PMAC控制下的高精度轉臺雙閉環(huán)伺服系統設計與調試

PMAC 是一個(gè)開(kāi)放式的運動(dòng)控制器，它有多種型號，系統使用的是TURBO PMACⅡ型卡，該卡在國內的使用不多。用PMAC控制轉臺閉環(huán)伺服系統，從理論上來(lái)講，伺服環(huán)內各元件誤差以及運動(dòng)中造成的誤差都可以得到補償，因而可以達到很高的跟隨精度和定位精度，但由于受機械變形、溫度變化、振動(dòng)及其它因素的影響，要實(shí)現高精度、良好的穩定性和快速的動(dòng)態(tài)響應特性，閉環(huán)系統的調試有一定的難度。就PMAC 控制的轉臺閉環(huán)系統進(jìn)行調試過(guò)程中遇到的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出解決辦法，以供大家借鑒。

1 伺服系統的設計

1.1 PMAC 概述

美國DeltaTau 公司的可編程多軸運動(dòng)器（PMAC）是世界上功能強大的運動(dòng)控制器之一，它借助于Motorola 的DSP56001/56002 數字信號處理器，可以同時(shí)操縱1～8 個(gè)軸。而且它還可以自動(dòng)對任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先等級判別，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)的多任務(wù)處理，這使得它在處理時(shí)間和任務(wù)切換這方面大大減輕主機和編程器的負擔，提高了整個(gè)控制系統的運行速度和控制精度。PMAC 具有開(kāi)放平臺，不僅可以用G 代碼，而且可以用C 或BASIC 語(yǔ)言編程，它能夠對存儲在它內部的程序進(jìn)行單獨的運算，執行運動(dòng)程序、PLC 程序，并可進(jìn)行伺服環(huán)更新，并以串口、總線(xiàn)兩種方式與主計算機進(jìn)行通訊。

1.2 轉臺控制系統設計

該控制系統由PC（上位機）、PMAC 控制器（下位機）、Dynaserv驅動(dòng)器、PARK 的高精度旋轉工作臺、測量與反饋系統組成。其控制原理，如圖1 所示。PARK 的高精度旋轉工作臺與一般工作臺不同，它的電機是無(wú)刷直接驅動(dòng)電機，回轉工作臺的臺面是電機的轉子，沒(méi)有了傳動(dòng)機構，這樣就減少了傳動(dòng)誤差。該系統是一個(gè)雙閉環(huán)系統，由于該系統中執行機構采用的是直接驅動(dòng)電機，其雙閉環(huán)系統不同于通常的雙閉環(huán)，其速度環(huán)和位置環(huán)共用圓光柵位置反饋信號，內環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)由速度控制單元、F/V 轉換、速度反饋電路組成，它可以實(shí)現速度恒值控制。位置環(huán)由PMAC 中位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及位置反饋電路組成。

圖1 轉臺伺服系統結構原理圖

由于沒(méi)有了傳動(dòng)機構，因此安裝在轉子上的圓光柵所反饋的值既反映了轉臺的實(shí)際位置，又反映了電機的輸出，速度環(huán)中該值通過(guò)F/V 轉換成速度量，F/V 轉換是通過(guò)計數的頻率來(lái)轉換成模擬電壓（一般是以25kHZ/V 的速率轉換）。反饋信號是增量式A/B 相正交脈沖信號?？刂妻D臺的是PMACⅡ型卡，系統中的圓盤(pán)光柵尺精度高，可達655360 線(xiàn)/轉，當PMAC 四倍頻后，其分辨率可達到2621440 脈沖數/轉。

2 系統調試

對雙閉環(huán)系統的調試，不但要對控制卡進(jìn)行參數設置，而且要對驅動(dòng)器進(jìn)行參數設置，系統調試中會(huì )遇到很多問(wèn)題，本節只就其中幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析討論。

2.1 轉臺單方向漂移的問(wèn)題

在完成系統連接后，我們用PMAC 的調試軟件Pewin32 進(jìn)行調試，上電后，轉臺開(kāi)始出現單方向漂移的現象：轉臺沿順時(shí)針?lè )较蛞院苄〉乃俣纫苿?dòng)。在設置了常用的PMAC 參數后，單方向漂移問(wèn)題仍然存在。

