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?？刂妻D(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?。?～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AB 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。