雙CPU伺服控制器的分析和設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 雙CPU伺服控制器的分析和設(shè)計(jì) 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)對精細(xì)化、化、高速化、自動(dòng)化發(fā)展的要求越來越高，傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器大部分采用8051系列的8位單片機(jī)，這種單片機(jī)雖然節(jié)省了開發(fā)周期，但缺乏靈活性，且運(yùn)算能力有限，難以勝任*求運(yùn)作設(shè)備。 target=_blankDSP的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理功能十分強(qiáng)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(jī)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(diǎn)DSP和ATMEL公司的AT89C51為主控芯

2、片的運(yùn)動(dòng)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)并開展數(shù)據(jù)交換，并以DSP高速運(yùn)動(dòng)控制卡作細(xì)插補(bǔ)和伺服控制的，來對永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)開展控制，取得了良好的應(yīng)用效果。 2HANUC 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(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)高速、高度曲面輪廓精加工，必須提高微段輪廓線的解釋執(zhí)行能力和伺服驅(qū)動(dòng)特性，為了保證零件程序的傳送、插補(bǔ)、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(jī)在工業(yè)現(xiàn)場控制中，存

3、在體積大、功耗高、可靠性差等缺點(diǎn)。 基于這種情況， 嵌入式工業(yè)微機(jī)PCl04總線模塊應(yīng)運(yùn)而生。 圖1 HANUC CNC2000i數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)造框圖 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(shí)的快速性和性。 運(yùn)動(dòng)控制模塊是本系統(tǒng)的，它以智能功率模塊為開關(guān)器件，以TMSLF2407 +AT89C51為硬件控制，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(jī)，編碼器將實(shí)際工作情況通過伺服放大器返回給運(yùn)動(dòng)控制模塊，這種閉環(huán)控制模式充分保證了加工

4、度。 通過正、負(fù)限位開關(guān)防止“飛車”、失控等危險(xiǎn)事故發(fā)生。 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)造如圖2所示。 圖2 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)造圖 TMSLF2407是用來實(shí)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(shí)時(shí)性比較高的矢量控制和閉環(huán)控制。 用單片機(jī)完成實(shí)時(shí)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(jī)開展控制等功能。 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(dòng)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

5、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(dòng)機(jī)的諧波損耗，降低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且其控制簡單，數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便，電壓利用率高，已有取代傳統(tǒng)SPWM的趨勢。 脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路開展控制的一種非常有效的技術(shù)。 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平開展數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)具體模擬信號的電平開展編碼。PWM信號仍

6、然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM開展編碼。 PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。 在本文中， Tk 和Tk+1分別為在逆變器相鄰兩個(gè)工作狀態(tài)Vsk

7、和Vsk+1下的導(dǎo)通時(shí)間，表示為 在一個(gè)完整的調(diào)制周期Ts 內(nèi)， 除了Tk 和Tk+1的導(dǎo)通時(shí)間外， 其余為0 狀態(tài)時(shí)間。 0 狀態(tài)時(shí)間T0 由兩個(gè)自由輪換狀態(tài)時(shí)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(gè)區(qū)域內(nèi)，一般發(fā)生在每個(gè)調(diào)制周期的開始和結(jié)束時(shí)， 總的0狀態(tài)時(shí)間一般分成兩個(gè)相同的0狀態(tài)時(shí)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 /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(jì)算出電壓參考信號

8、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(shí)間，如下表1所示。 圖5 數(shù)據(jù)處理模塊子程序框圖 5實(shí)驗(yàn)研究 伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)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(jī)床的性能。 本文在一臺HANUC CNC2000 i系統(tǒng)中開展了實(shí)驗(yàn)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(gè)通道分別為速度指令n （單位： r /min） , 反應(yīng)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(shí)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(jī)與DSP配合，系統(tǒng)的運(yùn)算和實(shí)時(shí)處理的能力大大增強(qiáng)，可以適