小量程陀螺儀的量程為300°/s。當電機轉(zhuǎn)速較小時，采用小量程陀螺，由于小陀螺的高分辨率能夠精確測量電機的轉(zhuǎn)速;當電機的轉(zhuǎn)速大于300°/s，即超出小陀螺的量程時，采用大量程陀螺［6］。該方案在滿足電機轉(zhuǎn)速實時測量的同時還可以提高低轉(zhuǎn)速時電機測量的精確度。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)的采集采用TI公司的16位6通道高速同步模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS8365［6］。MEMS陀螺儀測量得到的模擬信號，需經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，為其上傳至上位機實時顯示做準備。ADS8365芯片在5 MHz時鐘頻率下工作時，能夠達到的最高采樣率為250 kHz，可以滿足系統(tǒng)對實時性的要求［7］。轉(zhuǎn)化后的每一位二進制數(shù)代表的電壓值為0.076 mV，可以滿足系統(tǒng)對測量精度的要求。該芯片在FPGA的控制下工作，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號傳輸?shù)?FPGA中。ADS8365外圍電路如圖2所示。

系統(tǒng)控制采用Xilinx生產(chǎn)的Spartan-II系列的XC2S30。該FPGA內(nèi)核采用2.5 V低電壓供電，工作頻率高達200 MHz，從根本上減小了芯片功耗，同時也解決高速工作狀態(tài)下發(fā)熱量大的問題，其次XC2S30共有100個引腳，4個時鐘輸入端，92個I/O口，3萬個門電路，216個可編程邏輯模塊。其內(nèi)部集成了6個雙口RAM，共24 kb，具有靈活的可配置性和良好的抗干擾性能，如此豐富的門陣列資源也為實現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯提供了可能［8］。FPGA外圍電路如圖3所示。

FPGA為ADS8365提供時鐘信號，通過HOLDA、HOLDB、HOLDC啟動AD轉(zhuǎn)換過程。

XC2S30的D0～D15位與ADS8365的并行輸出口連接，將 AD轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)讀入 FPGA中，并在FPGA內(nèi)模擬串口，最終將數(shù)據(jù)以串行通信方式傳輸?shù)缴衔粰C［9-10］。

本設(shè)計中只需要兩路A/D通道即可，但為了后續(xù)系統(tǒng)功能的改進，一共設(shè)置了三路A/D轉(zhuǎn)換通道，從硬件上方便系統(tǒng)的優(yōu)化與進一步升級。

2.2 驅(qū)動參數(shù)調(diào)整模塊

伺服驅(qū)動器上電以后自動處于激活狀態(tài)，可以采用RS232口進行伺服系統(tǒng)配置及參數(shù)調(diào)整。該伺服系統(tǒng)的通訊數(shù)據(jù)幀格式為:數(shù)據(jù)包:P=ID+幀長度+功能碼+數(shù)據(jù)+校驗和。

其中，每幀數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)的格式為:0XXXXXXX，最高位總是零;其他字節(jié)的格式為:1XXXXXXX，最高位總為1。因此通過判斷數(shù)據(jù)字節(jié)的最高位是否為零即可確認一幀數(shù)據(jù)的開始。

每臺伺服驅(qū)動器都有自己唯一的ID號，出廠默認值為0，占用1 Byte。

數(shù)據(jù)幀長度與功能碼供占用1 Byte，該字節(jié)中最高位為1，第6位和第5位表示數(shù)據(jù)幀長度，其中，二進制00代表數(shù)據(jù)幀長度為4 Byte，01代表數(shù)據(jù)幀長度為5 Byte，10代表數(shù)據(jù)幀長度為6 Byte，11代表數(shù)據(jù)幀長度為7 Byte;該字節(jié)中第3位到第0位代表功能碼。

電機在不同負載情況下，主增益和速度增益對電機的轉(zhuǎn)速影響較大，故而需主要調(diào)整驅(qū)動參數(shù)中的主增益和速度增益［11-12］。

主增益參數(shù)的設(shè)定范圍為1～127，其對應(yīng)的功能碼為0X10，此參數(shù)為伺服環(huán)主增益，通常隨著負載加重需相應(yīng)增加，值越大意味著伺服環(huán)的響應(yīng)頻帶越寬。

