基于DSP的高精度伺服位置環(huán)設(shè)計方案

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(guī)劃明確規(guī)定：國產(chǎn)數(shù)控機床國內(nèi)市場占有率要達到60%，高端產(chǎn)品與國際先進水平的差距縮小到5年以內(nèi)。
作為數(shù)控機床的重要功能部件，永磁同步電機伺服驅(qū)動裝置是數(shù)控機床向高速度、高精度、高效率邁進的關(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)動裝置的應(yīng)用，伺服驅(qū)動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，以及通過擴充新的控制算法，速度頻率響應(yīng)提高到了1.6kHz，具有自動測定機械特性，設(shè)置所需要的伺服增益功能，實現(xiàn)了“在線自動調(diào)整功能”;發(fā)那科公司的新一代驅(qū)動器則采用了1600萬/轉(zhuǎn)的高分辨率的編碼器，高精度電流檢測，實現(xiàn)了高速、高精度的伺服HRV(高響應(yīng)向量)控制算法，伺服電機的最大控制電流減少50%，并減少電機發(fā)熱17%，使得伺服驅(qū)動裝置可以獲得更高的剛性和過載能力。國內(nèi)在高性能伺服驅(qū)動技術(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(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的“瓶頸”問題。
針對舊產(chǎn)品的信號處理時間長，電流與位置信號檢測精度低的不足，本系統(tǒng)以TMS320F2812 DSP為控制器，縮短了信號處理時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(tǒng)在數(shù)控加工中心的應(yīng)用中，具有定位無超調(diào)、高剛性、高速度穩(wěn)定性，達到了設(shè)計指標(biāo)，可以滿足微米級加工精度的要求。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
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(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)。編碼器接口將絕對式編碼器所記錄的永磁同步電動機的磁極位置、電動機轉(zhuǎn)向和編碼器報警等信息送往DSP，同時將永磁同步電動機的位置信息送往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(zhuǎn)化為0~3V的電壓信號送入DSP的A/D引腳。功率主電路的過壓、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。鍵盤與顯示模塊是控制器的人機接口，用以完成控制參數(shù)的輸入，運行狀態(tài)與運行參數(shù)顯示。存儲器模塊用以存儲控制參數(shù)與系統(tǒng)故障信息。

系統(tǒng)軟件設(shè)計
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)管理模塊對人機接口、控制算法、加減速控制、故障處理等四個任務(wù)進行調(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)計方法，遵循“功能獨立”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、調(diào)試、修改和維護。矢量控制軟件設(shè)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(jù)矢量控制算法的特點，中斷服務(wù)程序只處理實時性高的PWM控制子程序，把系統(tǒng)的一些測量、鍵盤處理和顯示等一系列實時性不高的任務(wù)放到后臺任務(wù)。
主程序是軟件的主體框架，其工作過程是：系統(tǒng)上電復(fù)位后，依次對片內(nèi)外設(shè)進行初始化、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)計算與保存。
PWM中斷服務(wù)。在PWM中斷到來時，首先讀取編碼信號，進行角度和速度計算，接著進行A/D采樣并執(zhí)行clark和park變換，然后進行PI調(diào)節(jié)、反park變換，最后進入空間矢量模塊，產(chǎn)生PWM信號。
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(shù)的控制對象采用PID控制均能達到滿意的效果。為防止PID調(diào)節(jié)器出現(xiàn)過飽和，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控制的積分時間常數(shù)，Td為PID控制的微分時間常數(shù)，Kc為退飽和時間常數(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，H(s)=1，則可使輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入信號，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，在位置環(huán)的截止頻率遠小于速度環(huán)的截止頻率時，速度環(huán)可等效為一個慣性環(huán)節(jié)，電機可等效為一個積分環(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差分方程：

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

式中R(k)為第K個采樣周期中的位置給定信號;Yaf為第K個采樣周期中速度信號的輸出，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個采樣周期中的位置給定信號;C(k)為第K個采樣周期中的位置反饋信號，Ye為第K個采樣周期中位置環(huán)信號的輸出，Kc為位置環(huán)比例系數(shù)。
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為時鐘分頻器，TX模塊接收來自微處理器接口模塊MP的8位并行數(shù)據(jù)，并通過端口DOUT將數(shù)據(jù)串行輸出到RS-485端口。反過來，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模塊同時將接收到的位置信號轉(zhuǎn)成脈沖形式輸出，實現(xiàn)與CNC的連接。

實驗結(jié)果分析
本設(shè)計，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計出實驗測試平臺，記錄實驗測試結(jié)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(shù)據(jù)采集卡PCI-6251，16、NI 計數(shù)器/定時器PCI-6602。
圖5給出了加工過程中的速度波形。圖5表明，系統(tǒng)的加、減速時間小于200ms;無位置超調(diào);穩(wěn)定時，速度波動小于0.1轉(zhuǎn)。速度頻率響應(yīng):大于300Hz;速度波動率：小于±0.01%(負載0～100%)、0(電源±10%);調(diào)速范圍：0.1rpm~3000rpm;回轉(zhuǎn)定位精度：1個脈沖。

圖6給出了驅(qū)動器配國產(chǎn)某品牌加工中心的機械加工結(jié)果。實驗測試數(shù)據(jù)：上表面表面粗糙度Ra1.6μm;側(cè)面(即測量面)的粗糙度Ra3.2μm。

結(jié)語
針對數(shù)控機床進給控制，采用磁場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(shè)計出的永磁同步電機伺服驅(qū)動控制器，在數(shù)控加工中心的應(yīng)用中，具有定位無超調(diào)、高剛性、高速度穩(wěn)定性，達到了設(shè)計指標(biāo)，可以滿足微米級加工精度的要求。