工業(yè)控制之伺服系統(tǒng)精選開(kāi)發(fā)資料

　　伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)、分類及發(fā)展方向

　　伺服電機(jī)（servomotor）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無(wú)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。

　　數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的作用在于接受來(lái)自數(shù)控裝置的指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件跟隨指令脈沖運(yùn)動(dòng)，并保證動(dòng)作的快速和準(zhǔn)確，這就要求高質(zhì)量的速度和位置伺服。以上指的主要是進(jìn)給伺服控制，另外還有對(duì)主運(yùn)動(dòng)的伺服控制，不過(guò)控制要求不如前者高。數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)往往主要取決于伺服系統(tǒng)。

　　一、伺服系統(tǒng)的基本要求和特點(diǎn)

　　1.對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求

　?。?）穩(wěn)定性好：穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后到達(dá)新的或者回復(fù)到原有平衡狀態(tài)。

　?。?）精度高：伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能跟隨輸入量的精確程度。作為精密加工的數(shù)控機(jī)床，要求的定位精度或輪廓加工精度通常都比較高，允許的偏差一般都在0.01～0.00lmm之間。

　?。?）快速響應(yīng)性好：快速響應(yīng)性是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的標(biāo)志之一，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，一方面要求過(guò)渡過(guò)程時(shí)間短，一般在200ms(＄1.2528)以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒；另一方面，為滿足超調(diào)要求，要求過(guò)渡過(guò)程的前沿陡，即上升率要大。

　　2、伺服系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

　?。?）精確的檢測(cè)裝置：以組成速度和位置閉環(huán)控制。

　?。?）有多種反饋比較原理與方法：根據(jù)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)信息反饋的原理不同，伺服系統(tǒng)反饋比較的方法也不相同。目前常用的有脈沖比較、相位比較和幅值比較3種。

　?。?）高性能的伺服電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱伺服電機(jī)）：用于高效和復(fù)雜型面加工的數(shù)控機(jī)床，伺服系統(tǒng)將經(jīng)常處于頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中。要求電機(jī)的輸出力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的比值大，以產(chǎn)生足夠大的加速或制動(dòng)力矩。要求伺服電機(jī)在低速時(shí)有足夠大的輸出力矩且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，以便在與機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分連接中盡量減少中間環(huán)節(jié)。

　　（4）寬調(diào)速范圍的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即速度伺服系統(tǒng)：從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)看，數(shù)控機(jī)床的位置閉環(huán)系統(tǒng)可看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，其內(nèi)部的實(shí)際工作過(guò)程是把位置控制輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號(hào)后，再通過(guò)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際位移。數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)要求調(diào)速性能也比較高，因此要求伺服系統(tǒng)為高性能的寬調(diào)速系統(tǒng)。

　　二、伺服系統(tǒng)的分類

　　伺服系統(tǒng)按其驅(qū)動(dòng)元件劃分，有步進(jìn)式伺服系統(tǒng)、直流電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱直流電機(jī)）伺服系統(tǒng)、交流電動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱交流電機(jī)）伺服系統(tǒng)。按控制方式劃分，有開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)等，實(shí)際上數(shù)控系統(tǒng)也分成開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)3種類型，就是與伺服系統(tǒng)這3種方式相關(guān)。

　　1、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)

　　開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，它主要由驅(qū)動(dòng)電路，執(zhí)行元件和機(jī)床3大部分組成。常用的執(zhí)行元件是步進(jìn)電機(jī)，通常稱以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)為步進(jìn)式伺服系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，如果是大功率驅(qū)動(dòng)時(shí)，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件。驅(qū)動(dòng)電路的主要任務(wù)是將指令脈沖轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件所需的信號(hào)。

　　2、閉環(huán)系統(tǒng)

　　閉環(huán)系統(tǒng)主要由執(zhí)行元件、檢測(cè)單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)電路和機(jī)床5部分組成。其構(gòu)成框圖如圖2所示。在閉環(huán)系統(tǒng)中，檢測(cè)元件將機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋給比較環(huán)節(jié)。常見(jiàn)的檢測(cè)元件有旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁柵和編碼盤等。通常把安裝在絲杠上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為半閉環(huán)系統(tǒng)；把安裝在工作臺(tái)上的檢測(cè)元件組成的伺服系統(tǒng)稱為閉環(huán)系統(tǒng)。由于絲杠和工作臺(tái)之間傳動(dòng)誤差的存在，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度要比閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低一些。

　　比較環(huán)節(jié)的作用是將指令信號(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路，控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，直到跟隨誤差為零。根據(jù)進(jìn)入比較環(huán)節(jié)信號(hào)的形式以及反饋檢測(cè)方式，閉環(huán)（半閉環(huán)）系統(tǒng)可分為脈沖比較伺服系統(tǒng)、相位比較伺服系統(tǒng)和幅值比較伺服系統(tǒng)3種。

　　由于比較環(huán)節(jié)輸出的信號(hào)比較微弱，不足以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件，故需對(duì)其進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)電路正是為此而設(shè)置的。

　　執(zhí)行元件的作用是根據(jù)控制信號(hào)，即來(lái)自比較環(huán)節(jié)的跟隨誤差信號(hào)，將表示位移量的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移。常用的執(zhí)行元件有直流寬調(diào)速電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)等。執(zhí)行元件是伺服系統(tǒng)中必不可少的一部分，驅(qū)動(dòng)電路是隨執(zhí)行元件的不同而不同的。

　　最近，我校研制開(kāi)發(fā)出了高性能交流伺服（數(shù)控機(jī)床）控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，可廣泛應(yīng)用于數(shù)碼雕刻，包裝機(jī)械，模具生產(chǎn)等工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)合，更適用于高等學(xué)校機(jī)電一體化，電子電器，電氣自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生（研究生）生產(chǎn)實(shí)習(xí)，課程設(shè)計(jì)等課程的實(shí)驗(yàn)研究。

　　三、伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向

　　隨著生產(chǎn)力不斷發(fā)展，要求伺服系統(tǒng)向高精度、高速度、大功率方向發(fā)展。

　?。?）充分利用迅速發(fā)展的電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用數(shù)字式伺服系統(tǒng)，利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，增強(qiáng)軟件控制功能，排除模擬電路的非線性誤差和調(diào)整誤差以及溫度漂移等因素的影響，這可大大提高伺服系統(tǒng)的性能，并為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制創(chuàng)造條件。

　　（2）開(kāi)發(fā)高精度、快速檢測(cè)元件。

　?。?）開(kāi)發(fā)高性能的伺服電機(jī)（執(zhí)行元件）。目前交流伺服電機(jī)的變速比已達(dá)1∶10000(＄0.1000)，使用日益增多。無(wú)刷電機(jī)因無(wú)電刷和換向片零部件，加速性能要比直流伺服電機(jī)高兩倍，維護(hù)也較方便，常用于高速數(shù)控機(jī)床。

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　　機(jī)器視覺(jué)技術(shù)資料匯總——讓機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品設(shè)計(jì)練就慧眼神通！

　　接下來(lái)為大家介紹在工業(yè)中伺服系統(tǒng)的幾種設(shè)計(jì)方案，以供參考。

　　基于MSP430(＄2.0250)的變頻伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　近年來(lái)，伺服系統(tǒng)的發(fā)展始終以穩(wěn)定性、響應(yīng)性與精度為發(fā)展主軸，這也是用戶在使用過(guò)程中最為看重的幾大因素。在機(jī)床伺服系統(tǒng)、機(jī)器人控制系統(tǒng)、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)等場(chǎng)合大都由直流伺服電機(jī)和直流伺服控制器來(lái)完成控制。在這些控制領(lǐng)域中，主要以負(fù)載的位置或角度等為控制對(duì)象的伺服控制系統(tǒng)。隨著變頻器技術(shù)的高速發(fā)展，在伺服系統(tǒng)中交流變頻傳動(dòng)因其功率因數(shù)高、反應(yīng)速度快、精度高、適合在惡劣環(huán)境中使用等優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文提出一種基于高性能單片機(jī)MSP430(＄2.0250)F149、變頻器、變頻電機(jī)組成的數(shù)字式變頻伺服系統(tǒng)，并將數(shù)字PID算法引入到此系統(tǒng)中，使系統(tǒng)獲得了良好的系統(tǒng)靜、動(dòng)態(tài)性能。

　　1變頻伺服系統(tǒng)的功能

　　為達(dá)到變頻伺服系統(tǒng)的運(yùn)行可靠、良好的靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)的性能要求，其功能如下：

　　1）精確的伺服控制功能

　　高精度、高速度、大功率是伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)采用高速單片機(jī)作為核心控制器，對(duì)變頻器進(jìn)行控制，使伺服系統(tǒng)的控制達(dá)到更高的精度。