速度增益參數(shù)的設(shè)定范圍為1～127，其對應(yīng)功能碼為0X11，此參數(shù)為伺服環(huán)速度增益，通常隨著負載加重需相應(yīng)增加。值越大意味著伺服環(huán)響應(yīng)頻帶越窄。實際應(yīng)用中，較重的負載通常對動態(tài)特性要求不很苛刻，因此應(yīng)該增加速度增益值，減小伺服環(huán)頻寬［13-14］。

圖2 ADS8365外圍電路

本設(shè)計中采用的電機驅(qū)動器支持RS232通訊模式，可以實現(xiàn)上位機控制系統(tǒng)對伺服驅(qū)動器的參數(shù)設(shè)置和運行控制［15］。驅(qū)動的RS232通訊接口采用5 V邏輯電平，數(shù)據(jù)傳輸波特率為38.4 kb/s。

采用上位機在線調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器的參數(shù)，需要進行電平轉(zhuǎn)換，將上位機12 V的CMOS電平轉(zhuǎn)換為5 V的TTL電平［16］，該轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 實時顯示及參數(shù)調(diào)整流程

上位機軟件采用基于MATLAB的GUI，能夠?qū)崿F(xiàn)電機實時轉(zhuǎn)速的可視化并在線調(diào)整電機驅(qū)動參數(shù)，上位機軟件流程如圖5所示。

首先通過串口接收大小陀螺測量的實時數(shù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)格式將數(shù)據(jù)分離，判斷小陀螺的數(shù)據(jù)是否飽和，若飽和，則說明當前電機的轉(zhuǎn)速超出小量程陀螺的測量范圍，此時采用大陀螺的數(shù)據(jù)作為當前電機的轉(zhuǎn)速;否則，則說明當前電機的轉(zhuǎn)速較小，小量程陀螺的數(shù)據(jù)可以實時反映當前電機的轉(zhuǎn)速，采用小陀螺的數(shù)據(jù)作為當前電機的轉(zhuǎn)速，這樣就可以精確得到電機的實時轉(zhuǎn)速，并畫圖顯示電機的當前轉(zhuǎn)速。然后比較電機轉(zhuǎn)速測量值與轉(zhuǎn)速的預(yù)設(shè)值，若兩者相等，則選用當前電機驅(qū)動器中的參數(shù)設(shè)定值，否則，通過串口在線調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器參數(shù)，直至電機轉(zhuǎn)速與設(shè)定值相等。

3.2 轉(zhuǎn)速顯示界面

將通過串口上傳到上位機的數(shù)據(jù)分離整理，提取出有效數(shù)據(jù)。此時得到的數(shù)據(jù)為二進制數(shù)，為便于程序后續(xù)的轉(zhuǎn)化與計算，將此二進制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進制數(shù)，設(shè)為data。為了得到轉(zhuǎn)速信息，需要將此十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬的電壓值，參與后續(xù)轉(zhuǎn)速信息的計算。根據(jù)ADS8365的芯片資料可知:

當data＜32 767時，對應(yīng)的電壓值:

得到電壓值后，用電壓值除以對應(yīng)陀螺儀的標度因數(shù)就可得到相應(yīng)角速度信息。此時需要調(diào)用相應(yīng)軟件模塊將轉(zhuǎn)速信息實時顯示出來。由于串口上傳的數(shù)據(jù)實時更新，在可視化的窗口上就可以看到相應(yīng)的曲線變化。如果此時更改電機驅(qū)動相應(yīng)的參數(shù)或是增加/減少電機所帶的負載，就可實時地觀察電機旋轉(zhuǎn)速度的變化，使操作人員直觀地發(fā)現(xiàn)相應(yīng)情況的改變。

圖3 FPGA外圍電路

圖4 串口發(fā)送模塊

圖5 數(shù)據(jù)處理流程圖

4 實驗驗證

采用信號發(fā)生器提供PWM脈沖控制電機旋轉(zhuǎn)，電機轉(zhuǎn)速與PWM波之間的關(guān)系如下所示:PWM波頻率16 384 Hz所對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速為360°/s。其實時顯示結(jié)果如圖6所示。

圖6 上位機界面

由于電機的負載發(fā)生變化，電機實際輸出的轉(zhuǎn)速與設(shè)定值之間有一定的偏差，且轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，可以通過上位機實時調(diào)整電機的驅(qū)動器參數(shù)，使得電機轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相等。

