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（凱邁（洛陽）測控有限公司，河南 洛陽 471009）

1 引言

交流伺服運(yùn)動系統(tǒng)相對于步進(jìn)運(yùn)動系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)［1］：噪音?。浑姍C(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證了控制精度高；低速運(yùn)行平穩(wěn)，并具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械剛性不足；矩頻特性穩(wěn)定，額定轉(zhuǎn)速內(nèi)以額定轉(zhuǎn)矩輸出，額定轉(zhuǎn)速外以恒功率輸出；具有3倍于額定轉(zhuǎn)矩的過載能力，可以克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩；控制性能可靠，不易出現(xiàn)丟步或過沖現(xiàn)象；速度響應(yīng)快，從靜止加速到額定轉(zhuǎn)速僅需數(shù)ms，適用于快速啟停的控制場合。

2 工作原理

本文設(shè)計(jì)的交流伺服運(yùn)動系統(tǒng)主要由上位機(jī)、控制系統(tǒng)、交流電機(jī)及伺服驅(qū)動器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示［2－3］。

圖1 交流伺服運(yùn)動系統(tǒng)Fig.1 AC servo motion system

上位機(jī)通過422串口發(fā)出控制指令，同時反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動信息；控制系統(tǒng)通過交流伺服驅(qū)動器，以脈沖或正負(fù)電平兩種方式控制交流電機(jī)按設(shè)定模式運(yùn)轉(zhuǎn)，并實(shí)時處理執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動信息；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由導(dǎo)程為5mm的滾珠絲杠傳動，配合伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)±1 000mm行程，定位精度0.01 mm，速度范圍0.1～250mm／s、速度精度0.1 mm／s、加速度500mm／s2的速度連續(xù)可調(diào)的技術(shù)指標(biāo)。其中，交流電機(jī)內(nèi)置光電編碼器輸出反饋脈沖，伺服驅(qū)動器速度監(jiān)視輸出正負(fù)電平，兩種數(shù)據(jù)經(jīng)處理換算后提供執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前運(yùn)動方向、速度與位置等信息。

3 伺服驅(qū)動器

運(yùn)動系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量與功率需求，選用松下高慣量交流電機(jī)MHMD082G1C，內(nèi)置20位增量旋轉(zhuǎn)式編碼器。相應(yīng)的交流伺服驅(qū)動器為MCDHT3520，其參數(shù)設(shè)置要與控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)緊密配合，以實(shí)現(xiàn)速度及定位的控制精度要求。為反饋計(jì)算方便，輸入脈沖／電平與反饋脈沖／電平等數(shù)量級，其參數(shù)對應(yīng)關(guān)系如下：電機(jī)轉(zhuǎn)速1r／s（60r／min）與目標(biāo)速度5mm／s、控制／反饋電壓200mV、控制／反饋脈沖頻率3 240Hz相對應(yīng)。如目標(biāo)速度設(shè)為50mm／s時，電機(jī)轉(zhuǎn)速為10r／s（600r／min），控制／反饋電壓為2 000mV，控制／反饋脈沖頻率為32 400Hz，其余可類推。

依據(jù)上述關(guān)系，設(shè)置交流伺服驅(qū)動器控制／反饋脈沖與電壓參數(shù)如下：脈沖控制方式的指令采用脈沖序列＋符號方式，PULS信號的脈沖頻率與電機(jī)運(yùn)行速度相對應(yīng)，SIGN信號的高低電平與電機(jī)的正反轉(zhuǎn)相對應(yīng)，如圖2所示。

圖2 脈沖控制方式Fig.2 Pulse control mode

正負(fù)電平控制方式速度指令輸入增益與速度監(jiān)視輸出電壓均設(shè)置為10V←→3 000r／min；加速度為500mm／s2，交流伺服驅(qū)動器加／減速時間均設(shè)置為5ms，即從0運(yùn)行至1 000r／min所需要的時間。

目標(biāo)速度分為高中低檔，低檔0.1～99.9 mm／s，中檔100～175.9mm／s，高檔176～250 mm／s，在單程定位運(yùn)動及將運(yùn)行至極限位置±1 000mm處時，以24ms為周期的加／減速調(diào)整范圍分別為2mm，4mm和6mm，以最大限度地減少目標(biāo)運(yùn)動慣量的影響。由于伺服驅(qū)動器在速度指令控制電壓不超過60mV，以及內(nèi)部速度指令不超過30r／min時，會產(chǎn)生電機(jī)不轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，因此驅(qū)動器采用位置／速度控制模式。根據(jù)上位機(jī)的控制命令，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度小于60 r／min時采用位置控制模式；當(dāng)電機(jī)運(yùn)行速度大于60r／min時切換到速度控制模式。