　　2）通信功能

　　單片機(jī)與上位機(jī)之間必須確保通信的正常與正確，單片機(jī)將接收到來(lái)自上位機(jī)的控制命令與采樣到的反饋信號(hào)相比較得到偏移控制量，只有得到相應(yīng)的偏移量，單片機(jī)才對(duì)變頻器輸出相應(yīng)控制信號(hào)。

　　3）反饋量精確采集功能

　　反饋量采集的精確度直接關(guān)系到控制精度，系統(tǒng)采用變M/T方法對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速采樣，采樣精度較M法、T法更加精確，從而確保了更加精確的控制。

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430(＄2.0250)F149為核心控制器［2］，集成變頻器、變頻電機(jī)、采樣編碼器以及PC上位機(jī)組成。其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)框圖

　　其控制過(guò)程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)MSP430(＄2.0250)F149控制協(xié)調(diào)系統(tǒng)各功能模塊工作；PC上位機(jī)通過(guò)串口UART0將控制信號(hào)傳輸給MSP430(＄2.0250)F149，單片機(jī)通過(guò)對(duì)反饋信號(hào)采樣后進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)與來(lái)自上位機(jī)的控制信號(hào)相互比較，得到誤差量，再將誤差量經(jīng)過(guò)相應(yīng)的運(yùn)算得到伺服系統(tǒng)控制量；MSP430(＄2.0250)F149將得到控制量通過(guò)串口UART1直接轉(zhuǎn)換成RS485(＄49.9800)信號(hào)輸出至變頻器，變頻器根據(jù)接收到的控制信號(hào)產(chǎn)生變頻變壓的電源信號(hào)以驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成期望動(dòng)作；同時(shí)上位機(jī)通過(guò)MSP430(＄2.0250)F149的串口UART0獲取變頻電機(jī)的速度、系統(tǒng)參數(shù)等形成打印報(bào)表，為操作人員良好人機(jī)操作界面。

　　2.1單片機(jī)單元

　　MSP430(＄2.0250)F149是變頻交流伺服系統(tǒng)的核心控制器，完成系統(tǒng)控制信號(hào)與測(cè)量信號(hào)的傳遞及復(fù)雜的控制決策，協(xié)調(diào)各模塊進(jìn)行工作，操作控制指令的接收與識(shí)別。此單片機(jī)是一種超低功耗微控器，采用16位的體系結(jié)構(gòu)，16位的CPU集成寄存器和常數(shù)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了最大化的代碼效率。包括2個(gè)內(nèi)置16 位的定時(shí)器、一個(gè)快速12位A/D轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)通用串行同步異步通訊接口和48個(gè)I/O端口，片內(nèi)包含60KFLASHROM和2KBRAM。本設(shè)計(jì)是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和傳輸。MSP430(＄2.0250)F149中60KFLASH存儲(chǔ)器可滿足系統(tǒng)程序?qū)洿鎯?chǔ)空間的需要，內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（2K）保證了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸，48個(gè)數(shù)字外設(shè)端口方便地實(shí)現(xiàn)了與外圍器件的數(shù)據(jù)傳輸與控制，16位的體系結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)能夠完成復(fù)雜的控制決策，而雙串口UART則滿足了控制器與上位機(jī)及變頻器的實(shí)時(shí)通信需要。

　　2.2光電編碼器及變M/T測(cè)速M(fèi)SP430(＄2.0250)F149內(nèi)部實(shí)現(xiàn)

　　伺服系統(tǒng)的精度控制主要取決于電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的測(cè)量精度，本系統(tǒng)采用增量式光電編碼器作為電機(jī)轉(zhuǎn)速為檢測(cè)元件。比較常見(jiàn)的電編碼器測(cè)速方法有M 法、T法和M/T法。M法是在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)，測(cè)量光電編碼器輸出的脈沖數(shù)量來(lái)獲得被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的速度值，適合高速測(cè)量場(chǎng)合。T法測(cè)量是測(cè)量相鄰兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間來(lái)確定被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速速度的方法，此方法在高速場(chǎng)合測(cè)量時(shí)精確度性較差，因此一般只適用于低速測(cè)量的場(chǎng)合。M/T法是通過(guò)同時(shí)測(cè)量檢測(cè)時(shí)間和在此檢測(cè)時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的脈沖數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)速。在整個(gè)速度范圍內(nèi)有著較好的測(cè)速精度，但在低速時(shí)隨著頻率的降低，需要較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間，無(wú)法滿足伺服系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)［2］。近年來(lái)變M/T測(cè)速方法逐漸被使用，是指在測(cè)速過(guò)程中，不僅檢測(cè)光電編碼器脈沖M1和高頻時(shí)鐘脈沖M2隨電機(jī)轉(zhuǎn)速不同而變化，而且檢測(cè)時(shí)間Tg也在變化，它始終等于光電編碼器M1個(gè)脈沖周期之和（測(cè)速原理如圖2所示）。Tg的大小由高頻時(shí)鐘脈沖M2計(jì)取，則電機(jī)速度計(jì)可由以下公式確定 ［3］。

　　式中：M1為預(yù)置脈沖數(shù)；M2為高頻時(shí)鐘脈沖數(shù)；fc為高頻時(shí)鐘頻率；λ為光電編碼器倍頻系數(shù)；P為光電編碼器線數(shù)。

　　圖2 變M/T法測(cè)速原理

　　在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)變M/T法的檢測(cè)時(shí)間Tg明顯比M/T法檢測(cè)時(shí)間要短，由此可見(jiàn)用變M/T法轉(zhuǎn)速測(cè)量能夠滿足控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量的精度及實(shí)時(shí)性的要求。

　　利用MSP430(＄2.0250)F149內(nèi)部定時(shí)器A和B可以完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變M/T法的測(cè)量，可以簡(jiǎn)化外圍電路的設(shè)計(jì)，減小了系統(tǒng)功耗。定時(shí)器A對(duì)外部光電編碼器脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，定時(shí)器B對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部高頻時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)；定時(shí)器A工作于16位計(jì)數(shù)方式，將測(cè)量值M1裝入定時(shí)器A的寄存器內(nèi)，在定時(shí)器A計(jì)數(shù)達(dá)到 M1個(gè)脈沖時(shí)，定時(shí)器產(chǎn)生中斷，程序讀取定時(shí)器B的計(jì)數(shù)值M2，由于M1已知依據(jù)式（1）可快速而準(zhǔn)確計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速。

　　2.3變頻器

　　變頻器是整個(gè)伺服系統(tǒng)的主要執(zhí)行元件。其工作原理是：在主電路中采用交直交變換方式將220V、50Hz的交流電通過(guò)整流器變成平滑直流，然后通過(guò)半導(dǎo)體IGBT組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓、可變頻率的交流電。其變頻控制方式主要有V/F控制、空間矢量控制（VC）及直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式。V/F變頻控制方式在低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)以及變頻器低壓導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降影響較大等原因而使系統(tǒng)性能下降、穩(wěn)定性變差，從而只適用于轉(zhuǎn)速變化范圍小機(jī)械特性要求不高的場(chǎng)合?？臻g矢量控制（VC）方式由于在實(shí)際應(yīng)用中轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大導(dǎo)致實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想水平。而直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）則摒棄了矢量控制中復(fù)雜的解耦運(yùn)算，直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，簡(jiǎn)化了主電路、提高了系統(tǒng)的可靠性，從而適用于轉(zhuǎn)速和負(fù)載變化范圍較大的場(chǎng)合［4-5］。

　　綜上，本伺服系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)VFD-V型高頻變頻器。其內(nèi)含PID反饋控制及V/F、向量控制和轉(zhuǎn)矩控制等多種控制方式（系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)矩控制方式），并且零速轉(zhuǎn)矩可達(dá)150%以上，保證了系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　為方便系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，主要有主程序、電機(jī)伺服中斷服務(wù)程序、測(cè)速服務(wù)子程序等組成。

　　3.1主程序

　　主程序在完成系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入上位機(jī)通信查詢及顯示子程序循環(huán)，等待中斷的發(fā)生，電機(jī)速度采集采用定時(shí)中斷方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。主程序流程圖如圖3a所示。

　　3.2電動(dòng)機(jī)伺服中斷程序

　　變頻電機(jī)伺服中斷程序由MSP430(＄2.0250)F149內(nèi)部定時(shí)器A完成中斷并且執(zhí)行，電機(jī)控制中斷程序流程圖如圖3b所示。

　　圖3 程序流程圖

　　3.3數(shù)字PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

　　在數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，加入積分校正后，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大超調(diào)，這是伺服系統(tǒng)所不允許的［6-7］。為減少超調(diào)對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，需要在電機(jī)伺服過(guò)程中的啟動(dòng)、停車或大幅度偏離給定時(shí)采用積分分離PID控制算法，只加比例、微分運(yùn)算取消積分校正。而當(dāng)被控制量接近給定值時(shí)，才使用積分校正以消除靜態(tài)誤差。為減少超調(diào)量，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度，使系統(tǒng)擁有較高的控制品質(zhì)本伺服系統(tǒng)引進(jìn)積分分離PID控制算法。具體算法實(shí)現(xiàn)如下：