經(jīng)過實驗驗證，所設(shè)計的顯示系統(tǒng)能夠?qū)崟r地將電機的轉(zhuǎn)速用圖形繪制出來，當電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，顯示系統(tǒng)也能及時地跟隨轉(zhuǎn)速的變化，達到了實時顯示的目的。同時還可以根據(jù)在不同負載的情況下，在線調(diào)整驅(qū)動器的主增益和速度增益兩參數(shù)，通過實時顯示的電機轉(zhuǎn)速能快速確定不同負載情況下驅(qū)動參數(shù)的最優(yōu)值。

5 結(jié)語

本文設(shè)計的伺服電機轉(zhuǎn)速測量顯示與調(diào)控系統(tǒng)，能實時顯示電機的轉(zhuǎn)速，并通過在線調(diào)試伺服驅(qū)動器的參數(shù)，實現(xiàn)電機在不同的負載情況下參數(shù)的最優(yōu)化。該系統(tǒng)對負載變化響應(yīng)快，保證電機在負載增加或減少時，都可以穩(wěn)定運行并可視化顯示。該系統(tǒng)采用硅微慣性器件作為測試單元，具有體積小、重量輕、反應(yīng)靈敏的特點，尤其對于功率很小的微電機，測速系統(tǒng)消耗功率小，能很好反映電機的實際轉(zhuǎn)速，解決了光電碼盤測速法、閃光測速法和測速電機測速法等傳統(tǒng)測試方法安裝麻煩、檢測效率低等問題。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于電機生產(chǎn)廠家電機性能檢測，滿足大批量生產(chǎn)的要求，具有一定的工程使用價值。

［1］ 聶 挺，王文格，戴俊良.負載動態(tài)特性對伺服電機跟隨性能影響研究［J］.工程設(shè)計學(xué)報，2013，20(4):309-314.

NIE Ting，WANG Wen-ge，DAI Junliang.Research on influence of the characteristics of dynamic load on servo motor’s following performance［J］.Chinese Journal of Engineering Design，2013，20(4):309-314.

［2］ 李大英.基于FPGA的電機測速電路設(shè)計與實現(xiàn)［J］.機械設(shè)計與制造，2012(12):78-80.

LI Daying.Design and implementation for tachometer circuit of motor based on FPGA［J］.Machinery Design＆ Manufacture，2012(12):78-80.

［3］ 王京鋒，孫純祥，林洪怡，等.高速無刷直流電機控制與無傳感器測速研究［J］.電力電子技術(shù)，2006，40(5):65-67.

WANG Jingfeng，SUN Chunxiang，LIN Hongyi，et al.Study of the Sensor less Speed Detection and Steady Speed Control of BLDCM in Highspeed Running［J］.Power Electronics，2006，40(5):65-67.

［4］ 溫佰仟，劉建業(yè)，李榮冰.MEMS硅微陀螺儀系統(tǒng)級建模與仿真研究［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報，2007，15(4):485-487.

WEN Baiqian，LIU Jianye，LI Rongbing.System-level modeling and simulation on silicon MEMS gyroscope［J］.Journal of Chinese Inertial Technology，2007，15(4):485-487.

［5］ 王 犇，袁 濤，譚 濤.基于MEMS陀螺儀的微慣性測量系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2008，24(26):152-153.

WANG Ben，YUAN Tao，TAN Tao.Inertia measure us ing MEMS gyroscope［J］.Microcomputer Information，2008，24(26):152-153.

［6］ 成宇翔，張衛(wèi)平，陳文元，等.MEMS微陀螺儀研究進展［J］.微納電子技術(shù)，2011，48(5):277-285.

Cheng Yuxiang，Zhang Weiping，Chen Wenyuan，et al.Research Development of MEMS Micro Gyroscopes［J］.Micronanoelectronic Technology，2011，48(5):277-285.

［7］ 丁海飛，王紅亮，張會新，等.基于ADS8365的多路數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)設(shè)計［J］.化工自動化及儀表，2012(1):25.

DING Haifei，WANG Hongliang，ZHANG Huixin，et al.Design of Multiplex Data Acquisition and Storage System Based on ADS8365［J］.Control and Instruments in Chemical Industry，2012(1):25.

