基于TMS320F2812的高精度伺服位置環(huán)設計

　　引言

　　機床是裝備制造業(yè)的母機，也是裝備制造業(yè)的引擎。我國“十一五”發(fā)展規劃明確規定：國產(chǎn)數控機床國內市場(chǎng)占有率要達到60%，高端產(chǎn)品與國際先進(jìn)水平的差距縮小到5年以?xún)取?/P>

　　作為數控機床的重要功能部件，永磁同步電機伺服驅動(dòng)裝置是數控機床向高速度、高精度、高效率邁進(jìn)的關(guān)鍵基礎技術(shù)之一。隨著(zhù)新的微處理器、電力電子技術(shù)和傳感器技術(shù)在伺服驅動(dòng)裝置的應用，伺服驅動(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)擴充新的控制算法，速度頻率響應提高到了1.6kHz，具有自動(dòng)測定機械特性，設置所需要的伺服增益功能，實(shí)現了“在線(xiàn)自動(dòng)調整功能”;發(fā)那科公司的新一代驅動(dòng)器則采用了1600萬(wàn)/轉的高分辨率的編碼器，高精度電流檢測，實(shí)現了高速、高精度的伺服HRV (高響應向量)控制算法，伺服電機的最大控制電流減少50%，并減少電機發(fā)熱17%，使得伺服驅動(dòng)裝置可以獲得更高的剛性和過(guò)載能力。國內在高性能伺服驅動(dòng)技術(shù)方面，與國外名牌企業(yè)仍存在較大的差距，已成為制約我國發(fā)展中高檔數控系統產(chǎn)業(yè)的“瓶頸”問(wèn)題。

　　針對舊產(chǎn)品的信號處理時(shí)間長(cháng)，電流與位置信號檢測精度低的不足，本系統以TMS320F2812 DSP為控制器，縮短了信號處理時(shí)間且提高電流采樣精度;位置檢測用多摩川的TS5667N120 17位絕對式編碼器以提高了位置檢測精度。系統在數控加工中心的應用中，具有定位無(wú)超調、高剛性、高速度穩定性，達到了設計指標，可以滿(mǎn)足微米級加工精度的要求。

　　系統硬件設計

　　系統硬件以 TMS320F2812DSP控制器、三菱公司的IPM功率模塊、多摩川公司的TS5667N120 17位絕對式編碼器為主要功能部件，硬件系統框圖如圖1所示。

　　圖1中TMS320F2812 DSP為控制核心，接收來(lái)自CNC、編碼器接口、電流檢測模塊和故障信號處理模塊的信息，完成對永磁同步電機控制和故障處理。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信號送入IPM模塊，完成DC/AC逆變，驅動(dòng)電動(dòng)機旋轉。編碼器接口將絕對式編碼器所記錄的永磁同步電動(dòng)機的磁極位置、電動(dòng)機轉向和編碼器報警等信息送往DSP，同時(shí)將永磁同步電動(dòng)機的位置信息送往CNC。電機相電流經(jīng)電流檢測模塊量測、濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉化為0~3V的電壓信號送入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故障等信號經(jīng)故障檢測模塊檢測與處理后，送入DSP的I/O端口。鍵盤(pán)與顯示模塊是控制器的人機接口，用以完成控制參數的輸入，運行狀態(tài)與運行參數顯示。存儲器模塊用以存儲控制參數與系統故障信息。

　　系統軟件設計

　　按任務(wù)劃分，系統軟件由任務(wù)與任務(wù)管理模塊構成，任務(wù)管理模塊對人機接口、控制算法、加減速控制、故障處理等四個(gè)任務(wù)進(jìn)行調度管理?？刂扑惴ㄖ饕ǎ赫{節器控制算法、矢量控制算法和數字濾波器算法等。

　　按照結構化程序設計方法，遵循“功能獨立”的原則，將系統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，以利于軟件設計、調試、修改和維護。矢量控制軟件設計采用典型的前后臺模式，以主程序作為后臺任務(wù)，中斷服務(wù)程序作為前臺任務(wù)。根據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，把系統的一些測量、鍵盤(pán)處理和顯示等一系列實(shí)時(shí)性不高的任務(wù)放到后臺任務(wù)。