　?。?）根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定閥值&epsilon(＄164.9500);》0。

　　（2）當(dāng)時(shí)，采PD控制，避免系統(tǒng)過(guò)大超調(diào)，同時(shí)使系統(tǒng)有較快響應(yīng)速度。

　?。?）當(dāng)時(shí)，采用PID控制，可保證伺服控制的精度。

　　控制算法公式：

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的交流變頻伺服系統(tǒng)將新一代高速單片機(jī)MSP430(＄2.0250)F149與臺(tái)達(dá)轉(zhuǎn)矩控制變頻器VFD－V型相結(jié)合，基于上位機(jī)通訊方式進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)的可控性能及穩(wěn)定性，以單片機(jī)代替了傳統(tǒng)的PLC控制，并與上位機(jī)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)人機(jī)交互平臺(tái)，同時(shí)降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本以及周期，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的控制精度及可靠性能，為伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了更好的系統(tǒng)解決方案。

　　用可編程模擬器件實(shí)現(xiàn)直流伺服電機(jī)的速度控制

　　1　引　言

　　直流伺服電機(jī)具有響應(yīng)快、低速平穩(wěn)性好、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，因而常常用于實(shí)現(xiàn)精密調(diào)速和位置控制的隨動(dòng)系統(tǒng)中，在工業(yè)、國(guó)防和民用等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別是在火炮穩(wěn)定系統(tǒng)、艦載平臺(tái)、雷達(dá)天線、機(jī)器人控制等場(chǎng)合。盡管交流伺服電機(jī)的發(fā)展相當(dāng)迅速，但在這些領(lǐng)域內(nèi)還難以取代直流伺服電機(jī)。

　　傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)包含2個(gè)反饋環(huán)路，即速度環(huán)和電流環(huán)，采用測(cè)速機(jī)、電流傳感器（霍爾器件）及模擬電子線路實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制?，F(xiàn)代數(shù)字直流伺服控制則采用高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），直接對(duì)速度和電流信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字比較、數(shù)字調(diào)節(jié)運(yùn)算（數(shù)字濾波）、數(shù)字脈寬調(diào)制等各種功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的精確控制。二者相比，模擬調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，但調(diào)試較復(fù)雜，因?yàn)槠潆娐穮?shù)的修改往往需要硬件上的改動(dòng)；而數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，但是調(diào)速精度很高、調(diào)試過(guò)程也較容易，調(diào)速系統(tǒng)的性能可以由軟件進(jìn)行控制。

　　本文介紹一種方法，介于模擬調(diào)速及數(shù)字調(diào)速二者之間，即采用可編程模擬器件（ispPAC10）實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)的電路參數(shù)可以通過(guò)軟件進(jìn)行調(diào)整，并且可以對(duì)建立的系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。采用這種方法對(duì)原有的直流調(diào)速器一種CCD相機(jī)的自動(dòng)變焦系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，取得了很好的效果。

　　2　模擬直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理

　　模擬調(diào)速系統(tǒng)一般是由2個(gè)閉環(huán)構(gòu)成的，既速度閉環(huán)和電流閉環(huán)，為使二者能夠相互協(xié)調(diào)、發(fā)揮作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了2個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。2個(gè)反饋閉環(huán)在結(jié)構(gòu)上采用一環(huán)套一環(huán)的嵌套結(jié)構(gòu)，這就是所謂的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，他具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛地應(yīng)用。圖1是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其中ASR，ACR分別是速度和電流調(diào)節(jié)器，通常是由模擬運(yùn)放構(gòu)成PI或PID電路；信號(hào)調(diào)理主要是對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行濾波、放大。考慮到直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，模擬調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)關(guān)系如圖2所示。

　　以速度調(diào)節(jié)器ASR為例，其線路原理如圖3（a）所示，其中Zin（S）表示輸入網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)阻抗，Zf（S）表示反饋網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)阻抗。

　　這樣：

　　即調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)等于反饋網(wǎng)絡(luò)與輸入網(wǎng)絡(luò)復(fù)數(shù)阻抗之比。所以，改變Zf（S）和Zin（S），就可以獲得所需要的傳遞函數(shù)，以滿足系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正的需要。圖3（b）所示的PI調(diào)節(jié)器，其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　其中：

　　在模擬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中，因電機(jī)的參數(shù)或負(fù)載的機(jī)械特性與理論值有較大差異，往往需要頻繁更換R，C等元件來(lái)改變電路參數(shù)，以獲得預(yù)期的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，這樣做起來(lái)非常麻煩，如果采用可編程模擬器件構(gòu)成調(diào)節(jié)器電路，系統(tǒng)參數(shù)如增益、帶寬甚至電路結(jié)構(gòu)都可以通過(guò)軟件進(jìn)行修改，調(diào)試起來(lái)就非常方便了。下面以圖3所示PI調(diào)節(jié)器為例，說(shuō)明如何應(yīng)用可編程模擬器件—ispQAC10實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)節(jié)器電路。

　　3　實(shí)現(xiàn)方法

　　3．1　ispPAC10簡(jiǎn)介

　　ispPAC10是Lattice公司生產(chǎn)的一種在系統(tǒng)可編程模擬器件，采用非易失性E2CMOS工藝，其內(nèi)部的模擬部件塊“PACblocks”無(wú)需外接電阻、電容等元件，便可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬電路，如運(yùn)算放大器、濾波器等；通過(guò)軟件編程，可實(shí)現(xiàn)電路的設(shè)計(jì)和修改，極大地縮短了開(kāi)發(fā)、調(diào)試周期，具有很高的性能價(jià)格比。Lattice公司為開(kāi)發(fā)ispPAC10而提供的集成軟件包PACDesigner功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，可以在網(wǎng)上下載。 ispPAC10內(nèi)部包含4個(gè)模擬部件塊—內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　PACblock電路原理圖如圖6（a）所示，圖6（b）是PAC-Designer軟件包中PACblock的表示。

　　其傳遞函數(shù)關(guān)系如下：

　　這樣，式（3）還可以寫成如下形式：

　　通過(guò)式（4）、式（5）以及圖6（b），可以看出PACblock模塊具有比例、求和、積分、濾波等基本運(yùn)算功能，而1片ispPAC10包含4個(gè)PACblock模塊，每個(gè)模塊都有2組差動(dòng)輸入、1路差動(dòng)輸出。

　　將這4部分適當(dāng)?shù)剡B接，便可形成較復(fù)雜的模擬電路。

　　3．2　ispPAC10實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)器電路

　　以圖（3）所示具體電路為例，設(shè)R0＝10 kΩ，C0＝0．15μF，Rf＝40 kΩ，Cf＝0．5μF，其傳遞函數(shù)如圖7所示。

　　為了用ispPAC10實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)，需將其變成圖8所示的形式。

　　現(xiàn)在可以用ispPAC10直接實(shí)現(xiàn)上述調(diào)節(jié)器，具體電路如圖9所示，其中運(yùn)放的增益、電容的取值是通過(guò)軟件PAC-Designer設(shè)定的。

　　4　結(jié)　語(yǔ)

　　用可編程模擬器件可以很方便地設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)模擬電路。用他設(shè)計(jì)模擬調(diào)速電路，電路的參數(shù)、結(jié)構(gòu)都可以通過(guò)軟件進(jìn)行調(diào)整，使調(diào)試過(guò)程變得非常簡(jiǎn)單。需要注意的是這一類器件工作電壓一般不超過(guò)5 V，ispPAC10工作電壓為＋5 V，因此輸入信號(hào)不能太大，目前還只能用于小信號(hào)模擬電路中，盡管如此，其發(fā)展前景仍然非常誘人。

　　基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　無(wú)刷直流電機(jī)（簡(jiǎn)稱BLDCM）是一種用電子換向器取代機(jī)械電刷和機(jī)械換向器的新型直流電動(dòng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速性好，效率高等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。TMS320F2812(＄18.5250)數(shù)字信號(hào)處理器是TI公司最新推出的32位定點(diǎn)DSP控制器，器件上集成了多種先進(jìn)的外設(shè)，具有靈活可靠的控制和通信模塊，完全可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的控制和通信功能，為電機(jī)伺服系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺(tái)。本文設(shè)計(jì)了以高性能TMS-320F2812DSP 芯片為核心的無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。

