基于A(yíng)T89C51+DSP的雙CPU伺服運動(dòng)控制器的研究

　　1　引　言

　　近年來(lái),隨著(zhù)制造業(yè)的不斷進(jìn)步,現代制造業(yè)對精密化、精確化、高速化、自動(dòng)化發(fā)展的要求越來(lái)越高,傳統的運動(dòng)控制器大部分采用8051系列的8位單片機,這種單片機雖然節省了開(kāi)發(fā)周期,但缺乏靈活性,且運算能力有限,難以勝任高要求運作設備[ 1 ] .DSP的數據運算和處理功能十分強大,即使在很復雜的控制系統中,其采樣周期也可以取得很小,控制效果可以接近于連續系統. 把DSP與單片機各自?xún)?yōu)勢相結合將是高性能數控系統的發(fā)展趨勢. 本文針對數控系統的要求,開(kāi)發(fā)了以TI公司的高性能浮點(diǎn)DSP和ATMEL公司的AT89C51為主控芯片的運動(dòng)控制器. 它以嵌入式工業(yè)PC作為基本平臺,通過(guò)PCI接口與嵌入式工業(yè)PC協(xié)調并進(jìn)行數據交換,并以DSP高速運動(dòng)控制卡作細插補和伺服控制的核心,來(lái)對永磁同步電動(dòng)機的運動(dòng)進(jìn)行控制,取得了良好的應用效果.

　　2　HANUC CNC2000 i系統

　　HANUC CNC2000 i系統控制框圖如圖1所示,系統主要包括嵌入式PC、操作面板、運動(dòng)控制模塊、彩顯、輸入/輸出模塊、數控鍵盤(pán)、DNC模塊幾部分.為實(shí)現高速、高精確度曲面輪廓精加工,必須提高微段輪廓線(xiàn)的解釋執行能力和伺服驅動(dòng)特性,為了保證零件程序的傳送、插補、加減速控制等的連續處理, CNC應具備足夠高的數據處理能力. 但普通的PC機在工業(yè)現場(chǎng)控制中,存在體積大、功耗高、可靠性差等缺點(diǎn). 基于這種情況, 嵌入式工業(yè)微機———PCl04總線(xiàn)模塊應運而生.

圖1 HANUC CNC2000i數控系統結構框圖

　　本系統的嵌入式PC采用Intel80486處理器,內置32M緩存,MS - DOS操作系統. 與傳統的工業(yè)PC相比,其32M緩存保證了數控系統加工時(shí)的快速性和精確性. 因為,在加工的時(shí)候,緩存內的數據段直接和后續的譯碼程序相關(guān)聯(lián),所以緩存的容量越大,所存儲的程序越多,執行起來(lái)也越快,并且還能進(jìn)行小線(xiàn)段插補,充分保證了加工的精確度. 與其相連的DNC模塊可通過(guò)RS232接口與上位機通信,使得整個(gè)系統具有良好的開(kāi)放性.運動(dòng)控制模塊是本系統的核心,它以智能功率模塊為開(kāi)關(guān)器件,以TMSLF2407 +AT89C51為硬件控制核心,采用空間矢量控制方法. 它發(fā)出控制命令給伺服放大器,伺服放大器得到信號后發(fā)出指令控制交流永磁伺服電機,編碼器將實(shí)際工作情況通過(guò)伺服放大器返回給運動(dòng)控制模塊,這種閉環(huán)控制模式充分保證了加工精確度. 通過(guò)正、負限位開(kāi)關(guān)防止“飛車(chē)”、失控等危險事故發(fā)生. 交流伺服驅動(dòng)系統的結構如圖2所示.

圖2 交流伺服驅動(dòng)系統結構圖

　　TMSLF2407是用來(lái)實(shí)現電流環(huán)、速度環(huán)、SVP2WM信號發(fā)生、故障檢測、保護、信號處理及實(shí)時(shí)性比較高的矢量控制和閉環(huán)控制. 用單片機完成實(shí)時(shí)性要求比較低的管理任務(wù),如I/O接口管理、鍵盤(pán)處理、顯示、串行通訊等. FPGA 用于A(yíng)T89C51與DSP之間的數據交換. 且系統可支持模擬速度輸入、數字速度輸入、脈沖輸入及通過(guò)上位機進(jìn)行控制等功能.

　　3　空間電壓矢量脈寬調制原理

　　在全數字控制的交流伺服驅動(dòng)系統中,通常采用數字脈寬調制方法來(lái)代替傳統的模擬脈寬調制.而在眾多的脈寬調制技術(shù)中,空間電壓矢量是一種優(yōu)化的PWM技術(shù),能明顯減小逆變器輸出電流的諧波成分及電動(dòng)機的諧波損耗,降低脈動(dòng)轉矩,且其控制簡(jiǎn)單,數字化實(shí)現方便,電壓利用率高,已有取代傳統SPWM的趨勢.

　　在本文中, Tk 和Tk+1分別為在逆變器相鄰兩個(gè)工作狀態(tài)Vsk和Vsk+1下的導通時(shí)間,表示為

　　在一個(gè)完整的調制周期Ts 內, 除了Tk 和Tk+1的導通時(shí)間外, 其余為0 狀態(tài)時(shí)間. 0 狀態(tài)時(shí)間T0 由兩個(gè)自由輪換狀態(tài)時(shí)間T7 和T8 用等式表示為

　　T0 =T7+T8 =Ts-Tk-Tk+1 (2)

　　由于0狀態(tài)存在于每一個(gè)區域內,一般發(fā)生在每個(gè)調制周期的開(kāi)始和結束時(shí), 總的0狀態(tài)時(shí)間一般分成兩個(gè)相同的0狀態(tài)時(shí)間,即

　　T7 = T8 =T0/2(3)

　　以便獲得對稱(chēng)的空間矢量脈寬調制信號.依據式( 1 ) ～ ( 3 ) 可得到對應電壓空間矢量

　　V*Sref在0 <θ<π/3

　　扇區內雙邊空間矢量脈寬調制的逆變器開(kāi)關(guān)信號,如圖3所示.

　　類(lèi)似的方法可以計算出電壓參考信號V*Sref在其他5區域內雙邊空間矢量脈寬調制的三相逆變器開(kāi)關(guān)時(shí)間,如表1所示.