高速高精度直流伺服運動控制器的設(shè)計
王付勝，張興
(合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥230009)
摘要：為滿足數(shù)控伺服系統(tǒng)高速高精度的加工要求，提高數(shù)控雕刻機的性價比，提出了一種以tms320c2812為控制核心、以l6203為功率驅(qū)動模塊，以永磁直流伺服電機為控制對象的二維直流伺服實時運動控制系統(tǒng)�？刂破鞑捎孟冗M的四模塊結(jié)構(gòu)，即摩擦補償模塊、速度環(huán)干擾觀測器模塊、位移環(huán)反饋控制模塊和采用零相位誤差跟蹤控制技術(shù)的前饋控制器模塊，有效提高了系統(tǒng)的跟蹤精度和加工速度。實驗結(jié)果證明該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、跟蹤精度高、加工速度快，有望在數(shù)控加工行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：數(shù)控；永磁直流伺服電動機；雕刻機；高精度；零相位誤差跟蹤控制
中圖分類號：tm383．4+1 文獻標識碼：a 文章編號：1004—7018(2010)04—0048—04
0引言
隨著雕刻工具和技術(shù)不斷改進，雕刻行業(yè)所涉及的領(lǐng)域越來越廣，如在模具、廣告、精密加工等方面，數(shù)控雕刻機得到了廣泛的應(yīng)用。它主要有雕刻軟件、數(shù)控系統(tǒng)、伺服控制器、伺服電機和機械工作平臺五部分組成。雕刻軟件在計算機上根據(jù)設(shè)計圖樣自動計算出刀具的運動位置和狀態(tài)，即刀具路徑和刀具的抬力、落刀狀態(tài)，并通過串口發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控系統(tǒng)則根據(jù)接收到的刀具路徑和狀態(tài)按照一定的插補算法計算出置軸和y軸的給定速度，即路徑規(guī)劃，并實時發(fā)送給伺服控制器，而伺服控制器則負責(zé)跟蹤各個軸的給定速度(軌跡)，執(zhí)行抬刀(落刀)指令，完成實際雕刻加工的任務(wù)。整個系統(tǒng)的加工速度取決于數(shù)控系統(tǒng)的路徑規(guī)劃算法，上位機、數(shù)控系統(tǒng)及伺服控制器之間的通訊速度，伺服電機的額定轉(zhuǎn)速；而加工精度則主要取決于伺服控制器和機械加工平臺的性能。在本系統(tǒng)中，路徑規(guī)劃采用連續(xù)微小路徑段高速自適應(yīng)前瞻插補算法[1-2]，永磁直流電動機取代傳統(tǒng)的步進電動機、采用tms320c2812作為數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制器的核心cpu，以此保證上位機、數(shù)控系統(tǒng)、伺服控制器三者之間能夠并行完成各自所需處理的任務(wù)，從而顯著提高系統(tǒng)的加工速度。另外，傳統(tǒng)的pid伺服控制器已難以滿足數(shù)控系統(tǒng)定位精度高、無超調(diào)、無振蕩、響應(yīng)速度快且魯棒性好的要求，本系統(tǒng)采用高性能魯棒運動控制系統(tǒng)的四模塊通用控制器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。它由摩擦補償模塊、干擾觀測器、位移反饋控制器和前饋控制器四部分組成，其中前饋控制器采用零相位誤差跟蹤控制(zpetc)技術(shù)，實驗結(jié)果證明采用此伺服控制器可以顯著提高系統(tǒng)的加工精度。
1基于dsp的系統(tǒng)方案設(shè)計
數(shù)字信號處理器[4]因其豐富的資源和高速計算能力使其能夠成功的應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中，以保證各個子系統(tǒng)能夠?qū)崟r并行完成各自所需處理的任務(wù)，而且可以按照系統(tǒng)的需要進行擴展和性能提升，還可以很方便地對不同算法進行比較、篩選，如圖2所示。
雕刻軟件在計算機上根據(jù)設(shè)計圖樣自動計算出刀具的運動位置，即刀具路徑，并通過串口發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)中插補算法控制器dspl，后者根據(jù)雕刻軟件生成的軌跡坐標按照一定插補算法給出離散參考速度信號，并通過串口[4]實時傳送給直流伺服運動控制器dsp2；運動控制器根據(jù)給定的x軸和y軸參考速度信號(通過離散積分即可得到參考位移信號)，結(jié)合編碼器反饋回的x軸和l，軸實際位移輸出，根據(jù)圖1的控制算法得到z軸和y軸兩組pwm信號；這兩組pwm信分別用來觸發(fā)x軸和y軸電機的功率驅(qū)動模塊，進而控制雕刻機x軸和y軸電機運動，完成實際的加工任務(wù)。
2四模塊直流伺服控制器的參數(shù)設(shè)計
從圖2中可以看出，被控對象的高階、低價(名義)模型和摩擦補償模型是對位移環(huán)的前饋控制器
2.2被控對象的簡化模型和摩擦補償模型
本系統(tǒng)中電機端電壓到速度在連續(xù)系統(tǒng)的簡化模型可寫為：
式中：j為電機等效轉(zhuǎn)動慣量，b為等效粘性摩擦系數(shù)，j和b中可以通過測量被控系統(tǒng)的階躍響應(yīng)來估算。在不同階躍輸入電壓下的速度曲線如圖4所示，根據(jù) |
