PMAC控制下的高精度轉(zhuǎn)臺雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試

   PMAC 是一個開放式的運動控制器，它有多種型號，系統(tǒng)使用的是TURBO PMACⅡ型卡，該卡在國內(nèi)的使用不多。用PMAC控制轉(zhuǎn)臺閉環(huán)伺服系統(tǒng)，從理論上來講，伺服環(huán)內(nèi)各元件誤差以及運動中造成的誤差都可以得到補償，因而可以達(dá)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、振動及其它因素的影響，要實現(xiàn)高精度、良好的穩(wěn)定性和快速的動態(tài)響應(yīng)特性，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試有一定的難度。就PMAC 控制的轉(zhuǎn)臺閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試過程中遇到的幾個問題進(jìn)行分析，并提出解決辦法，以供大家借鑒。

1 伺服系統(tǒng)的設(shè)計

    1.1 PMAC 概述

    美國DeltaTau 公司的可編程多軸運動器（PMAC）是世界上功能強大的運動控制器之一，它借助于Motorola 的DSP56001/56002 數(shù)字信號處理器，可以同時操縱1～8 個軸。而且它還可以自動對任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先等級判別，從而進(jìn)行實時的多任務(wù)處理，這使得它在處理時間和任務(wù)切換這方面大大減輕主機和編程器的負(fù)擔(dān)，提高了整個控制系統(tǒng)的運行速度和控制精度。PMAC 具有開放平臺，不僅可以用G 代碼，而且可以用C 或BASIC 語言編程，它能夠?qū)Υ鎯υ谒鼉?nèi)部的程序進(jìn)行單獨的運算，執(zhí)行運動程序、PLC 程序，并可進(jìn)行伺服環(huán)更新，并以串口、總線兩種方式與主計算機進(jìn)行通訊。

    1.2 轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計

    該控制系統(tǒng)由PC（上位機）、PMAC 控制器（下位機）、Dynaserv驅(qū)動器、PARK 的高精度旋轉(zhuǎn)工作臺、測量與反饋系統(tǒng)組成。其控制原理，如圖1 所示。PARK 的高精度旋轉(zhuǎn)工作臺與一般工作臺不同，它的電機是無刷直接驅(qū)動電機，回轉(zhuǎn)工作臺的臺面是電機的轉(zhuǎn)子，沒有了傳動機構(gòu)，這樣就減少了傳動誤差。該系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)采用的是直接驅(qū)動電機，其雙閉環(huán)系統(tǒng)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(nèi)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(zhuǎn)換、速度反饋電路組成，它可以實現(xiàn)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(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

    由于沒有了傳動機構(gòu)，因此安裝在轉(zhuǎn)子上的圓光柵所反饋的值既反映了轉(zhuǎn)臺的實際位置，又反映了電機的輸出，速度環(huán)中該值通過F/V 轉(zhuǎn)換成速度量，F(xiàn)/V 轉(zhuǎn)換是通過計數(shù)的頻率來轉(zhuǎn)換成模擬電壓（一般是以25kHZ/V 的速率轉(zhuǎn)換）。反饋信號是增量式A/B 相正交脈沖信號。控制轉(zhuǎn)臺的是PMACⅡ型卡，系統(tǒng)中的圓盤光柵尺精度高，可達(dá)655360 線/轉(zhuǎn)，當(dāng)PMAC 四倍頻后，其分辨率可達(dá)到2621440 脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)調(diào)試

    對雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試，不但要對控制卡進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，而且要對驅(qū)動器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)調(diào)試中會遇到很多問題，本節(jié)只就其中幾個問題進(jìn)行分析討論。

    2.1 轉(zhuǎn)臺單方向漂移的問題

    在完成系統(tǒng)連接后，我們用PMAC 的調(diào)試軟件Pewin32 進(jìn)行調(diào)試，上電后，轉(zhuǎn)臺開始出現(xiàn)單方向漂移的現(xiàn)象：轉(zhuǎn)臺沿順時針方向以很小的速度移動。在設(shè)置了常用的PMAC 參數(shù)后，單方向漂移問題仍然存在。