伺服驅(qū)動器SF1與SF2并聯(lián)聯(lián)接，以常閉形式接入蘑菇頭按鈕開關(guān)，提供緊急情況下人工關(guān)閉驅(qū)動信號、切斷電機(jī)電流的功能。

4 控制系統(tǒng)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件主要由電源與轉(zhuǎn)換、晶振與復(fù)位、TMS320F2812、串口通信、脈沖控制與反饋鑒相、速度電平控制與監(jiān)視、定位與限位等電路模塊構(gòu)成。

電源轉(zhuǎn)換芯片TPS767D301輸入5V，輸出3.3V供 TMS320F2812I／O電壓，輸出1.9V供TMS320F2812核心電壓，并提供復(fù)位輸出功能；晶振30MHz，經(jīng)PLL鎖相環(huán)5倍頻后供給TMS320F2812內(nèi)核；串口通信采用 MAX3162，可同時實(shí)現(xiàn)232及422兩種模式通信，其中232模式用于輔助調(diào)試，422模式用于控制命令的接收和電機(jī)運(yùn)行信息的反饋。

脈沖控制與反饋模塊利用高速光耦HCPL－2631對驅(qū)動器控制脈沖序列PULSH及符號SIGNH進(jìn)行光電隔離處理；利用中速光耦TLP521－4對驅(qū)動器控制信號INH，POT，NOT，CL，SRV－ON，ZEROSPD，C－MODE，A－CLR，對驅(qū)動器反饋信號S－RDY，ALM進(jìn)行光電隔離處理，以提高抗干擾性，并具有3.3V與24V電平信號的匹配與轉(zhuǎn)換功能。

脈沖鑒相模塊中，伺服電機(jī)內(nèi)置編碼器通過伺服驅(qū)動器輸出A，B，Z3路差分互補(bǔ)脈沖，計(jì)算A相或B相的脈沖個數(shù)，經(jīng)換算得目標(biāo)當(dāng)前運(yùn)行速度和位置信息。當(dāng)電機(jī)內(nèi)置光電編碼器正轉(zhuǎn)時，A相超前B相1／4周期；反轉(zhuǎn)時，A相落后B相1／4個周期。根據(jù)光電編碼器正反轉(zhuǎn)時A相與B相的相位差關(guān)系，將A相與B相分別接到D觸發(fā)器SN54LS74AJ的D端與CLK端，如圖3所示。則正轉(zhuǎn)時，Q＝0；反轉(zhuǎn)時，Q＝1。

圖3 光電編碼器反饋脈沖波形與鑒相Fig.3 Feedback pulse waveform and identifying of the optical encoder

當(dāng)伺服驅(qū)動器工作在速度模式時，速度電平控制模塊通過14位D／A轉(zhuǎn)換器AD7841BS輸出－10～10V電平，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)及其運(yùn)轉(zhuǎn)速度。速度電平監(jiān)視模塊采用14位A／D轉(zhuǎn)換器TLC3578接受±10V的速度監(jiān)視輸出電壓，以反饋電機(jī)正反轉(zhuǎn)及其運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

對射型光電開關(guān)GK122分別安裝在行程為－1 000mm，0mm，1 000mm處，其引腳電平變化觸發(fā)中斷，提供位置基準(zhǔn)，配合其它控制引腳實(shí)現(xiàn)定位、校準(zhǔn)、限位等功能。其中0mm處光電開關(guān)的零位基準(zhǔn)點(diǎn)配合反饋脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)至極限位置則返回，提供軟件保護(hù)功能。行程開關(guān)KW4A－1ZA緊貼極限位置光電開關(guān)外，當(dāng)程序異常或漏判±1 000mm而沖至行程有效動作范圍內(nèi)時，則直接切斷驅(qū)動器的24V供電回路，提供硬保護(hù)功能。