　　1 伺服控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成及其工作原理

　　系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

　　1．1 控制電路

　　控制電路是以F2812為核心，另外還包括位置編碼、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信等功能模塊和部分外圍電路及數(shù)據(jù)接口，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象位置信息的采集和處理，速度反饋信息的接收和處理，位置、速度的閉環(huán)控制。F2812片內(nèi)具有12位的AD轉(zhuǎn)換器，但為提高伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的精度，在DSP外圍擴(kuò)展了兩片 6路16位的AD轉(zhuǎn)換芯片，用來(lái)采集反饋信號(hào)以及輸入的運(yùn)動(dòng)指令信號(hào)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)同時(shí)采用DSP和CPLD以提高電路的可行性。DSP所起到的作用主要是根據(jù)反饋的位置，速度信號(hào)，結(jié)合電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度，利用 F2812片上的電機(jī)控制專用外設(shè)EVA，通過(guò)數(shù)字I／O口輸出1路與電機(jī)運(yùn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)的PWM波。CPLD根據(jù)輸入的PWM信號(hào)，控制信號(hào)和數(shù)字信號(hào)組成的換相時(shí)序信息輸出對(duì)應(yīng)大小和對(duì)應(yīng)時(shí)序的相電壓，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

　　1．2 信號(hào)采集以及調(diào)理電路

　　該電路對(duì)各種傳感器信號(hào)及電流電壓信號(hào)進(jìn)行采集并處理。包括采樣的電流電壓反饋信號(hào)，給定的控制信號(hào)等模擬量信號(hào)，以及霍爾傳感器的輸出等開(kāi)關(guān)量信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路處理后，使其幅值及電平可以滿足DSP控制器的要求。

　　本系統(tǒng)使用AD7656(＄15.3360)對(duì)采集來(lái)的模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。F2812的GPIOA0口與74ACl6373的使能端相連，用于使能鎖存器，GPIOAl與 CONVSTX相連，用來(lái)啟動(dòng)6路A／D的同時(shí)轉(zhuǎn)換。GPIOA2連接BUSY信號(hào)，AD7656(＄15.3360)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，BUSY信號(hào)變低，DSP以查詢方式接收 AD數(shù)據(jù)。74ACl6373用于鎖存AD轉(zhuǎn)換后的16位數(shù)據(jù)，74LSl38用于將DSP地址線譯碼與AD7656(＄15.3360)的片選信號(hào)相連。

　　1．3 驅(qū)動(dòng)電路

　　電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)芯片IR2130(＄5.6212)和三相全逆變電路構(gòu)成。功率驅(qū)動(dòng)電路采用+15 V供電，驅(qū)動(dòng)芯片IR2130(＄5.6212)內(nèi)置了2．5 μs的死區(qū)時(shí)間，防止統(tǒng)一橋臂的上下兩個(gè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓，過(guò)流時(shí)，IR2130(＄5.6212)啟動(dòng)內(nèi)置的保護(hù)電路鎖住后面的PWM輸出，保護(hù)系統(tǒng)電路。IR2-130的輸入信號(hào)是由CPLD解算而得的6路PWM波，經(jīng)過(guò)光耦隔離后送入IR2130(＄5.6212)，輸出信號(hào)送MOSFET驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)。在三相逆變電路中，六個(gè)功率器件起繞組開(kāi)關(guān)作用，采用兩兩通電，三相六狀態(tài)方式，每一個(gè)瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1／6周期（60°電角度）換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每個(gè)功率管一次導(dǎo)通120°電角度。

　　2 伺服系統(tǒng)的控制策略

　　本系統(tǒng)是通過(guò)電流、速度、位置三閉環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的，其中電流環(huán)和速度環(huán)是內(nèi)環(huán)，位置環(huán)是外環(huán)。

　　圖2是無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖，在系統(tǒng)中設(shè)置了速度PI調(diào)節(jié)器和電流PI調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間是串級(jí)連接。給定的位置信號(hào)U與反饋的位置信號(hào)position經(jīng)過(guò)位置PID調(diào)節(jié)后得到速度的參考值SDref。根據(jù)兩次捕獲的時(shí)間可以計(jì)算出電機(jī)運(yùn)行的速度speed，此速度作為速度參考值的反饋量，經(jīng)過(guò)速度PI調(diào)節(jié)后可以得到參考電流Iref，通過(guò)電流檢測(cè)電路可以得到電流的反饋量I，再經(jīng)過(guò)電流PI調(diào)節(jié)，最后得到的調(diào)節(jié)量用來(lái)控制 PWM的占空比，即把速度調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸入，再以電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。

　　2．1 電流環(huán)控制

　　電流環(huán)是通過(guò)電流反饋控制使電機(jī)電樞電流線性受控，可達(dá)到電機(jī)輸出力矩的線性控制，并使其動(dòng)態(tài)范圍響應(yīng)快，安全性提高。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，為加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減輕DSP負(fù)擔(dān)，采用模擬實(shí)現(xiàn)方法。將電阻串聯(lián)在電樞回路上，同時(shí)起到一個(gè)功率變換電路的過(guò)電流保護(hù)作用。通過(guò)電流反饋控制使電機(jī)電樞電流線性受控，可達(dá)到電機(jī)輸出力矩的線性控制，并使其動(dòng)態(tài)范圍響應(yīng)快，安全性提高。

　　電流環(huán)設(shè)計(jì)中，電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器；限幅器可以和電流調(diào)節(jié)器做在一起，限幅值由PWM功放輸入范圍確定；PWM功放選用專用集成電路；濾波保護(hù)網(wǎng)絡(luò)采用LC網(wǎng)絡(luò)提高EMC水平，二極管網(wǎng)絡(luò)保護(hù)PWM功放選；電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器；采樣電阻選用O．1Ω，如果所選PWM功放具有電流測(cè)量端子，也可以直接讀出電機(jī)電流值。

　　圖3為電流環(huán)控制框圖，R-電機(jī)電樞電阻，Tm-電機(jī)時(shí)常數(shù)。Ks-功率放大器電壓放大系數(shù)。電流環(huán)設(shè)計(jì)的參數(shù)：PI調(diào)節(jié)器，一階無(wú)靜差；輸出最大電流≥0．63 A，反饋系數(shù)為15．873；帶寬≥30 Hz；τi選為電機(jī)等效時(shí)常數(shù)。

　　2．2 速度環(huán)控制

　　速度環(huán)是位置環(huán)的重要內(nèi)環(huán)路，速度閉環(huán)可改善控制對(duì)象的線性度，提高速度控制精度，改善電網(wǎng)電壓等對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，提高抗干擾能力，改善系統(tǒng)性能。

　　轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)，霍爾傳感器輸出3路180°的交疊信號(hào)，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)60°就有一次換相，只要檢測(cè)兩次換相的時(shí)間間隔就能計(jì)算出電機(jī)的速度。

　　2．3 位置環(huán)控制

　　位置環(huán)是通過(guò)安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的電位器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的控制環(huán)路，位置環(huán)路的控制對(duì)象是電流環(huán)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由電位器測(cè)得的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)解調(diào)和AD轉(zhuǎn)換得到位置反饋信號(hào)。由于位置環(huán)具有很大的不確定性，加之被控對(duì)象的非線性以及系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)變性等，為了減小電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中積分校正對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，本系統(tǒng)對(duì)位置環(huán)采用積分分離的PID算法。如圖4所示，積分分離法是在誤差量較大時(shí)，不進(jìn)行積分，直至誤差達(dá)到一定值之后，才在控制量的計(jì)算中加入積分累積。算法為：

　　3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

　　伺服控制系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，使軟件組織靈活有序，便于調(diào)整、修改和移植。DSP程序主要由主程序，信號(hào)采集與輸出程序，PID 算法程序，串口通信程序，濾波程序等組成。主程序首先是DSP的初始化，包括設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器、系統(tǒng)狀態(tài)寄存器、設(shè)置IO端口。然后初始化中斷設(shè)置，確定系統(tǒng)所需要用到的中斷類別及中斷子程序，再設(shè)置事件管理器，產(chǎn)生PWM波。圖5為積分分離的PID程序流程圖，用積分分離的改進(jìn)算法效果較好，程序簡(jiǎn)單。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于TMS320F2812(＄18.5250)DSP的無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，采用積分分離的PID控制算法，根據(jù)偏差，對(duì)不同情況進(jìn)行不同的PID控制，并對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及控制算法進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)響應(yīng)快，性能穩(wěn)定，能較好的滿足伺服系統(tǒng)的控制性能要求。

　　基于DSP的高精度伺服位置環(huán)設(shè)計(jì)方案

　　機(jī)床是裝備制造業(yè)的母機(jī)，也是裝備制造業(yè)的引擎。我國(guó)“十一五”發(fā)展規(guī)劃明確規(guī)定：國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率要達(dá)到60%，高端產(chǎn)品與國(guó)際先進(jìn)水平的差距縮小到5年以內(nèi)。

