高速高精度直流伺服運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

    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(jī)的性價(jià)比，提出了一種以tms320c2812為控制核心、以l6203為功率驅(qū)動(dòng)模塊，以永磁直流伺服電機(jī)為控制對(duì)象的二維直流伺服實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。控制器采用先進(jìn)的四模塊結(jié)構(gòu)，即摩擦補(bǔ)償模塊、速度環(huán)干擾觀測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)機(jī)；雕刻機(jī)；高精度；零相位誤差跟蹤控制

    中圖分類號(hào)：tm383．4+1  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a  文章編號(hào)：1004—7018(2010)04—0048—04

0引言

  隨著雕刻工具和技術(shù)不斷改進(jìn)，雕刻行業(yè)所涉及的領(lǐng)域越來(lái)越廣，如在模具、廣告、精密加工等方面，數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)和機(jī)械工作平臺(tái)五部分組成。雕刻軟件在計(jì)算機(jī)上根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣自動(dòng)計(jì)算出刀具的運(yùn)動(dòng)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(guò)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(bǔ)算法計(jì)算出置軸和y軸的給定速度，即路徑規(guī)劃，并實(shí)時(shí)發(fā)送給伺服控制器，而伺服控制器則負(fù)責(zé)跟蹤各個(gè)軸的給定速度(軌跡)，執(zhí)行抬刀(落刀)指令，完成實(shí)際雕刻加工的任務(wù)。整個(gè)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(jī)、數(shù)控系統(tǒng)及伺服控制器之間的通訊速度，伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；而加工精度則主要取決于伺服控制器和機(jī)械加工平臺(tái)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(bǔ)算法^[1-2]，永磁直流電動(dòng)機(jī)取代傳統(tǒng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、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(jī)、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(wú)超調(diào)、無(wú)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(yùn)動(dòng)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(bǔ)償模塊、干擾觀測(cè)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(shí)驗(yàn)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(jì)

    數(shù)字信號(hào)處理器[4]因其豐富的資源和高速計(jì)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(gè)子系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)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(jìn)行擴(kuò)展和性能提升，還可以很方便地對(duì)不同算法進(jìn)行比較、篩選，如圖2所示。

   雕刻軟件在計(jì)算機(jī)上根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣自動(dòng)計(jì)算出刀具的運(yùn)動(dòng)位置，即刀具路徑，并通過(guò)串口發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)中插補(bǔ)算法控制器dspl，后者根據(jù)雕刻軟件生成的軌跡坐標(biāo)按照一定插補(bǔ)算法給出離散參考速度信號(hào)，并通過(guò)串口[4]實(shí)時(shí)傳送給直流伺服運(yùn)動(dòng)控制器dsp2；運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)給定的x軸和y軸參考速度信號(hào)(通過(guò)離散積分即可得到參考位移信號(hào))，結(jié)合編碼器反饋回的x軸和l，軸實(shí)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(hào)；這兩組pwm信分別用來(lái)觸發(fā)x軸和y軸電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制雕刻機(jī)x軸和y軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)，完成實(shí)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(jì)

    從圖2中可以看出，被控對(duì)象的高階、低價(jià)(名義)模型和摩擦補(bǔ)償模型是對(duì)位移環(huán)的前饋控制器

2.2被控對(duì)象的簡(jiǎn)化模型和摩擦補(bǔ)償模型

    本系統(tǒng)中電機(jī)端電壓到速度在連續(xù)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型可寫為：

式中：j為電機(jī)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，b為等效粘性摩擦系數(shù)，j和b中可以通過(guò)測(cè)量被控系統(tǒng)的階躍響應(yīng)來(lái)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)