基于DSP的高精度伺服位置環(huán)設(shè)計(jì)方案

機(jī)床是裝備制造業(yè)的母機(jī)，也是裝備制造業(yè)的引擎。我國(guó)“十一五”發(fā)展規(guī)劃明確規(guī)定：國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率要達(dá)到60%，高端產(chǎn)品與國(guó)際先進(jìn)水平的差距縮小到5年以內(nèi)。
作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控機(jī)床向高速度、高精度、高效率邁進(jìn)的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一。隨著新的微處理器、電力電子技術(shù)和傳感器技術(shù)在伺服驅(qū)動(dòng)裝置的應(yīng)用，伺服驅(qū)動(dòng)器的性能獲得極大的提高。如日本的安川公司利用新的微處理器，以及通過(guò)擴(kuò)充新的控制算法，速度頻率響應(yīng)提高到了1.6kHz，具有自動(dòng)測(cè)定機(jī)械特性，設(shè)置所需要的伺服增益功能，實(shí)現(xiàn)了“在線自動(dòng)調(diào)整功能”;發(fā)那科公司的新一代驅(qū)動(dòng)器則采用了1600萬(wàn)/轉(zhuǎn)的高分辨率的編碼器，高精度電流檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了高速、高精度的伺服HRV(高響應(yīng)向量)控制算法，伺服電機(jī)的最大控制電流減少50%，并減少電機(jī)發(fā)熱17%，使得伺服驅(qū)動(dòng)裝置可以獲得更高的剛性和過(guò)載能力。國(guó)內(nèi)在高性能伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面，與國(guó)外名牌企業(yè)仍存在較大的差距，已成為制約我國(guó)發(fā)展中高檔數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的“瓶頸”問(wèn)題。
針對(duì)舊產(chǎn)品的信號(hào)處理時(shí)間長(zhǎng)，電流與位置信號(hào)檢測(cè)精度低的不足，本系統(tǒng)以TMS320F2812 DSP為控制器，縮短了信號(hào)處理時(shí)間且提高電流采樣精度;位置檢測(cè)用多摩川的TS5667N120 17位絕對(duì)式編碼器以提高了位置檢測(cè)精度。系統(tǒng)在數(shù)控加工中心的應(yīng)用中，具有定位無(wú)超調(diào)、高剛性、高速度穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以滿足微米級(jí)加工精度的要求。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件以 TMS320F2812DSP控制器、三菱公司的IPM功率模塊、多摩川公司的TS5667N120 17位絕對(duì)式編碼器為主要功能部件，硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1中TMS320F2812 DSP為控制核心，接收來(lái)自CNC、編碼器接口、電流檢測(cè)模塊和故障信號(hào)處理模塊的信息，完成對(duì)永磁同步電機(jī)控制和故障處理。光電隔離模塊作為電子電路與功率主電路的接口，將DSP發(fā)出的SVPWM信號(hào)送入IPM模塊，完成DC/AC逆變，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。編碼器接口將絕對(duì)式編碼器所記錄的永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極位置、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和編碼器報(bào)警等信息送往DSP，同時(shí)將永磁同步電動(dòng)機(jī)的位置信息送往CNC。電機(jī)相電流經(jīng)電流檢測(cè)模塊量測(cè)、濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉(zhuǎn)化為0~3V的電壓信號(hào)送入DSP的A/D引腳。功率主電路的過(guò)壓、欠壓、短路、電源掉電和IPM故障等信號(hào)經(jīng)故障檢測(cè)模塊檢測(cè)與處理后，送入DSP的I/O端口。鍵盤與顯示模塊是控制器的人機(jī)接口，用以完成控制參數(shù)的輸入，運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)顯示。存儲(chǔ)器模塊用以存儲(chǔ)控制參數(shù)與系統(tǒng)故障信息。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
按任務(wù)劃分，系統(tǒng)軟件由任務(wù)與任務(wù)管理模塊構(gòu)成，任務(wù)管理模塊對(duì)人機(jī)接口、控制算法、加減速控制、故障處理等四個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度管理?？刂扑惴ㄖ饕ǎ赫{(diào)節(jié)器控制算法、矢量控制算法和數(shù)字濾波器算法等。
按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，遵循“功能獨(dú)立”的原則，將系統(tǒng)軟件劃分為主程序模塊和矢量控制程序模塊兩大部分，各部分又劃分為若干子模塊，以利于軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試、修改和維護(hù)。矢量控制軟件設(shè)計(jì)采用典型的前后臺(tái)模式，以主程序作為后臺(tái)任務(wù)，中斷服務(wù)程序作為前臺(tái)任務(wù)。根據(jù)矢量控制算法的特點(diǎn)，中斷服務(wù)程序只處理實(shí)時(shí)性高的PWM控制子程序，把系統(tǒng)的一些測(cè)量、鍵盤處理和顯示等一系列實(shí)時(shí)性不高的任務(wù)放到后臺(tái)任務(wù)。
主程序是軟件的主體框架，其工作過(guò)程是：系統(tǒng)上電復(fù)位后，依次對(duì)片內(nèi)外設(shè)進(jìn)行初始化、從E2PROM中讀出控制參數(shù)、LED顯示初始信息。初始化完成后，主程序循環(huán)執(zhí)行LED顯示、鍵盤處理和參數(shù)計(jì)算與保存。
PWM中斷服務(wù)。在PWM中斷到來(lái)時(shí)，首先讀取編碼信號(hào)，進(jìn)行角度和速度計(jì)算，接著進(jìn)行A/D采樣并執(zhí)行clark和park變換，然后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)、反park變換，最后進(jìn)入空間矢量模塊，產(chǎn)生PWM信號(hào)。
控制器算法
系統(tǒng)采用三環(huán)控制結(jié)構(gòu)，電流環(huán)、速度環(huán)采用PI控制，位置環(huán)采用比例加前饋補(bǔ)償控制。
PID控制算法
PID控制算法是控制中最常用的算法，對(duì)于大多數(shù)的控制對(duì)象采用PID控制均能達(dá)到滿意的效果。為防止PID調(diào)節(jié)器出現(xiàn)過(guò)飽和，系統(tǒng)采用帶退飽和的PID控制器，如圖2所示。