　　作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控機(jī)床向高速度、高精度、高效率邁進(jìn)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(dòng)裝置的應(yīng)用，伺服驅(qū)動(dòng)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(guò)擴(kuò)充新的控制算法，速度頻率響應(yīng)提高到了1.6kHz，具有自動(dòng)測(cè)定機(jī)械特性，設(shè)置所需要的伺服增益功能，實(shí)現(xiàn)了“在線自動(dòng)調(diào)整功能”;發(fā)那科公司的新一代驅(qū)動(dòng)器則采用了1600萬(wàn)/轉(zhuǎn)的高分辨率的編碼器，高精度電流檢測(cè)，實(shí)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(jī)的最大控制電流減少50%，并減少電機(jī)發(fā)熱17%，使得伺服驅(qū)動(dòng)裝置可以獲得更高的剛性和過(guò)載能力。國(guó)內(nèi)在高性能伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面，與國(guó)外名牌企業(yè)仍存在較大的差距，已成為制約我國(guó)發(fā)展中高檔數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的 “瓶頸”問(wèn)題。

　　針對(duì)舊產(chǎn)品的信號(hào)處理時(shí)間長(zhǎng)，電流與位置信號(hào)檢測(cè)精度低的不足，本系統(tǒng)以TMS320F2812(＄18.5250) DSP為控制器，縮短了信號(hào)處理時(shí)間且提高電流采樣精度;位置檢測(cè)用多摩川的TS5667N120 17位絕對(duì)式編碼器以提高了位置檢測(cè)精度。系統(tǒng)在數(shù)控加工中心的應(yīng)用中，具有定位無(wú)超調(diào)、高剛性、高速度穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以滿足微米級(jí)加工精度的要求。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件以 TMS320F2812(＄18.5250)DSP控制器、三菱公司的IPM功率模塊、多摩川公司的TS5667N120 17位絕對(duì)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(＄18.5250) DSP為控制核心，接收來(lái)自CNC、編碼器接口、電流檢測(cè)模塊和故障信號(hào)處理模塊的信息，完成對(duì)永磁同步電機(jī)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(hào)送入IPM模塊，完成DC/AC逆變，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。編碼器接口將絕對(duì)式編碼器所記錄的永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極位置、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和編碼器報(bào)警等信息送往DSP，同時(shí)將永磁同步電動(dòng)機(jī)的位置信息送往CNC。電機(jī)相電流經(jīng)電流檢測(cè)模塊量測(cè)、濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉(zhuǎn)化為0~3V的電壓信號(hào)送入DSP的A/D引腳。功率主電路的過(guò)壓、欠壓、短路、電源掉電和IPM故障等信號(hào)經(jīng)故障檢測(cè)模塊檢測(cè)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(jī)接口，用以完成控制參數(shù)的輸入，運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)顯示。存儲(chǔ)器模塊用以存儲(chǔ)控制參數(shù)與系統(tǒng)故障信息。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　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(duì)人機(jī)接口、控制算法、加減速控制、故障處理等四個(gè)任務(wù)進(jìn)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(jì)方法，遵循“功能獨(dú)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(jì)、調(diào)試、修改和維護(hù)。矢量控制軟件設(shè)計(jì)采用典型的前后臺(tái)模式，以主程序作為后臺(tái)任務(wù)，中斷服務(wù)程序作為前臺(tái)任務(wù)。根據(jù)矢量控制算法的特點(diǎn)，中斷服務(wù)程序只處理實(shí)時(shí)性高的PWM控制子程序，把系統(tǒng)的一些測(cè)量、鍵盤處理和顯示等一系列實(shí)時(shí)性不高的任務(wù)放到后臺(tái)任務(wù)。

　　主程序是軟件的主體框架，其工作過(guò)程是：系統(tǒng)上電復(fù)位后，依次對(duì)片內(nèi)外設(shè)進(jìn)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(jì)算與保存。

　　PWM中斷服務(wù)。在PWM中斷到來(lái)時(shí)，首先讀取編碼信號(hào)，進(jìn)行角度和速度計(jì)算，接著進(jìn)行A/D采樣并執(zhí)行clark和park變換，然后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)、反park變換，最后進(jìn)入空間矢量模塊，產(chǎn)生PWM信號(hào)。

　　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(bǔ)償控制。

　　PID控制算法

　　PID控制算法是控制中最常用的算法，對(duì)于大多數(shù)的控制對(duì)象采用PID控制均能達(dá)到滿意的效果。為防止PID調(diào)節(jié)器出現(xiàn)過(guò)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(shí)間常數(shù)，Td為PID控制的微分時(shí)間常數(shù)，Kc為退飽和時(shí)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(jī)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(shí)，H（s）=1，則可使輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)，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(shí)，在位置環(huán)的截止頻率遠(yuǎn)小于速度環(huán)的截止頻率時(shí)，速度環(huán)可等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，電機(jī)可等效為一個(gè)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(xiàng)差分方程：

　　式中R（k）為第K個(gè)采樣周期中的位置給定信號(hào);Yaf為第K個(gè)采樣周期中加速度信號(hào)的輸出，Kaf為加速度前饋比例系數(shù)。

　　位置前饋中速度項(xiàng)差分方程：

　　式中R（k）為第K個(gè)采樣周期中的位置給定信號(hào);Yaf為第K個(gè)采樣周期中速度信號(hào)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(gè)采樣周期中的位置給定信號(hào);C（k）為第K個(gè)采樣周期中的位置反饋信號(hào)，Ye為第K個(gè)采樣周期中位置環(huán)信號(hào)的輸出，Kc為位置環(huán)比例系數(shù)。

　　絕對(duì)式編碼器通信程序

　　絕對(duì)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(yǔ)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(shí)鐘分頻器，TX模塊接收來(lái)自微處理器接口模塊MP的8位并行數(shù)據(jù)，并通過(guò)端口DOUT將數(shù)據(jù)串行輸出到RS-485(＄14.5000)端口。反過(guò)來(lái)，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(shí)將接收到的位置信號(hào)轉(zhuǎn)成脈沖形式輸出，實(shí)現(xiàn)與CNC的連接。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　本設(shè)計(jì)，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，記錄實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。虛擬測(cè)試平臺(tái)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(jì)數(shù)器/定時(shí)器PCI-6602。

　　圖5給出了加工過(guò)程中的速度波形。圖5表明，系統(tǒng)的加、減速時(shí)間小于200ms(＄1.2528);無(wú)位置超調(diào);穩(wěn)定時(shí)，速度波動(dòng)小于0.1轉(zhuǎn)。速度頻率響應(yīng)：大于 300Hz;速度波動(dòng)率：小于±0.01%（負(fù)載0～100%）、0（電源±10%）;調(diào)速范圍：0.1rpm~3000rpm;回轉(zhuǎn)定位精度：1個(gè)脈沖。

　　圖6給出了驅(qū)動(dòng)器配國(guó)產(chǎn)某品牌加工中心的機(jī)械加工結(jié)果。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)：上表面表面粗糙度Ra1.6μm;側(cè)面（即測(cè)量面）的粗糙度Ra3.2μm。

　　結(jié)語(yǔ)

　　針對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給控制，采用磁場(chǎng)定向控制與前饋補(bǔ)償控制，以 TMS320F2812(＄18.5250)DSP 控制器、IPM功率模塊、TS5667N120 17位絕對(duì)式編碼器為主要功能部件，設(shè)計(jì)出的永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制器，在數(shù)控加工中心的應(yīng)用中，具有定位無(wú)超調(diào)、高剛性、高速度穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以滿足微米級(jí)加工精度的要求。

　　基于DSP的穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

　　在伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組成的高性能穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)地獲得伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速信息，高速高精度的傳感器以及相應(yīng)的外圍電路設(shè)計(jì)是必不可少的。由于單片機(jī)自身資源的局限性，難以滿足現(xiàn)在伺服系統(tǒng)高精度、高運(yùn)算率以及快速實(shí)時(shí)性的要求。在穩(wěn)定平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)中，DSP已經(jīng)逐漸取代單片機(jī)，成為主流芯片。本設(shè)計(jì)采用TI公司的32 bit浮點(diǎn)型DSP芯片TMS320F28335(＄18.5250)，其工作時(shí)鐘頻率高達(dá)150 MHz，具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，能夠?qū)崟r(shí)地完成復(fù)雜的控制算法。片內(nèi)集成了豐富的電機(jī)控制外圍部件和電路，簡(jiǎn)化了控制電路的硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　本研究采用DSP的新型開(kāi)發(fā)板ICETEK-F28335-A，配合使用其中的EQEP模塊和光電編碼器設(shè)計(jì)了測(cè)量伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的解決方案，同時(shí)利用該開(kāi)發(fā)板上的數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）模塊，經(jīng)過(guò)電壓轉(zhuǎn)換放大完成對(duì)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)伺服電機(jī)控制的閉環(huán)系統(tǒng)。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)有功耗低、成本低和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有高精度、高分辨率以及快速實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，使穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)達(dá)到了較好的控制效果。