為解決這個(gè)問(wèn)題，我們對有可能的原因一一分析。首先我們懷疑是硬件系統連接引起的，在核對控制線(xiàn)路圖、重新檢查硬件連線(xiàn)后該現象仍然存在。然后我們懷疑是驅動(dòng)器的設置有問(wèn)題，由于在出廠(chǎng)前其驅動(dòng)器dynaserv 可能設置了一些參數，為此，我們用park 自帶的調試軟件DRVGⅡ進(jìn)行調試，上電后，轉臺沒(méi)有出現單方向漂移的現象。由此可以推斷出不是驅動(dòng)器參數設置的問(wèn)題，而確定為PMAC 與轉臺之間的匹配或PMAC 參數設置的問(wèn)題。經(jīng)仔細查找，發(fā)現編碼器I 變量I7mn6（轉臺軸對于伺服卡號m 為2，通道數n 為4，即為I7246）的設置有可能不正確，I7mn6是控制TURBOPMACⅡ型卡中編碼器接口通道n 的命令輸出信號線(xiàn)的輸出模式，該變量的值可?。?～3），默認值是0，表示第n 通道編碼器信號A、B 和C 是三相直流PWM（脈寬調制）格式輸出。而該系統的編碼器AB 相輸入信號要經(jīng)數模轉換后輸出，其對應的I7246 設置為3，z 重新設置后，單方向漂移問(wèn)題得到了解決。

2.2 閉環(huán)后轉臺漂移問(wèn)題

在Pewin32 中讓轉臺閉環(huán)手動(dòng)運行，用“j/”結束運行后，轉臺不能完全停止，而是沿著(zhù)某個(gè)位置來(lái)回的漂動(dòng)，通過(guò)編碼器反饋顯示，其漂動(dòng)值在±100 個(gè)脈沖左右。執行“HM”命令使轉臺回零，回零運動(dòng)也不能完成，出現同樣的現象。將手放在轉臺上能夠感知到轉臺在左右抖動(dòng)。在開(kāi)環(huán)運行時(shí)沒(méi)有這種情況出現。

根據以上的現象，排除系統連接引起的故障，初步得出是轉臺閉環(huán)系反饋引起的漂移。由于我們的調試環(huán)境不是很好，首先我們想到的是電磁干擾引起編碼器的讀數不準確，從而使得伺服系統驅動(dòng)轉臺一直在目標位置左右來(lái)回移動(dòng)。但我們在沒(méi)有給電機使能時(shí)，通過(guò)Pewin32 觀(guān)察編碼器反饋顯示，其值穩定，如果電磁干擾能引起編碼器的輸出不確定，則電機沒(méi)有使能時(shí)，編碼器反饋顯示應不穩定，故排除了環(huán)境影響引起故障。在尋求技術(shù)支持時(shí)，產(chǎn)品供方提出有可能是驅動(dòng)器內硬件濾波器引起。但經(jīng)分析，因為濾波器應該是必須的，覺(jué)得硬件濾波器引起的可能性不大。最后還是回到PMAC 控制上來(lái)考慮，PMAC 與轉臺之間的匹配沒(méi)有設置正確。經(jīng)過(guò)認真的分析排除，最后得出有可能是伺服IC 的I 變量設置不正確，I7mn0，它是控制在TURBO PMACⅡ型卡中伺服IC 號為m，通道數為n 上的編碼器輸入信號如何譯碼成脈沖數。轉臺對應的是變量是I7240：伺服IC2、4 通道編碼器譯碼，其值可取0～15，默認設置是7，指四倍頻反時(shí)針譯碼。在正交譯碼模式中，PMAC 希望在CHA 和CHB 有兩路波形輸入，每一路能有大約50％的占空比，且彼此之間有大約四分之一周期的相差，四倍頻譯碼使每一個(gè)周期提供四個(gè)脈沖數，我們一直認為設置為7 沒(méi)有錯，因為需要四倍頻譯碼后獲得最大的分辨率。