詞在最初是配合樂曲演唱的，而詞牌就是曲調(diào)，這些曲調(diào)又分屬于各種宮調(diào)，決定宮調(diào)之后才能演奏曲譜?！饵c(diǎn)絳唇》調(diào)名用南朝江淹《詠美人春游詩》：“江南二月春，東風(fēng)轉(zhuǎn)綠蕷。不知誰家子，看花桃李津。白雪凝瓊貌，明珠點(diǎn)絳唇。行人成息駕，爭擬洛川神?！痹短綐犯纷ⅰ跋蓞螌m”；高拭詞注“黃鐘宮”；《正音譜》注“仙呂調(diào)”。龍榆生先生在《唐宋詞格律》中也提到“《清真集》入’仙呂調(diào)’，元北曲同，但平仄句式略異，今京劇中猶常用之”。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電機(jī)可靠運(yùn)行及控制的實(shí)時性，TMS320F2812軟件設(shè)計(jì)主要采用中斷方式。主函數(shù)在初始化后等待伺服驅(qū)動準(zhǔn)備好，之后便進(jìn)入休眠狀態(tài)等待中斷。中斷資源分配及相應(yīng)功能如下。

串口A中斷：主要實(shí)現(xiàn)命令的接收與目標(biāo)當(dāng)前位置與速度信息的反饋，為克服數(shù)據(jù)傳輸過程中的不確定性，采用幀起始字符＋數(shù)據(jù)／命令＋校驗(yàn)字＋幀停止字符的數(shù)據(jù)格式。

外部中斷1：主要實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)報警處理與3個定位光耦處定位與基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置功能。

通用定時器1比較中斷：主要實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的控制輸出PWM波的精細(xì)調(diào)整。

通用定時器2捕獲中斷：主要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)當(dāng)前位置與速度的計(jì)算。

通用定時器3溢出中斷：提供10ms的中斷間隔，控制速度監(jiān)視A／D的采樣頻率。

通用定時器4溢出中斷：提供6ms的時間單元，用于24ms周期間隔的PID算法調(diào)用。

為保證交流電機(jī)運(yùn)行速度平穩(wěn)快速準(zhǔn)確地到達(dá)設(shè)定值，調(diào)用帶死區(qū)的PID控制算法，其死區(qū)范圍為設(shè)定值±10mm／s范圍內(nèi)，超出該范圍則不進(jìn)行PID控制。在不產(chǎn)生過大過沖的情況下，盡可能地把起控點(diǎn)抬高，以利于后續(xù)控制部分進(jìn)一步細(xì)化。另外，在進(jìn)入控制之前所有積分項(xiàng)的數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行清零處理。

對PID參數(shù)進(jìn)行整定時，首先將控制范圍10 mm／s劃分為100等分，即0.1mm／s的速度控制精度，設(shè)其為標(biāo)準(zhǔn)控制單位U。速度誤差最大為250mm／s，所對應(yīng)的控制量為2 500U，則Kp值設(shè)為25，然后根據(jù)PID歸一參數(shù)整定公式確定Ki與Kd初始值，再在此基礎(chǔ)上細(xì)調(diào)。

4.3 抗干擾設(shè)計(jì)

伺服驅(qū)動器通過高速開關(guān)輸出電流，是伺服運(yùn)動系統(tǒng)中主要的噪聲來源，其抗干擾設(shè)計(jì)從布局、布線、接地、屏蔽、濾波與隔離等方面進(jìn)行［4－5］。

布局根據(jù)EMC的區(qū)域原則進(jìn)行?？刂齐娐钒鍐为?dú)置于一個金屬盒內(nèi)，伺服驅(qū)動器、開關(guān)電源等單元靠近控制箱底部，用接地金屬隔離板將區(qū)域隔離。

布線采用樹叉狀方式，強(qiáng)弱分開，電機(jī)電纜和其它電纜長度最小距離為500mm，并避免構(gòu)成環(huán)路?？刂齐娎|和電源電纜、動力電纜90°交叉。24V及其以上的強(qiáng)電電纜屏蔽層兩端接地，并用金屬夾將屏蔽層固定在安裝板上。強(qiáng)電接地板和信號線接地板最小距離20cm，用6mm銅帶搭接至大地端子。