    為解決這個問題，我們對有可能的原因一一分析。首先我們懷疑是硬件系統(tǒng)連接引起的，在核對控制線路圖、重新檢查硬件連線后該現(xiàn)象仍然存在。然后我們懷疑是驅(qū)動器的設(shè)置有問題，由于在出廠前其驅(qū)動器dynaserv 可能設(shè)置了一些參數(shù)，為此，我們用park 自帶的調(diào)試軟件DRVGⅡ進(jìn)行調(diào)試，上電后，轉(zhuǎn)臺沒有出現(xiàn)單方向漂移的現(xiàn)象。由此可以推斷出不是驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置的問題，而確定為PMAC 與轉(zhuǎn)臺之間的匹配或PMAC 參數(shù)設(shè)置的問題。經(jīng)仔細(xì)查找，發(fā)現(xiàn)編碼器I 變量I7mn6（轉(zhuǎn)臺軸對于伺服卡號m 為2，通道數(shù)n 為4，即為I7246）的設(shè)置有可能不正確，I7mn6是控制TURBOPMACⅡ型卡中編碼器接口通道n 的命令輸出信號線的輸出模式，該變量的值可取（0～3），默認(rèn)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(diào)制）格式輸出。而該系統(tǒng)的編碼器A&B 相輸入信號要經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出，其對應(yīng)的I7246 設(shè)置為3，z 重新設(shè)置后，單方向漂移問題得到了解決。

    2.2 閉環(huán)后轉(zhuǎn)臺漂移問題

    在Pewin32 中讓轉(zhuǎn)臺閉環(huán)手動運行，用“j/”結(jié)束運行后，轉(zhuǎn)臺不能完全停止，而是沿著某個位置來回的漂動，通過編碼器反饋顯示，其漂動值在±100 個脈沖左右。執(zhí)行“HM”命令使轉(zhuǎn)臺回零，回零運動也不能完成，出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。將手放在轉(zhuǎn)臺上能夠感知到轉(zhuǎn)臺在左右抖動。在開環(huán)運行時沒有這種情況出現(xiàn)。

    根據(jù)以上的現(xiàn)象，排除系統(tǒng)連接引起的故障，初步得出是轉(zhuǎn)臺閉環(huán)系反饋引起的漂移。由于我們的調(diào)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(shù)不準(zhǔn)確，從而使得伺服系統(tǒng)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺一直在目標(biāo)位置左右來回移動。但我們在沒有給電機使能時，通過Pewin32 觀察編碼器反饋顯示，其值穩(wěn)定，如果電磁干擾能引起編碼器的輸出不確定，則電機沒有使能時，編碼器反饋顯示應(yīng)不穩(wěn)定，故排除了環(huán)境影響引起故障。在尋求技術(shù)支持時，產(chǎn)品供方提出有可能是驅(qū)動器內(nèi)硬件濾波器引起。但經(jīng)分析，因為濾波器應(yīng)該是必須的，覺得硬件濾波器引起的可能性不大。最后還是回到PMAC 控制上來考慮，PMAC 與轉(zhuǎn)臺之間的匹配沒有設(shè)置正確。經(jīng)過認(rèn)真的分析排除，最后得出有可能是伺服IC 的I 變量設(shè)置不正確，I7mn0，它是控制在TURBO PMACⅡ型卡中伺服IC 號為m，通道數(shù)為n 上的編碼器輸入信號如何譯碼成脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)臺對應(yīng)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(rèn)設(shè)置是7，指四倍頻反時針譯碼。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周期提供四個脈沖數(shù)，我們一直認(rèn)為設(shè)置為7 沒有錯，因為需要四倍頻譯碼后獲得最大的分辨率。

    PMACⅡ型卡提供了編碼器譯碼方式可以是內(nèi)部脈沖＋方向，其譯碼器輸出的脈沖＋方向信號是由n 通道中的脈沖頻率調(diào)節(jié)器（PFM）輸出電路產(chǎn)生的。它可以產(chǎn)生一個假想的閉環(huán)來驅(qū)動開環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)。我們分析如果將轉(zhuǎn)臺的編碼器譯碼方式設(shè)置為內(nèi)部脈沖＋方向，其譯碼輸出由內(nèi)部脈沖頻率調(diào)節(jié)器（PFM）輸出電路產(chǎn)生，這樣可以避免一些PMAC 與驅(qū)動器間的不匹配。在將I7240 設(shè)置為8（內(nèi)部脈沖＋方向）后，我們將轉(zhuǎn)臺閉環(huán)后，來回漂動現(xiàn)象消除了，用“j＝10000”運行（手動走到絕對位置為10000counts 處）后編碼器反饋顯示為10000counts，沒有了抖動，并且在設(shè)置為內(nèi)部脈沖＋方向后，根據(jù)運行結(jié)果看，其編碼器反饋進(jìn)入PMAC 后也進(jìn)行了四倍頻，分辨率達(dá)到2621440 脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)。到此，該故障得以排除。

