引言

　　伺服系統(tǒng)是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。

　　機床是將金屬毛坯加工成機器零件的機器，是裝備制造業(yè)的母機，也是裝備制造業(yè)的引擎。現(xiàn)代機械制造中加工機械零件的方法很多：除切削加工外，還有鑄造、鍛造、焊接、沖壓、擠壓等，但凡屬要求較高和表面粗糙度要求較細(xì)的零件，一般都需在機床上用切削的方法進(jìn)行終加工。在一般的機器制造中，機床所擔(dān)負(fù)的加工工作量占機器總制造工作量的40％-60％，機床在國民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的建設(shè)中起著重大作用。我國“十一五”發(fā)展規(guī)劃明確規(guī)定：國產(chǎn)數(shù)控機床國內(nèi)市場占有率要達(dá)到60%，高端產(chǎn)品與國際先進(jìn)水平的差距縮小到5年以內(nèi)。

　　近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、新型電機控制理論和稀土永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電動機得以迅速的推廣應(yīng)用。永磁同步電動機具有體積小，損耗低，效率高等優(yōu)點，在節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)日益受到重視的今天，對其研究就顯得非常必要。因此。這里對永磁同步電機的控制策略進(jìn)行綜述，并介紹了永磁同步電動機控制系統(tǒng)的各種控制策略發(fā)展方向

　　針對舊產(chǎn)品的信號處理時間長，電流與位置信號檢測低的不足，本系統(tǒng)以TMS320F2812 DSP為控制器，縮短了信號處理時間且提高電流采樣；位置檢測用多摩川的TS5667N120 17位式編碼器以提高了位置檢測。系統(tǒng)在數(shù)控加工中心的應(yīng)用中，具有定位無超調(diào)、高剛性、高速度穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，可以滿足微米級加工的要求。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)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 DSP為控制，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(fā)出的SVPWM信號送入IPM模塊，完成DC/AC逆變，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)。編碼器接口將式編碼器所記錄的永磁同步電動機的磁極位置、電動機轉(zhuǎn)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(jīng)電流檢測模塊量測、濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉(zhuǎn)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(jīng)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(shù)的輸入，運行狀態(tài)與運行參數(shù)顯示。存儲器模塊用以存儲控制參數(shù)與系統(tǒng)故障信息。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　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)管理模塊對人機接口、控制算法、加減速控制、故障處理等四個任務(wù)進(jìn)行調(diào)度管理。控制算法主要包括：調(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)計方法，遵循“功能獨立”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、調(diào)試、修改和維護(hù)。矢量控制軟件設(shè)計采用典型的前后臺模式，以主程序作為后臺任務(wù)，中斷服務(wù)程序作為前臺任務(wù)。根據(jù)矢量控制算法的特點，中斷服務(wù)程序只處理實時性高的PWM控制子程序，把系統(tǒng)的一些測量、鍵盤處理和顯示等一系列實時性不高的任務(wù)放到后臺任務(wù)。

　　矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準(zhǔn)確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。鑒于電機參數(shù)有可能發(fā)生變化，會影響變頻器對電機的控制性能，目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機進(jìn)行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進(jìn)行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對普通的異步電動機進(jìn)行有效的矢量控制。

　　主程序是軟件的主體框架，其工作過程是：系統(tǒng)上電復(fù)位后，依次對片內(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)計算與保存。

　　PWM中斷服務(wù)。在PWM中斷到來時，首先讀取編碼信號，進(jìn)行角度和速度計算，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，進(jìn)入空間矢量模塊，產(chǎn)生PWM信號。

　　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)采用比例加前饋補償控制。

　　PID控制算法

　　PID控制算法是控制中常用的算法，對于大多數(shù)的控制對象采用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控制的積分時間　　常數(shù)，Td為PID控制的微分時間常數(shù)，Kc為退飽和時間常數(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，H（s） =1，則可使輸出完全復(fù)現(xiàn)輸入信號，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，在位置環(huán)的截止頻率遠(yuǎn)小于速度環(huán)的截止頻率時，速度環(huán)可等效為一個慣性環(huán)節(jié)，電機可等效為一個積分環(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(shù)。

　　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(shù)。

　　相應(yīng)的位置環(huán)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(huán)信號的輸出，Kc為位置環(huán)比例系數(shù)。

　　式編碼器通信程序

　　編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線……編排，這樣，在編碼器的每一個位置，通過讀取每道刻線的通、暗，獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的的2進(jìn)制編碼（格雷碼），這就稱為n位編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機械位置決定的，它不受停電、干擾的影響。編碼器由機械位置決定的每個位置的性，它無需記憶，無需找參考點，而且不用一直計數(shù)，什么時候需要知道位置，什么時候就去讀取它的位置。這樣，編碼器的抗干擾特性、數(shù)據(jù)的可靠性大大提高了。

　　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(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(shù)據(jù)，并通過端口DOUT將數(shù)據(jù)串行輸出到RS-485端口。反過來，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模塊同時將接收到的位置信號轉(zhuǎn)成脈沖形式輸出，實現(xiàn)與CNC的連接。

　　實驗結(jié)果分析

　　本設(shè)計，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計出實驗測試平臺，記錄實驗測試結(jié)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(shù)據(jù)采集卡PCI-6251，16、NI 計數(shù)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(tǒng)的加、減速時間小于200ms;無位置超調(diào)；穩(wěn)定時，速度波動小于0.1轉(zhuǎn)。速度頻率響應(yīng)：大于300Hz;速度波動率：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：1個脈沖。

　　圖6給出了驅(qū)動器配國產(chǎn)某品牌加工中心的機械加工結(jié)果。實驗測試數(shù)據(jù)：上表面表面粗糙度Ra1.6μm;側(cè)面（即測量面）的粗糙度Ra3.2μm。

　　結(jié)語

　　針對數(shù)控機床進(jìn)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位式編碼器為主要功能部件，設(shè)計出的永磁同步電機伺服驅(qū)動控制器，在數(shù)控加工中心的應(yīng)用中，具有定位無超調(diào)、高剛性、高速度穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)，可以滿足微米級加工的要求。