　　主程序是軟件的主體框架，其工作過(guò)程是：系統上電復位后，依次對片內外設進(jìn)行初始化、從E2PROM中讀出控制參數、LED顯示初始信息。初始化完成后，主程序循環(huán)執行LED顯示、鍵盤(pán)處理和參數計算與保存。

　　PWM中斷服務(wù)。在PWM中斷到來(lái)時(shí)，首先讀取編碼信號，進(jìn)行角度和速度計算，接著(zhù)進(jìn)行A/D采樣并執行clark和park變換，然后進(jìn)行PI調節、反park變換，最后進(jìn)入空間矢量模塊，產(chǎn)生PWM信號。

　　控制器算法

　　系統采用三環(huán)控制結構，電流環(huán)、速度環(huán)采用PI控制，位置環(huán)采用比例加前饋補償控制。

　　PID控制算法

　　PID控制算法是控制中最常用的算法，對于大多數的控制對象采用PID控制均能達到滿(mǎn)意的效果。為防止PID調節器出現過(guò)飽和，系統采用帶退飽和的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，Td為PID控制的微分時(shí)間常數，Kc為退飽和時(shí)間常數。

　　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構，如圖3所示，其中Gm為電機的傳遞函數，Gspd為速度環(huán)的傳遞函數，Gpos為位置環(huán)的傳遞函數，Fpos為位置前饋控制器傳遞函數。

　　系統的傳遞函數為：

　　當Fpos(s)=1/(Gspd(s)Gm(s))時(shí)，H(s) =1，則可使輸出完全復現輸入信號，且系統的暫態(tài)和穩態(tài)誤差都為零。其中當速度調節器采用PI控制時(shí)，在位置環(huán)的截止頻率遠小于速度環(huán)的截止頻率時(shí)，速度環(huán)可等效為一個(gè)慣性環(huán)節，電機可等效為一個(gè)積分環(huán)節，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;Yaf為第K個(gè)采樣周期中加速度信號的輸出，Kaf為加速度前饋比例系數。

　　位置前饋中速度項差分方程：

　　式中R(k)為第K個(gè)采樣周期中的位置給定信號;Yaf為第K個(gè)采樣周期中速度信號的輸出，Ksf為速度前饋比例系數。

　　相應的位置環(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;C(k)為第K個(gè)采樣周期中的位置反饋信號，Ye為第K個(gè)采樣周期中位置環(huán)信號的輸出，Kc為位置環(huán)比例系數。

　　絕對式編碼器通信程序

　　絕對式編碼器與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(xiě)，程序結構如圖4所示。此電路完成串行輸入數據到并行輸出數據的轉換，以及并行輸入數據到串行輸出數據的轉換。

　　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位并行數據，并通過(guò)端口DOUT將數據串行輸出到RS-485端口。反過(guò)來(lái)，RX模塊接收串行數據輸入，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轉成脈沖形式輸出，實(shí)現與CNC的連接。

　　實(shí)驗結果分析

　　本設計，應用虛擬儀器技術(shù)設計出實(shí)驗測試平臺，記錄實(shí)驗測試結果。虛擬測試平臺配置如下：軟件NI LabVIEW 8.0，硬件NI M系列多功能數據采集卡PCI-6251，16、NI 計數器/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，系統的加、減速時(shí)間小于200ms;無(wú)位置超調;穩定時(shí)，速度波動(dòng)小于0.1轉。速度頻率響應:大于300Hz;速度波動(dòng)率：小于±0.01%(負載0～100%)、0(電源±10%);調速范圍：0.1rpm~3000rpm;回轉定位精度：1個(gè)脈沖。

　　圖6給出了驅動(dòng)器配國產(chǎn)某品牌加工中心的機械加工結果。實(shí)驗測試數據：上表面表面粗糙度Ra1.6μm;側面(即測量面)的粗糙度Ra3.2μm。

　　結語(yǔ)

　　針對數控機床進(jìn)給控制，采用磁場(chǎng)定向控制與前饋補償控制，以 TMS320F2812DSP 控制器、IPM功率模塊、TS5667N120 17位絕對式編碼器為主要功能部件，設計出的永磁同步電機伺服驅動(dòng)控制器，在數控加工中心的應用中，具有定位無(wú)超調、高剛性、高速度穩定性，達到了設計指標，可以滿(mǎn)足微米級加工精度的要求。