　　1 穩(wěn)定平臺(tái)的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　穩(wěn)定平臺(tái)應(yīng)用的主要技術(shù)是伺服控制技術(shù)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)松下伺服MINAS A系列伺服電機(jī)進(jìn)行速度控制，其主要由松下伺服MINAS A系列的伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、相應(yīng)的光電編碼器、TMS320F28335(＄18.5250)運(yùn)動(dòng)控制開(kāi)發(fā)板、相應(yīng)的ICETEK-5100USB仿真器以及實(shí)現(xiàn)閉環(huán)過(guò)程必需的外圍電路組成。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　穩(wěn)定平臺(tái)的伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)過(guò)程為：DSP控制器根據(jù)上位機(jī)給定的速度命令值減去速度反饋值算出電機(jī)速度的誤差值，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)字濾波器（調(diào)節(jié)算法）產(chǎn)生電機(jī)速度的控制信號(hào)，即D/A模塊產(chǎn)生模擬量電壓，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換到能夠?qū)λ欧姍C(jī)進(jìn)行控制的電壓范圍，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。其中，反饋值是根據(jù)增量式光電編碼器反饋的正交脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦隔離、整形，將反饋信號(hào)提供給TMS320F28335(＄18.5250)的eQEP模塊。采集脈沖信號(hào)根據(jù)M/T計(jì)數(shù)方法計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速，反饋給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，從而使穩(wěn)定平臺(tái)能夠隔離載體運(yùn)動(dòng)建立穩(wěn)定基準(zhǔn)面［1］。電源模塊將開(kāi)關(guān)電源提供的+5 V電壓變換為+3．3 V為系統(tǒng)供電［2］。

　　2 伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 TMS320F28335(＄18.5250)的eQEP模塊

　　TMS320F28335(＄18.5250)的eQEP模塊為增強(qiáng)型的正交解碼模塊，主要應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，它提供了編碼器的直接接口，通過(guò)eQEP模塊可以得到電機(jī)的位置、方向和速度信息。TMS320F28335(＄18.5250)中提供4個(gè)引腳信號(hào)經(jīng)GPIO復(fù)用器進(jìn)入到eQEP內(nèi)部的正交解碼模塊， QDU（正交解碼單元）對(duì)接收到的編碼器的正交脈沖信號(hào)進(jìn)行方向和脈沖的解碼，解碼之后得到4倍頻的位置脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，送到位置計(jì)數(shù)器中進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。設(shè)置編碼器控制寄存器QDECCTL為正交計(jì)數(shù)模式，觀察狀態(tài)寄存器QEPSTS中的正交方向標(biāo)志位來(lái)觀察旋轉(zhuǎn)方向，順時(shí)針時(shí)進(jìn)行增計(jì)數(shù)，逆時(shí)針時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù)。通過(guò)程序讀取該位置計(jì)數(shù)器QPOSCNT的值就可以得到電機(jī)實(shí)際位置信息，通過(guò)該位置信息就可以與給定位置信息進(jìn)行閉環(huán)控制。此外，還可以通過(guò) QCAP模塊來(lái)計(jì)算電機(jī)的速度信息［3］。正交編碼脈沖、定時(shí)器計(jì)數(shù)脈沖和計(jì)數(shù)方向時(shí)序邏輯如圖2所示。

　　2.2 光電編碼器和TMS320F28335(＄18.5250)的接口電路

　　伺服系統(tǒng)的編碼器信號(hào)是從伺服驅(qū)動(dòng)器上輸出的差分信號(hào)，而DSP需要的是TTL信號(hào)，因此在采集前需要對(duì)編碼器輸出的信號(hào)OA+、OA-、OB+、 OB-、OZ+和OZ-進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)利用AM26LS32(＄0.3125)芯片進(jìn)行差分信號(hào)的接收［4］，接收后的輸出信號(hào)為A、B和Z 3路信號(hào)，其中A、B信號(hào)相位差為90°。光電編碼器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離、整形之后送到DSP eQEP模塊的相應(yīng)引腳，其接口電路如圖3所示。其中，6N137(＄0.2160)是高速光耦芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的隔離；74HC14(＄0.0625)是高速CMOS反相器，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入脈沖信號(hào)的整形。圖3只給出了光電編碼器輸出的OA+、OA-兩路信號(hào)的光電隔離和整形，光電隔離和整形后的信號(hào)送到TMS320F28335(＄18.5250)外設(shè)引腳的EQEP1A、EQEP1B和EQEP1I，進(jìn)行正交解碼。

　　由于DSP開(kāi)發(fā)板輸出阻抗較大，有分壓導(dǎo)致衰減損耗嚴(yán)重，因此放大電路前需加一個(gè)電壓跟隨器，起到阻抗匹配作用，從而使后級(jí)放大電路能夠更好地工作。

　　3 伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件調(diào)試與開(kāi)發(fā)均采用針對(duì)TMS320F28335(＄18.5250)的CCSV3.3版本。TI公司為用戶提供的軟件開(kāi)發(fā)工具CCS（Code Composer Studio）提供了可視化窗口，將所有代碼生成工具集成在一起，用戶的一切開(kāi)發(fā)過(guò)程都在CCS中進(jìn)行，包括項(xiàng)目建立、源程序的編輯、程序的編譯和調(diào)試，此外，CCS還提供了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP／BIOS，極大地方便了調(diào)試和開(kāi)發(fā)。本系統(tǒng)的DSP程序主要分為主程序和中斷服務(wù)程序兩個(gè)模塊。主程序模塊 ［10］主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的初始化、內(nèi)存變量的定義和中斷矢量的聲明等工作。中斷程序模塊主要實(shí)現(xiàn)相關(guān)寄存器的設(shè)置、讀取和鎖存eQEP模塊的脈沖計(jì)數(shù)、檢測(cè)電路的反饋以及控制算法的程序等工作，其軟件流程如圖6所示。

　　本文提出了穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用DSP芯片TMS320F28335(＄18.5250)的eQEP模塊對(duì)光電編碼器的脈沖信號(hào)進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)，求得伺服電機(jī)的角度和速度信息，從而與上位機(jī)給定值進(jìn)行比較，通過(guò)調(diào)節(jié)算法使D/A模塊產(chǎn)生電壓信號(hào)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行速度控制。研究表明，該設(shè)計(jì)具有較高的響應(yīng)速度、穩(wěn)定精度和較強(qiáng)的抗負(fù)載擾動(dòng)能力，充分實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定平臺(tái)的高精度控制。同時(shí)，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)能力，驗(yàn)證了該方案的有效性，并為不同控制領(lǐng)域提供了高性能的數(shù)字解決方案。

　　一套高精度的交流伺服定剪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　在卷筒流水線的板帶生產(chǎn)企業(yè)中，如扎鋼、鋁鉑、卷筒紙等，其裁切系統(tǒng)，許多企業(yè)基本上還在沿用以前的直流或交流變頻組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其裁切精度雖能達(dá)到基本的要求，但往往不是很高，隨著社會(huì)的發(fā)展，生產(chǎn)企業(yè)精益求精，對(duì)提高自身的品牌形象也日顯重要。鑒于此，本文介紹了一款高精度的交流伺服定剪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)驗(yàn)證，本方案所設(shè)計(jì)的這套系統(tǒng)，穩(wěn)定性和精度都較以往有了大大的提高，在減少了損失的同時(shí)還滿足了客戶對(duì)產(chǎn)品越來(lái)越高的要求。

　　1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

　　圖1：康爾達(dá)公司的交流伺服定剪系統(tǒng)

　　假設(shè)要裁切的長(zhǎng)度為S，主動(dòng)輥的周長(zhǎng)為L(zhǎng)，主輥轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)N（或者說(shuō)角度），則S=LN，這是一個(gè)線性方程，也即S和N成正比，假設(shè)減帶機(jī)齒輪的變比為 K，則可求出S和電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)圈數(shù)X，S=L*X/K.此式說(shuō)明S和X仍為一個(gè)線性方程，為此要取得需要的長(zhǎng)度S，只需控制住電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。在原系統(tǒng)中采用變頻器、PLC、編碼器和高速計(jì)數(shù)模塊來(lái)組成控制系統(tǒng)，其中PLC給定值（長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的脈沖量）送入變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)又帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生脈沖，反饋回高速計(jì)數(shù)器送入PLC和原給定值比較，直到相等時(shí)停止電機(jī)的運(yùn)行。實(shí)際使用中此系統(tǒng)雖然通過(guò)調(diào)整變頻器的方式，引入第一、二加減速時(shí)間來(lái)減少電機(jī)的慣性，使電機(jī)在極慢速成爬行時(shí)停車。但此系統(tǒng)的精度仍不可能很高。其缺點(diǎn)：