    2.3 PID 調(diào)節(jié)

    在系統(tǒng)中，為了獲得良好的穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性，需要對系統(tǒng)的控制環(huán)進(jìn)行校正和調(diào)整，所以當(dāng)系統(tǒng)的基本特性（包括機械傳動、電機選型等）確立后，就需要對系統(tǒng)的控制環(huán)進(jìn)行調(diào)整了。在以PMAC 為核心控制器的系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)它提供的PID＋速度/加速度前饋調(diào)節(jié)器的參數(shù)能解決大部分的系統(tǒng)特性問題，這些參數(shù)包括比例增益（proportional）、積分增益（integral）、微分增益（differential）（即PID 控制）；速度、加速度前饋（feedforward）；摩擦增益等等。典型PID 伺服環(huán)，如圖2 所示。

圖2 典型PID伺服環(huán)

    Pewin32 提供了兩種信號源（脈沖和正弦波信號）進(jìn)行PID調(diào)整，脈沖響應(yīng)過程主要是用來調(diào)整系統(tǒng)的P、I、D 等參數(shù)，而正弦波響應(yīng)主要是用來調(diào)整系統(tǒng)的動態(tài)特性。PID 調(diào)整過程首先將所有運行的運動程序和PLC 程序停止，然后下載自己一段小程序，讓電機轉(zhuǎn)動，實時采集數(shù)據(jù)，繪制出脈沖或正弦響應(yīng)曲線，讓用戶通過響應(yīng)曲線來判斷系統(tǒng)的特性。

    PID 調(diào)整必須在了解各參數(shù)的具體作用，并不斷的實驗，最好是先作脈沖響應(yīng)調(diào)整，主要調(diào)整比例、積分、微分增益，在脈沖響應(yīng)曲線調(diào)整最好的狀態(tài)下，不要更改比例、積分、微分增益，作正弦響應(yīng)調(diào)整，正弦響應(yīng)調(diào)整主要調(diào)整速度、加速度前饋和摩擦增益等參數(shù)，以下對轉(zhuǎn)臺空載的PID 進(jìn)行調(diào)整，在經(jīng)多次調(diào)整后我們得出了各參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)定值。各參數(shù)意義及設(shè)定值，如表1 所示。

表1 PID調(diào)節(jié)參數(shù)意義及設(shè)定值

    在該參數(shù)下，得出脈沖響應(yīng)和正弦響應(yīng)曲線，如圖3 所示。從圖中可以看出，脈沖響應(yīng)曲線中，命令位置和實際位置基本重合，正弦響應(yīng)曲線中指令速度曲線和時間速度曲線已經(jīng)完全重合，速度跟隨誤差很下，幅值只有±4 個脈沖。在該種調(diào)試狀態(tài)下，我們用數(shù)控程序運行轉(zhuǎn)臺時其跟隨誤差只有1 個脈沖計數(shù)，相當(dāng)在圓周上0.5s 角度的誤差，其動態(tài)響應(yīng)已經(jīng)相當(dāng)快了。

圖3 PID調(diào)整曲線

3 結(jié) 論

    對轉(zhuǎn)臺的調(diào)試過程中，一般會遇到許多的問題，總結(jié)起來在調(diào)試時應(yīng)注意：

    （1）硬件連線：仔細(xì)檢查驅(qū)動器與轉(zhuǎn)臺、驅(qū)動器與控制卡之間的連接，編碼器反饋的連接。
    （2）環(huán)境干擾：外界溫度、振動、電磁干擾都可能影響到系統(tǒng)的精度與動態(tài)特性，調(diào)試時應(yīng)有良好的環(huán)境。
    （3）PMAC 參數(shù)的設(shè)置：對于PMAC 卡，由于其型號較多，不同的型號參數(shù)設(shè)置不太一樣，調(diào)試過程中需要仔細(xì)研究其參數(shù)的設(shè)置。
    （4）PID 調(diào)節(jié)：PID 調(diào)節(jié)直接影響到系統(tǒng)特性，PID 參數(shù)調(diào)節(jié)要根據(jù)各參數(shù)的特點，不斷的實驗，找到一個最佳的參數(shù)配置。