［8］ 樸現(xiàn)磊，熊繼軍，沈三民.基于FPGA的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］.微計算機信息，2008，24(1):209-211.

PIAO Xianlei，XIONG Jijun，SHEN Sanmin.Design of a Highspeed Data Acquisition System Based on FPGA［J］.Microcomputer Information，2008，24(1):209-211.

［9］ 葉衛(wèi)東，曹照連.基于 FPGA的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28(24):112-114.

YE Weidong，CAO Zhaolian.Design of Data Acquisit ion System Based on FPGA［J］.Modern Electronics technique，2005，28(24):112-114.

［10］ 安 榮，任勇峰，李圣昆.基于FPGA和USB2.0的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2009(3):49-51.

AN Rong，REN Yongfeng，LI Shengkun.Data Sampling System Based on FPGA and USB2.0［J］.Instrum ent Technique and Sensor，2009(3):49-51.

［11］ 王軍鋒，唐 宏.伺服電機選型的原則和注意事項［J］.裝備制造技術(shù)，2009(11):129-131，133.

WANG Junfeng，TANG Hong.Servo Motor Selection Principles and Precautions［J］.Equipment Manufacturing Technology，2009(11):129-131，133.

［12］ 夏長亮，方紅偉.永磁無刷直流電機及其控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2012，27(3):25-34.

Xia Changliang，F(xiàn)ang Hongwei.Permanent-Magnet Brushless DC Motor and Its Control［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2012，27(3):25-34.

［13］ 夏長亮，李正軍，楊 榮，等.基于自抗擾控制器的無刷直流電機控制系統(tǒng)［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25(2):82-86.

XIA Changliang，LI Zhengjun，YANG Rong，et al.Control System of Brushless DC MotorBased On Active-DistubranceRejection Controller［J］.Proceeding of the CSEE，2005，25(2):82-86.

［14］ 康 健，孫鵬遠，解小華，等.基于觀測器的直流伺服電機速度控制［J］.控制工程，2004，11(4):381-384.

KANG Jian，SUN Pengfei，XIE Xiaohua，et al.DC Servomotor Speed Control Based on Equivalent Disturbance Torque Estimation［J］.Control Engineering of China，2004，11(4):381-384.

［15］ 潘 方.RS232串口通信在PC機與單片機通信中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(13):69-71.

PAN Fang.Application of RS232 Serial Port in Communication between PC and MCU［J］.Modern Electronics Technique ，2012，35(13):69-71.

［16］ 陳利鋒，吳 剛，涂時亮.用 RS232實現(xiàn)即插即拔一對多通信的策略［J］.計算機工程，2001，27(10):180-182.

CHEN Lifeng，WU Gang，TU Shiliang.The Strategy to Realize Plug＆Play，1 to More Communication with RS232［J］.Computer Engineering，2001，27(10):180-182.

Design of Portable and Adjustable High-power DC-DC Source

ZHANG Song1a，LI Jie1a，b，ZHU Jing-de1a，LIU Jun1a，b，LIU Zhe2
(1a.Science and Technology on Electronic Test＆ Measurement Laboratory;1b.Key Laboratory of Instrumentation Science＆ Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China;
2.Shanghai Institute of Spaceflight Control Technology，Shanghai 200233，China)

In measuring the speed of brushless motor，magnetic encoder is susceptible to be interfered by magnetic field from the motor，and optical-electricity encoder may not match the motor in size.This paper presents a system involving speed measurement，real-time display and data storage.In this system，the gyroscope meters the angular velocity，and DSP is the controller，regulating the A/D conversion and disposing the digital data with high rate.Experiments prove that this system can display motor speed in real time，with the advantages of stability and operability.It has practical significance to motor speed control and debugging.

brushless DC motor;angular rate sensor;accurate measurement;real-time display

TN 86;TN 710.2

A

1006－7167(2014)05－0053－05

2013－08－19

國家自然科學(xué)基金項目(50905169)

張 松(1987－)，男，遼寧丹東人，碩士生，主要研究方向為微系統(tǒng)集成及自動控制。

Tel.:18234138772;E-mail:18234138772@126.com

李 杰(1976－)，男，山西嵐縣人，博士，碩士生導(dǎo)師。

Tel.:0351-3558098;E-mail:lijie@nuc.edu.cn