　?。?）編碼器和電機(jī)不同軸、不是一體；

　?。?）電機(jī)停車要用抱閘來(lái)剎車，而抱閘的快慢和力量對(duì)精度都將產(chǎn)生影響。而利用交流伺服系統(tǒng)后這兩方面

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　■操作臺(tái)-由主令電器控制定尺系統(tǒng)的自動(dòng)和手動(dòng)，由8421編碼的撥碼開(kāi)關(guān)提供所需要的裁切尺寸。

　　■PLC-采用FX1N-40MT，該P(yáng)LC具有成本較低，且?guī)в兴枰母咚倜}沖輸出，一個(gè)PLC單元能同時(shí)輸出2點(diǎn)100KHz脈沖，該P(yáng)LC配備有 7條特殊指令，包括零返回、絕對(duì)位置讀出、絕對(duì)或相對(duì)驅(qū)動(dòng)以及特殊脈沖輸出控制，抗干擾能力也較強(qiáng)，且編程方便，使用面廣，采購(gòu)方便。

　　■伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器-伺服電機(jī)采用松下伺服電機(jī)MDMA202A1G，此電機(jī)帶有同軸高精度的旋轉(zhuǎn)編碼器，該編碼器為增量式2500p/r，分辯率：10000(＄0.1000)；驅(qū)動(dòng)器采用松下MDDA203A1A和伺服電機(jī)組成的系統(tǒng)具有很好的控制性能，此系統(tǒng)穩(wěn)定性好，設(shè)置好參數(shù)后不用再人工干預(yù)，可靠性高，基本上不用維護(hù)，因此也不存在維護(hù)費(fèi)用。

　　圖2：控制系統(tǒng)硬件圖

　　2控制系統(tǒng)軟件

　　因采用的是三菱FX1N-40MT，用其附帶的FXGP/WIN軟件進(jìn)行梯形圖語(yǔ)言編程，非常直觀，易理解，整個(gè)程序簡(jiǎn)潔，且與驅(qū)動(dòng)器的通訊方便，只需較簡(jiǎn)單的接線便可完成。

　　圖3：程序設(shè)計(jì)框圖

　　圖4：程序測(cè)試圖

　　3使用交流伺服的優(yōu)點(diǎn)

　　■運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)；

　　■控制精度高，交流伺服的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證；

　　■響應(yīng)速度快，加減速時(shí)間均可在極短的時(shí)間內(nèi)完成；

　　■能恒力矩輸出，不受轉(zhuǎn)速的影響；

　　■具有較強(qiáng)的過(guò)載能力；

　　■交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自身組成閉環(huán)，控制更可靠。

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　本方案所設(shè)計(jì)的這套系統(tǒng)，穩(wěn)定性和精度都較以往有了大大的提高，不僅減少了損失，而且還滿足了客戶更高的要求，經(jīng)濟(jì)效益顯著。同時(shí)也為今后的推廣積累了經(jīng)驗(yàn)，再接下來(lái)的幾年里我司相繼更改了其他的流水線，較低的成本取得了很好的效果。后來(lái)也在同行中得到了認(rèn)同和推廣，后來(lái)上的線全部都采用了該類似的系統(tǒng)，而摒棄了原來(lái)的變頻夾送方式。

　　基于CAN總線的多伺服電機(jī)同步控制

　　引言

　　在印刷機(jī)械行業(yè)中，多電機(jī)的同步控制是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。由于印刷產(chǎn)品的特殊工藝要求，尤其是對(duì)于多色印刷，為了保證印刷套印精度（一般≤0.05 mm），要求各個(gè)電機(jī)位置轉(zhuǎn)差率很高（一般≤0.02%）。在傳統(tǒng)的印刷機(jī)械中，以往大都采用以機(jī)械長(zhǎng)軸作為動(dòng)力源的同步控制方案，但機(jī)械長(zhǎng)軸同步控制方案易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，各個(gè)機(jī)組互相干擾，而且系統(tǒng)中有許多機(jī)械零件，不方便系統(tǒng)維護(hù)和使用。隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)不斷應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域并得到了廣泛的應(yīng)用。本文針對(duì)機(jī)組式印刷機(jī)械的同步需求，提出了一種基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的同步控制解決方案，并得以驗(yàn)證。

　　1無(wú)軸傳動(dòng)印刷機(jī)控制系統(tǒng)的同步需求

　　機(jī)組式卷筒印刷機(jī)一般由給紙機(jī)組、印刷機(jī)組、張力機(jī)組、加工機(jī)組和復(fù)卷機(jī)組等機(jī)組組成。在傳統(tǒng)的有軸傳動(dòng)印刷機(jī)中，動(dòng)力源由異步電機(jī)通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)一根機(jī)械長(zhǎng)軸（約10～20 m），然后通過(guò)長(zhǎng)軸帶動(dòng)各機(jī)組的齒輪、凸輪、連桿等傳動(dòng)元件，再通過(guò)傳動(dòng)元件帶動(dòng)設(shè)備的執(zhí)行元件完成設(shè)備的輸入、輸出任務(wù)。

　　卷筒印刷機(jī)要求印刷速度為300 m/min，套印精度≤0.03 mm，為了滿足套印精度，要求在各個(gè)機(jī)組定位精度≤0.03 mm.在印刷機(jī)印刷過(guò)程中，要求各機(jī)組軸與機(jī)械長(zhǎng)軸保持一定的同步運(yùn)動(dòng)關(guān)系，能否很好的實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)組軸的同步關(guān)系，將直接影響到印刷速度、套印精度等。其中，給紙機(jī)組、印刷機(jī)組要求與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度成一定的比例關(guān)系，張力機(jī)組根據(jù)不同的印刷速度調(diào)整張力系數(shù)，加工機(jī)組需要與主軸保持凸輪運(yùn)動(dòng)關(guān)系，而復(fù)卷機(jī)組的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，要求隨著紙卷直徑的增大而減小。

　　我們把機(jī)械長(zhǎng)軸作為主軸（參考軸），各印刷機(jī)組軸為從動(dòng)軸，如圖1，各從動(dòng)軸與主軸要滿足同步關(guān)系θ1＝f1（θ），θ2＝f2（θ），θ3＝f3（θ）…，其中，θ為主軸位置轉(zhuǎn)角，θ1、θ2、θ3…為從動(dòng)軸位置轉(zhuǎn)角。

　　圖1主從軸同步關(guān)系

　　2同步控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　考慮到印刷機(jī)中同步運(yùn)動(dòng)關(guān)系復(fù)雜，套印精度高、印刷機(jī)組點(diǎn)多、分散，多操作子站，印刷生產(chǎn)線長(zhǎng)等特點(diǎn)，采用全分散、全數(shù)字、全開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS，總線的選擇選用CAN總線。

　　為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)印刷機(jī)組的復(fù)雜同步關(guān)系，將主控制器和各個(gè)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器都掛接到CAN總線上，構(gòu)成以印刷機(jī)控制器為核心的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，如圖2.

　　圖2同步控制系統(tǒng)圖

　　控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器都配有CAN總線控制器SJA1000(＄2.8080)和收發(fā)器PCA82C250(＄0.6186)的通訊適配卡，通過(guò)連接在印刷機(jī)控制器上的CAN通訊適配卡，控制器可以方便、快速的與各伺服驅(qū)動(dòng)器通訊，向各個(gè)伺服單元發(fā)送控制指令和位置給定指令，并實(shí)時(shí)獲得各個(gè)伺服電機(jī)的狀態(tài)信息，按照需要實(shí)時(shí)地對(duì)伺服參數(shù)進(jìn)行修改，各個(gè)伺服單元也可以通過(guò)CAN總線及時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器在獲得自己的位置參考指令后，緊密的跟隨位置指令。由于控制器的位置指令直接輸入到各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器，因此每個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器都獲得同步運(yùn)動(dòng)控制指令，不受其他因素影響，即任一伺服單元都不受其他伺服單元的擾動(dòng)影響。在這個(gè)系統(tǒng)中，控制器和各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器都作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，形成CAN控制網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，由于采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，可以根據(jù)印刷規(guī)模，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

　　3編碼器和伺服電機(jī)的選擇

　　在大慣量負(fù)載印刷系統(tǒng)中，編碼器和伺服系統(tǒng)的選擇尤為重要。以BF4250卷筒紙印刷機(jī)為例，其負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，其中柔印機(jī)組為0.13 kg？m2，膠印機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，為0.33 kg？m2.

