浅谈TMS320F2812的高伺服位置环设计

　　引言

　　伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。它的主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制的非常灵活方便。

　　机床是将金属毛坯加工成机器零件的机器，是装备制造业的母机，也是装备制造业的引擎。现代机械制造中加工机械零件的方法很多：除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压等，但凡属要求较高和表面粗糙度要求较细的零件，一般都需在机床上用切削的方法进行终加工。在一般的机器制造中，机床所担负的加工工作量占机器总制造工作量的40％-60％，机床在国民经济现代化的建设中起着重大作用。我国“十一五”发展规划明确规定：国产数控机床国内市场占有率要达到60%，高端产品与国际先进水平的差距缩小到5年以内。

　　近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。因此。这里对永磁同步电机的控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向

　　针对旧产品的信号处理时间长，电流与位置信号检测低的不足，本系统以TMS320F2812 DSP为控制器，缩短了信号处理时间且提高电流采样；位置检测用多摩川的TS5667N120 17位式编码器以提高了位置检测。系统在数控加工中心的应用中，具有定位无超调、高刚性、高速度稳定性，达到了设计指标，可以满足微米级加工的要求。

　　系统硬件设计

　　系统硬件以 TMS320F2812DSP控制器、三菱公司的IPM功率模块、多摩川公司的TS5667N120 17位式编码器为主要功能部件，硬件系统框图如图1所示。

　　图1中TMS320F2812 DSP为控制，接收来自CNC、编码器接口、电流检测模块和故障信号处理模块的信息，完成对永磁同步电机控制和故障处理。光电隔离模块作为电子电路与功率主电路的接口，将DSP发出的SVPWM信号送入IPM模块，完成DC/AC逆变，驱动电动机旋转。编码器接口将式编码器所记录的永磁同步电动机的磁极位置、电动机转向和编码器报警等信息送往DSP，同时将永磁同步电动机的位置信息送往CNC。电机相电流经电流检测模块量测、滤波、幅度变换、零位偏移、限幅，转化为0~3V的电压信号送入DSP的A/D引脚。功率主电路的过压、欠压、短路、电源掉电和IPM故障等信号经故障检测模块检测与处理后，送入DSP的I/O端口。键盘与显示模块是控制器的人机接口，用以完成控制参数的输入，运行状态与运行参数显示。存储器模块用以存储控制参数与系统故障信息。

　　系统软件设计

　　按任务划分，系统软件由任务与任务管理模块构成，任务管理模块对人机接口、控制算法、加减速控制、故障处理等四个任务进行调度管理。控制算法主要包括：调节器控制算法、矢量控制算法和数字滤波器算法等。

　　按照结构化程序设计方法，遵循“功能独立”的原则，将系统软件划分为主程序模块和矢量控制程序模块两大部分，各部分又划分为若干子模块，以利于软件设计、调试、修改和维护。矢量控制软件设计采用典型的前后台模式，以主程序作为后台任务，中断服务程序作为前台任务。根据矢量控制算法的特点，中断服务程序只处理实时性高的PWM控制子程序，把系统的一些测量、键盘处理和显示等一系列实时性不高的任务放到后台任务。

　　矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。鉴于电机参数有可能发生变化，会影响变频器对电机的控制性能，目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。

　　主程序是软件的主体框架，其工作过程是：系统上电复位后，依次对片内外设进行初始化、从E2PROM中读出控制参数、LED显示初始信息。初始化完成后，主程序循环执行LED显示、键盘处理和参数计算与保存。

　　PWM中断服务。在PWM中断到来时，首先读取编码信号，进行角度和速度计算，接着进行A/D采样并执行clark和park变换，然后进行PI调节、反park变换，进入空间矢量模块，产生PWM信号。

　　控制器算法

　　系统采用三环控制结构，电流环、速度环采用PI控制，位置环采用比例加前馈补偿控制。

　　PID控制算法

　　PID控制算法是控制中常用的算法，对于大多数的控制对象采用PID控制均能达到满意的效果。为防止PID调节器出现过饱和，系统采用带退饱和的PID控制器，如图2所示。

　　离散PID控制算法如下：

 

 

　　式中，为饱和前的输出，KP为PID控制的比例增益，Ti为PID控制的积分时间　　常数，Td为PID控制的微分时间常数，Kc为退饱和时间常数。

　　位置控制器的控制算法

　　位置控制器采用比例加前馈控制结构，如图3所示，其中Gm为电机的传递函数，Gspd为速度环的传递函数，Gpos为位置环的传递函数，Fpos为位置前馈控制器传递函数。

　　系统的传递函数为：

　　当Fpos（s）=1/（Gspd（s）Gm（s））时，H（s） =1，则可使输出完全复现输入信号，且系统的暂态和稳态误差都为零。其中当速度调节器采用PI控制时，在位置环的截止频率远小于速度环的截止频率时，速度环可等效为一个惯性环节，电机可等效为一个积分环节，于是Fpos（s）可以看成加速度前馈和速度前馈两部分[5]，其中：位置前馈中加速度项差分方程：

　　式中R（k）为第K个采样周期中的位置给定信号；Yaf为第K个采样周期中加速度信号的输出，Kaf为加速度前馈比例系数。

　　位置前馈中速度项差分方程：

　　式中R（k）为第K个采样周期中的位置给定信号；Yaf为第K个采样周期中速度信号的输出，Ksf为速度前馈比例系数。

　　相应的位置环P的差分方程：

　　

　　式中R（k）为第K个采样周期中的位置给定信号；C（k）为第K个采样周期中的位置反馈信号，Ye为第K个采样周期中位置环信号的输出，Kc为位置环比例系数。

　　式编码器通信程序

　　编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线……编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的的2进制编码（格雷码），这就称为n位编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。编码器由机械位置决定的每个位置的性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。

　　式编码器与DSP的接口采用CPLD作为接口芯片。CPLD的程序采用VHDL语言编写，程序结构如图4所示。此电路完成串行输入数据到并行输出数据的转换，以及并行输入数据到串行输出数据的转换。

　　图4中，模块DIV为时钟分频器，TX模块接收来自微处理器接口模块MP的8位并行数据，并通过端口DOUT将数据串行输出到RS-485端口。反过来，RX模块接收串行数据输入，并以8位并行格式发送至MP模块，MP模块同时将接收到的位置信号转成脉冲形式输出，实现与CNC的连接。

　　实验结果分析

　　本设计，应用虚拟仪器技术设计出实验测试平台，记录实验测试结果。虚拟测试平台配置如下：软件NI LabVIEW 8.0，硬件NI M系列多功能数据采集卡PCI-6251，16、NI 计数器/定时器PCI-6602。

　　图5给出了加工过程中的速度波形。图5表明，系统的加、减速时间小于200ms;无位置超调；稳定时，速度波动小于0.1转。速度频率响应：大于300Hz;速度波动率：小于±0.01%（负载0～100%）、0（电源±10%）；调速范围：0.1rpm~3000rpm;回转定位：1个脉冲。

　　图6给出了驱动器配国产某品牌加工中心的机械加工结果。实验测试数据：上表面表面粗糙度Ra1.6μm;侧面（即测量面）的粗糙度Ra3.2μm。

　　结语

　　针对数控机床进给控制，采用磁场定向控制与前馈补偿控制，以 TMS320F2812DSP 控制器、IPM功率模块、TS5667N120 17位式编码器为主要功能部件，设计出的永磁同步电机伺服驱动控制器，在数控加工中心的应用中，具有定位无超调、高刚性、高速度稳定性，达到了设计指标，可以满足微米级加工的要求。