接地采用3層次接地方式，如圖4所示。3層次接地線在匯入基準(zhǔn)地之前不能隨意短接，各級連接按規(guī)定進(jìn)行，同時接地線要直、短、粗。

濾波器端接的阻抗在嚴(yán)重失配的狀態(tài)下工作，以使之具有最佳的衰減性能。

圖4 3層次接地Fig.4 Three levels of grounding

系統(tǒng)中受干擾影響最大的為3根光耦定位信號采集長線。在電機(jī)使能情況下，感應(yīng)電壓＞10 V，頻率2～12MHz，且在電機(jī)靜止而勵磁時干擾最大。為保證與PCB上的弱電系統(tǒng)完全隔離，使用MOS FET繼電器作為強(qiáng)弱邏輯轉(zhuǎn)換關(guān)口，以負(fù)邏輯傳輸方式反映定位對射型光電開關(guān)的遮斷與否，達(dá)到延時1ms左右、隔斷勵磁感應(yīng)電壓干擾的效果，見圖5。對于不確定因素所造成的干擾，將3根較長的定位信號采集線所對應(yīng)的I／O的輸入限制寄存器GPAQUAL進(jìn)行多次采樣，配合繼電器濾除1MHz以上的干擾。

圖5 長線傳輸抗干擾處理Fig.5 Anti－jamming process of long－wire transmission

4.4 安全性設(shè)計(jì)

為保證系統(tǒng)運(yùn)行安全，設(shè)計(jì)有軟限位、硬限位、機(jī)械緩沖裝置。

軟限位首先通過定位對射型光電開關(guān)設(shè)定基準(zhǔn)值，然后對控制脈沖或反饋脈沖計(jì)數(shù)，經(jīng)換算后得到目標(biāo)當(dāng)前位置值，當(dāng)超過理論極限值時，就使電機(jī)運(yùn)動方向置反。

硬限位通過急停蘑菇頭按鈕與行程開關(guān)串連實(shí)現(xiàn)，一旦目標(biāo)越界觸發(fā)任意行程開關(guān)動作或急停蘑菇頭按鈕動作，無論是安全輸入SF1或SF2，斷電輸入后5ms以內(nèi)，STO功能工作，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩被關(guān)閉。

機(jī)械緩沖裝置可消除或降低斷電后運(yùn)動機(jī)構(gòu)的慣性沖擊。

5 試驗(yàn)與應(yīng)用

利用示波器觀測發(fā)送的PWM脈沖頻率及編碼器反饋脈沖頻率，在勻速階段單脈沖頻率與理論值相比變化［－75，40］，10個脈沖平均頻率變化［－50，23］，在0.1mm／s所對應(yīng)的變化區(qū)間［－64.8，64.8］之內(nèi)，整體運(yùn)行平穩(wěn)。

利用定時器3計(jì)算目標(biāo)實(shí)時速度與位置，通過串口反饋信息。其中，對速度進(jìn)行四舍五入處理。由于程序執(zhí)行片段差異及串口發(fā)送與命令接收延遲，速度與理論值相差［－0.2，0.1］；定位脈沖與理論值相差［－3，－13］，折算為位置后相差［－0.004 6，－0.02］。

利用驅(qū)動器模擬監(jiān)視器進(jìn)行速度監(jiān)視，在勻速階段驅(qū)動器液晶顯示屏上數(shù)據(jù)變化±1，折算為目標(biāo)速度相差±1／12mm／s。

上述數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)±1 000mm行程、速度0.1～250mm／s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的前提下，滿足給定的定位精度0.01mm，速度精度0.1 mm／s的技術(shù)指標(biāo)。

該系統(tǒng)已在某型地面測試設(shè)備中應(yīng)用，通過模擬飛行目標(biāo)的偏航姿態(tài)，對某雷達(dá)型產(chǎn)品的動態(tài)特性加以測試。系統(tǒng)停放位置與角度靈活，高度與水平度可根據(jù)兩側(cè)支撐三角架進(jìn)行調(diào)整，拆裝搬運(yùn)方便，使用方反映良好。

6 結(jié)論

所設(shè)計(jì)的交流伺服運(yùn)動系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)需求與技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行量體裁衣，通過分析控制命令中的運(yùn)動模式與速度參數(shù)，能夠自動匹配與設(shè)置合適的位置控制或速度控制模式，并且其位置和速度參數(shù)在指定范圍內(nèi)可隨時設(shè)置。同時，該系統(tǒng)還具備軟限位、硬限位和人工急停3種安全保護(hù)功能，具有較高的性價比與良好的應(yīng)用前景。文章對交流伺服運(yùn)動系統(tǒng)的響應(yīng)延遲性、振動性及多軸聯(lián)合運(yùn)動的研究不足，為下一步的努力方向。

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［2］王曉明.電動機(jī)的DSP控制［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

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