　　由于系統(tǒng)定位精度要求≤0.03 mm，考慮到負(fù)載的大慣量性，把控制周期定為2 ms，要求位置環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差為±1個(gè)脈沖。根據(jù)定位精度和穩(wěn)態(tài)誤差，可以折算出編碼器線數(shù)為17000(＄0.0372)線，可是考慮到在實(shí)際印刷過(guò)程中，要不斷調(diào)整不同機(jī)組的位置，如果編碼器分辨率選17000(＄0.0372)線，在調(diào)整印輥時(shí)，由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，將會(huì)產(chǎn)生很大的角加速度，進(jìn)而產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩。例如對(duì)于膠印機(jī)組，調(diào)整角加速度超過(guò)700 rad/s2，調(diào)整轉(zhuǎn)矩超過(guò)200 N？m，一般的電機(jī)無(wú)法滿足要求。

　　綜合考慮，選擇編碼器分辨率為40000(＄18.0000)線，這樣在調(diào)整過(guò)程中，減小了電機(jī)的調(diào)整加速度，進(jìn)而減小了調(diào)整轉(zhuǎn)矩。例如在負(fù)載慣量最大的膠印機(jī)組中，調(diào)整角加速度為78.6 rad/s2，調(diào)整轉(zhuǎn)矩為26 N？m，凱奇電氣公司的90M系列伺服電機(jī)完全可以滿足要求。

　　4時(shí)鐘同步機(jī)制

　　在分布式無(wú)軸傳動(dòng)同步控制系統(tǒng)中，需要各個(gè)印刷機(jī)組之間統(tǒng)一協(xié)調(diào)地工作，所以各個(gè)機(jī)組必須要有統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)，以保證各個(gè)印刷機(jī)組協(xié)調(diào)工作，完成印刷任務(wù)。

　　具體的時(shí)鐘同步實(shí)現(xiàn)方法分為硬件時(shí)鐘同步，同步報(bào)文授時(shí)同步和協(xié)議授時(shí)同步。

　　（1）硬件時(shí)鐘同步。硬件時(shí)鐘同步是指利用一定的硬件設(shè)施（如GPS接收機(jī)、UTC接收機(jī)、專用的時(shí)鐘信號(hào)線路等）進(jìn)行的局部時(shí)鐘之間的同步，操作對(duì)象是計(jì)算機(jī)的硬件時(shí)鐘。硬件同步可以獲得很高的同步精度（通常為10-9秒至10-6秒）。

　?。?）同步報(bào)文授時(shí)同步。在每個(gè)通訊周期開(kāi)始，主站以廣播形式發(fā)送一次同步報(bào)文。例如在SERCOS協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸層中，每個(gè)SERCOS的通訊周期開(kāi)始都以主戰(zhàn)發(fā)送的同步報(bào)文MST為標(biāo)志。MST的數(shù)據(jù)域非常短，只占1個(gè)字節(jié)。MST報(bào)文的同步精度很高，如果用光纜做傳輸介質(zhì)，同步精度可在4微妙之內(nèi)。

　?。?）協(xié)議授時(shí)同步。協(xié)議授時(shí)也叫軟件授時(shí)，指利用網(wǎng)絡(luò)將主時(shí)鐘源，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)給其他的子系統(tǒng)，以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步性。通過(guò)計(jì)算從發(fā)出主時(shí)鐘信息到發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接受該信息并產(chǎn)生中斷之間的時(shí)間差，可以得出延遲時(shí)間。然后通過(guò)延時(shí)補(bǔ)償來(lái)達(dá)到時(shí)間同步。軟件授時(shí)成本低，可由于同步信息在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)难舆t大且有很大的不確定性，所以授時(shí)精度低（通常為10-6秒到10-3秒）。

　　綜合考慮，本文的時(shí)鐘同步方案采用的是硬件時(shí)鐘同步，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)系統(tǒng)中指定的主時(shí)鐘來(lái)調(diào)整它們的時(shí)鐘，具體實(shí)現(xiàn)方法是：添加硬件時(shí)鐘同步信號(hào)線 CONCLK用來(lái)傳輸時(shí)間同步信號(hào)，同步控制信號(hào)周期為2 ms，以同步信號(hào)的上升沿作為同步點(diǎn)。在控制器中設(shè)置同步信號(hào)發(fā)生器，并在各個(gè)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)置同步接受單元。驅(qū)動(dòng)器從站的同步接受單元檢測(cè)到主戰(zhàn)的 CONCLK上升沿后，各從站時(shí)鐘同時(shí)清零。這樣定期清零不僅保持了各從站時(shí)鐘的一致性，同時(shí)也避免了同步誤差的累計(jì)。為了提高模塊同步信號(hào)的抗干擾能力，采用平衡差分驅(qū)動(dòng)方式傳輸同步信號(hào)。使用光耦隔離，可以使主站和從站的信號(hào)互不干擾。主、從站同步信號(hào)電路如圖3.

　　圖3主站、從站同步信號(hào)電路圖

　　5上位機(jī)同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

　　同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生任務(wù)放在到北京首科凱奇電氣技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)的軟PLC-ComacPLC系統(tǒng)中。該公司的軟PLC系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)采用的是工業(yè)計(jì)算機(jī)平臺(tái)，操作系統(tǒng)采用的是微軟推出的WinCE嵌入式操作系統(tǒng)。在此軟PLC系統(tǒng)中，建立了快邏輯任務(wù)和慢邏輯任務(wù)，快邏輯用于對(duì)時(shí)間要求高的場(chǎng)合，如緊急情況處理，高精度采樣等情況，慢邏輯任務(wù)主要用于一般對(duì)時(shí)間要求不高的場(chǎng)合。快邏輯任務(wù)是一個(gè)需要定時(shí)執(zhí)行的任務(wù)（類似于中斷服務(wù)程序），該任務(wù)必須在一個(gè)系統(tǒng)采樣周期內(nèi)執(zhí)行完成，慢邏輯任務(wù)是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，它可以在幾個(gè)系統(tǒng)采樣周期內(nèi)完成?？爝壿嬋蝿?wù)通過(guò)定時(shí)控制器8254來(lái)完成定時(shí)，定時(shí)周期為1毫秒。在執(zhí)行過(guò)程中每一次采樣周期都執(zhí)行一次快邏輯任務(wù)，產(chǎn)生成同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。為了保持各個(gè)從動(dòng)軸相對(duì)于主軸的同步關(guān)系，建立運(yùn)動(dòng)參考數(shù)據(jù)源來(lái)虛擬主軸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè)系統(tǒng)采樣周期中，根據(jù)虛擬主軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及各個(gè)從動(dòng)軸的同步運(yùn)動(dòng)要求，分別計(jì)算各個(gè)從動(dòng)軸的位置信息，產(chǎn)生各個(gè)從動(dòng)軸的同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，放入CAN控制器的發(fā)送隊(duì)列等待發(fā)送，如圖4.把運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生和運(yùn)算任務(wù)放在快邏輯任務(wù)中，保證產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

　　圖4同步運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生

　　6同步接口技術(shù)協(xié)議

　　本系統(tǒng)總線波特率設(shè)為1 Mbps，位傳輸時(shí)間τbit為1×10-6秒。每個(gè)數(shù)據(jù)幀由8個(gè)字節(jié)組成，發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度固定為131位（29位標(biāo)識(shí)符），反饋報(bào)文長(zhǎng)度為99位。數(shù)據(jù)幀傳送時(shí)間Cm＝131μs.把同步控制信號(hào)線CONCLK，作為同步周期信號(hào)線和報(bào)文的基準(zhǔn)信號(hào)線。同步控制信號(hào)周期為2 ms，高電平有效，信號(hào)電平寬度為10.正常通訊時(shí)，一個(gè)控制周期內(nèi)CAN網(wǎng)絡(luò)可以傳送16個(gè)同步數(shù)據(jù)報(bào)文。控制器在CONCLK上跳沿之后50μs內(nèi)發(fā)出指令報(bào)文，驅(qū)動(dòng)器在接受到指令報(bào)文后100微秒內(nèi)發(fā)出反饋報(bào)文。指令報(bào)文內(nèi)容包括位置指令值、邏輯接口信號(hào)輸入，其中位置指令占用4個(gè)字節(jié)（32位），邏輯接口信號(hào)輸入占用一個(gè)字節(jié)。邏輯接口信號(hào)輸入包括驅(qū)動(dòng)器使能、復(fù)位等指令。在反饋報(bào)文中，包括伺服運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息，通信時(shí)序如圖5.

　　圖5通訊時(shí)序圖

　　7結(jié)束語(yǔ)

　　本文針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械長(zhǎng)軸印刷機(jī)同步控制系統(tǒng)，提出了以控制器為核心的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，以CAN現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)在控制器和伺服之間的通信。此方案不僅克服了傳統(tǒng)機(jī)械長(zhǎng)軸控制方案的各種機(jī)械元件帶來(lái)的缺點(diǎn)，而且還具有同步性能好、各伺服單元不互相干擾、控制精度高、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

　　這種方法實(shí)現(xiàn)同步的特點(diǎn)在于利用了CAN總線可靠性高、傳輸時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)，和數(shù)字伺服的位置精度高、全閉環(huán)的優(yōu)點(diǎn)。

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