基于DSP高精度伺服位置環設計

　　引言

　　機床是裝備制造業的母機，也是裝備制造業的引擎。我國“十一五”發展規劃明確規定：國產數控機床國內市場占有率要達到60%，高端產品與國際先進水平的差距縮小到5年以內。

　　作為數控機床的重要功能部件，永磁同步電機伺服驅動裝置是數控機床向高速度、高精度、高效率邁進的關鍵基礎技術之一。隨著新的微處理器、電力電子技術和傳感器技術在伺服驅動裝置的應用，伺服驅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，速度頻率響應提高到了1.6kHz，具有自動測定機械特性，設置所需要的伺服增益功能，實現了“在線自動調整功能”;發那科公司的新一代驅動器則采用了1600萬/轉的高分辨率的編碼器，高精度電流檢測，實現了高速、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%，并減少電機發熱17%，使得伺服驅動裝置可以獲得更高的剛性和過載能力。國內在高性能伺服驅動技術方面，與國外名牌企業仍存在較大的差距，已成為制約我國發展中高檔數控系統產業的“瓶頸”問題。

　　針對舊產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。系統在數控加工中心的應用中，具有定位無超調、高剛性、高速度穩定性，達到了設計指標，可以滿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發出的SVPWM信號送入IPM模塊，完成DC/AC逆變，驅動電動機旋轉。編碼器接口將絕對式編碼器所記錄的永磁同步電動機的磁極位置、電動機轉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。功率主電路的過壓、欠壓、短路、電源掉電和IPM故障等信號經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，用以完成控制參數的輸入，運行狀態與運行參數顯示。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

　　按任務劃分，系統軟件由任務與任務管理模塊構成，任務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進行調度管理。控制算法主要包括：調節器控制算法、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，中斷服務程序作為前臺任務。根據矢量控制算法的特點，中斷服務程序只處理實時性高的PWM控制子程序，把系統的一些測量、鍵盤處理和顯示等一系列實時性不高的任務放到后臺任務。

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

　　PWM中斷服務。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采樣并執行clark和park變換，然后進行PI調節、反park變換，最后進入空間矢量模塊，產生PWM信號。

　　控制器算法

　　系統采用三環控制結構，電流環、速度環采用PI控制，位置環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控制均能達到滿意的效果。為防止PID調節器出現過飽和，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控制的積分時間常數，Td為PID控制的微分時間常數，Kc為退飽和時間常數。

　　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為速度環的傳遞函數，Gpos為位置環的傳遞函數，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，H(s) =1，則可使輸出完全復現輸入信號，且系統的暫態和穩態誤差都為零。其中當速度調節器采用PI控制時，在位置環的截止頻率遠小于速度環的截止頻率時，速度環可等效為一個慣性環節，電機可等效為一個積分環節，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。

　　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。

　　相應的位置環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信號的輸出，Kc為位置環比例系數。

　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語言編寫，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位并行數據，并通過端口DOUT將數據串行輸出到RS-485端口。反過來，RX模塊接收串行數據輸入，并以8位并行格式發送至MP模塊，MP模塊同時將接收到的位置信號轉成脈沖形式輸出，實現與CNC的連接

　　實驗結果分析

　　本設計，應用虛擬儀器技術設計出實驗測試平臺，記錄實驗測試結果。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/定時器PCI-6602。

　　圖5給出了加工過程中的速度波形。圖5表明，系統的加、減速時間小于200ms;無位置超調;穩定時，速度波動小于0.1轉。速度頻率響應:大于300Hz;速度波動率：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個脈沖。

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

　　結語

　　針對數控機床進給控制，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，設計出的永磁同步電機伺服驅動控制器，在數控加工中心的應用中，具有定位無超調、高剛性、高速度穩定性，達到了設計指標，可以滿足微米級加工精度的要求。