基于AT89C51+DSP的雙CPU伺服運動控制器的研究

1　引　言

近年來,隨著制造業(yè)的不斷進(jìn)步,現(xiàn)代制造業(yè)對精密化、精確化、高速化、自動化發(fā)展的要求越來越高,傳統(tǒng)的運動控制器大部分采用8051系列的8位單片機,這種單片機雖然節(jié)省了開發(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(shè)備[ 1 ] .DSP的數(shù)據(jù)運算和處理功能十分強大,即使在很復(fù)雜的控制系統(tǒng)中,其采樣周期也可以取得很小,控制效果可以接近于連續(xù)系統(tǒng). 把DSP與單片機各自優(yōu)勢相結(jié)合將是高性能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢. 本文針對數(shù)控系統(tǒng)的要求,開發(fā)了以TI公司的高性能浮點DSP和ATMEL公司的AT89C51為主控芯片的運動控制器. 它以嵌入式工業(yè)PC作為基本平臺,通過PCI接口與嵌入式工業(yè)PC協(xié)調(diào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,并以DSP高速運動控制卡作細(xì)插補和伺服控制的核心,來對永磁同步電動機的運動進(jìn)行控制,取得了良好的應(yīng)用效果.

2　HANUC CNC2000 i系統(tǒng)

HANUC CNC2000 i系統(tǒng)控制框圖如圖1所示,系統(tǒng)主要包括嵌入式PC、操作面板、運動控制模塊、彩顯、輸入/輸出模塊、數(shù)控鍵盤、DNC模塊幾部分.為實現(xiàn)高速、高精確度曲面輪廓精加工,必須提高微段輪廓線的解釋執(zhí)行能力和伺服驅(qū)動特性,為了保證零件程序的傳送、插補、加減速控制等的連續(xù)處理, CNC應(yīng)具備足夠高的數(shù)據(jù)處理能力. 但普通的PC機在工業(yè)現(xiàn)場控制中,存在體積大、功耗高、可靠性差等缺點. 基于這種情況, 嵌入式工業(yè)微機———PCl04總線模塊應(yīng)運而生.

圖1 HANUC CNC2000i數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)的嵌入式PC采用Intel80486處理器,內(nèi)置32M緩存,MS - DOS操作系統(tǒng). 與傳統(tǒng)的工業(yè)PC相比,其32M緩存保證了數(shù)控系統(tǒng)加工時的快速性和精確性. 因為,在加工的時候,緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)段直接和后續(xù)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(zhí)行起來也越快,并且還能進(jìn)行小線段插補,充分保證了加工的精確度. 與其相連的DNC模塊可通過RS232接口與上位機通信,使得整個系統(tǒng)具有良好的開放性.運動控制模塊是本系統(tǒng)的核心,它以智能功率模塊為開關(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,編碼器將實際工作情況通過伺服放大器返回給運動控制模塊,這種閉環(huán)控制模式充分保證了加工精確度. 通過正、負(fù)限位開關(guān)防止“飛車”、失控等危險事故發(fā)生. 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

TMSLF2407是用來實現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、SVP2WM信號發(fā)生、故障檢測、保護(hù)、信號處理及實時性比較高的矢量控制和閉環(huán)控制. 用單片機完成實時性要求比較低的管理任務(wù),如I/O接口管理、鍵盤處理、顯示、串行通訊等. FPGA 用于AT89C51與DSP之間的數(shù)據(jù)交換. 且系統(tǒng)可支持模擬速度輸入、數(shù)字速度輸入、脈沖輸入及通過上位機進(jìn)行控制等功能.

3　空間電壓矢量脈寬調(diào)制原理

在全數(shù)字控制的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中,通常采用數(shù)字脈寬調(diào)制方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬脈寬調(diào)制.而在眾多的脈寬調(diào)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機的諧波損耗,降低脈動轉(zhuǎn)矩,且其控制簡單,數(shù)字化實現(xiàn)方便,電壓利用率高,已有取代傳統(tǒng)SPWM的趨勢.

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

在一個完整的調(diào)制周期Ts 內(nèi), 除了Tk 和Tk+1的導(dǎo)通時間外, 其余為0 狀態(tài)時間. 0 狀態(tài)時間T0 由兩個自由輪換狀態(tài)時間T7 和T8 用等式表示為

T0 =T7+T8 =Ts-Tk-Tk+1 (2)

由于0狀態(tài)存在于每一個區(qū)域內(nèi),一般發(fā)生在每個調(diào)制周期的開始和結(jié)束時, 總的0狀態(tài)時間一般分成兩個相同的0狀態(tài)時間,即

T7 = T8 =T0/2(3)

以便獲得對稱的空間矢量脈寬調(diào)制信號.依據(jù)式( 1 ) ～ ( 3 ) 可得到對應(yīng)電壓空間矢量

V*Sref在0 <θ<π/3

扇區(qū)內(nèi)雙邊空間矢量脈寬調(diào)制的逆變器開關(guān)信號,如圖3所示.

類似的方法可以計算出電壓參考信號V*Sref在其他5區(qū)域內(nèi)雙邊空間矢量脈寬調(diào)制的三相逆變器開關(guān)時間,如表1所示.

圖5 數(shù)據(jù)處理模塊子程序框圖

5　實驗研究

伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié),伺服系統(tǒng)的性能,在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能. 本文在一臺HANUC CNC2000 i系統(tǒng)中進(jìn)行了實驗研究, 給出了其中一軸的伺服性能波形圖。圖8和圖9給出了CNC2000 i系統(tǒng)的加工程序的X 軸交流伺服系統(tǒng)的性能波形, 5個通道分別為速度指令n (單位: r /min) , 反饋速度n (單位: r /min) ,轉(zhuǎn)矩圖形誤差e (% ) ,零偏差U (單位: V) ,定位完成信號S (單位:V) .從實測波形圖中可以看出,該伺服系統(tǒng)具有良好的位置跟蹤性和準(zhǔn)確的定位控制精確度.

圖6 總線控制模塊流程圖

圖7 參數(shù)管理模塊流程圖

6　結(jié)　語

由于采用單片機與DSP配合,系統(tǒng)的運算和實時處理的能力大大增強,可以適應(yīng)多坐標(biāo)軸、高速度、高精確度的數(shù)控系統(tǒng),實現(xiàn)單處理器系統(tǒng)難以實現(xiàn)的功能. 與由單處理器完成所有任務(wù)的情況相比,該方法允許較短的插補周期,實現(xiàn)更高的進(jìn)給和伺服控制精確度. 并經(jīng)實驗證明該伺服運動控制器反向速度快、定位時間短、轉(zhuǎn)矩恒定,具有良好的線性調(diào)速特性及動態(tài)性能.