　離散PID控制算法如下：

式中，為飽和前的輸出，KP為PID控制的比例增益，Ti為PID控制的積分時(shí)間常數(shù)，Td為PID控制的微分時(shí)間常數(shù)，Kc為退飽和時(shí)間常數(shù)。
位置控制器的控制算法
位置控制器采用比例加前饋控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其中Gm為電機(jī)的傳遞函數(shù)，Gspd為速度環(huán)的傳遞函數(shù)，Gpos為位置環(huán)的傳遞函數(shù)，F(xiàn)pos為位置前饋控制器傳遞函數(shù)。

系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

當(dāng)Fpos(s)=1/(Gspd(s)Gm(s))時(shí)，H(s)=1，則可使輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)，且系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)誤差都為零。其中當(dāng)速度調(diào)節(jié)器采用PI控制時(shí)，在位置環(huán)的截止頻率遠(yuǎn)小于速度環(huán)的截止頻率時(shí)，速度環(huán)可等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，電機(jī)可等效為一個(gè)積分環(huán)節(jié)，于是Fpos(s)可以看成加速度前饋和速度前饋兩部分[5]，其中：位置前饋中加速度項(xiàng)差分方程：

式中R(k)為第K個(gè)采樣周期中的位置給定信號(hào);Yaf為第K個(gè)采樣周期中加速度信號(hào)的輸出，Kaf為加速度前饋比例系數(shù)。
位置前饋中速度項(xiàng)差分方程：

式中R(k)為第K個(gè)采樣周期中的位置給定信號(hào);Yaf為第K個(gè)采樣周期中速度信號(hào)的輸出，Ksf為速度前饋比例系數(shù)。
相應(yīng)的位置環(huán)P的差分方程：

式中R(k)為第K個(gè)采樣周期中的位置給定信號(hào);C(k)為第K個(gè)采樣周期中的位置反饋信號(hào)，Ye為第K個(gè)采樣周期中位置環(huán)信號(hào)的輸出，Kc為位置環(huán)比例系數(shù)。
絕對(duì)式編碼器通信程序
絕對(duì)式編碼器與DSP的接口采用CPLD作為接口芯片。CPLD的程序采用VHDL語(yǔ)言編寫，程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。此電路完成串行輸入數(shù)據(jù)到并行輸出數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，以及并行輸入數(shù)據(jù)到串行輸出數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

圖4中，模塊DIV為時(shí)鐘分頻器，TX模塊接收來(lái)自微處理器接口模塊MP的8位并行數(shù)據(jù)，并通過(guò)端口DOUT將數(shù)據(jù)串行輸出到RS-485端口。反過(guò)來(lái)，RX模塊接收串行數(shù)據(jù)輸入，并以8位并行格式發(fā)送至MP模塊，MP模塊同時(shí)將接收到的位置信號(hào)轉(zhuǎn)成脈沖形式輸出，實(shí)現(xiàn)與CNC的連接。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
本設(shè)計(jì)，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，記錄實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。虛擬測(cè)試平臺(tái)配置如下：軟件NI LabVIEW 8.0，硬件NI M系列多功能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6251，16、NI 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器PCI-6602。
圖5給出了加工過(guò)程中的速度波形。圖5表明，系統(tǒng)的加、減速時(shí)間小于200ms;無(wú)位置超調(diào);穩(wěn)定時(shí)，速度波動(dòng)小于0.1轉(zhuǎn)。速度頻率響應(yīng):大于300Hz;速度波動(dòng)率：小于±0.01%(負(fù)載0～100%)、0(電源±10%);調(diào)速范圍：0.1rpm~3000rpm;回轉(zhuǎn)定位精度：1個(gè)脈沖。

圖6給出了驅(qū)動(dòng)器配國(guó)產(chǎn)某品牌加工中心的機(jī)械加工結(jié)果。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)：上表面表面粗糙度Ra1.6μm;側(cè)面(即測(cè)量面)的粗糙度Ra3.2μm。

結(jié)語(yǔ)
針對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給控制，采用磁場(chǎng)定向控制與前饋補(bǔ)償控制，以 TMS320F2812DSP 控制器、IPM功率模塊、TS5667N120 17位絕對(duì)式編碼器為主要功能部件，設(shè)計(jì)出的永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制器，在數(shù)控加工中心的應(yīng)用中，具有定位無(wú)超調(diào)、高剛性、高速度穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以滿足微米級(jí)加工精度的要求。