李曉飛，趙 敏，劉新妹，殷俊玲

(中北大學(xué)，山西太原030051)

0 引 言

隨著數(shù)字控制技術(shù)、電力電子技術(shù)及控制理論和方法的快速發(fā)展，使用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)平面電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，已經(jīng)不能滿足高精度控制領(lǐng)域的進(jìn)一步要求，急需采用一些新的方法和技術(shù)對(duì)原有的方法進(jìn)行改進(jìn)，DSP 集微控制器和高性能數(shù)字信號(hào)處理等特點(diǎn)于一身，具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法，特別適合于平面電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)。DSP［1－2］控制技術(shù)具有靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、速度快、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制、激光打印機(jī)、掃描儀和復(fù)印機(jī)以及網(wǎng)絡(luò)控制器等諸多領(lǐng)域。使用DSP 實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制系統(tǒng)已成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 控制系統(tǒng)組成

本平面電機(jī)控制系統(tǒng)主要由被控對(duì)象平面電機(jī)、控制器模塊［1］、位置反饋模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和電源管理模塊幾部分構(gòu)成，同時(shí)配合人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)模式的改變等。

1.1 平面電機(jī)

平面電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱LSPM)［3－5］由一個(gè)齒狀結(jié)構(gòu)的定子和一個(gè)帶位置傳感器的動(dòng)子組成。圖1 為L(zhǎng)SPM 的實(shí)物圖。在LSPM 動(dòng)子中有4 個(gè)電磁模塊，每個(gè)電磁模塊由兩相電流驅(qū)動(dòng)，即A 相和B 相，通過(guò)產(chǎn)生磁阻力驅(qū)動(dòng)動(dòng)子到達(dá)一個(gè)新的平衡點(diǎn)。3 個(gè)高精度位置傳感器是用來(lái)報(bào)告動(dòng)子的更新位置，其中1 個(gè)傳感器用于報(bào)告Y 方向更新位置，另2 個(gè)傳感器用于報(bào)告X1 和X2 方向的更新位置，X1 和X2方向的傳感器成中心對(duì)稱分布，故不僅可檢測(cè)X 方向誤差，還可以檢測(cè)偏航誤差。LSPM 不同于傳統(tǒng)的平面步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它采用獨(dú)特的氣浮結(jié)構(gòu)，使其運(yùn)動(dòng)摩擦力接近于零，且在高速運(yùn)動(dòng)下LSPM 的推力遠(yuǎn)大于步進(jìn)電機(jī)，LSPM 最大推力為75 N，最大速度為0．9 m/s。且XY 工作臺(tái)精度±15 μm，位置傳感器分辨率1 μm。此外，它還有很多獨(dú)特的功能，如偏航控制、自動(dòng)校準(zhǔn)、自動(dòng)歸位、停滯檢測(cè)、誤差補(bǔ)償?shù)取?/p>

圖1 LSPM 實(shí)物圖

LSPM 是將電能直接轉(zhuǎn)換成二維平面平移運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，無(wú)需引入機(jī)械轉(zhuǎn)換或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，且運(yùn)動(dòng)平面保持在同一高度的執(zhí)行裝置。平面電機(jī)控制系統(tǒng)［7－8］可以分別實(shí)現(xiàn)X 方向和Y 方向的位置控制，但由于各軸之間存在電磁耦合，故很難精確實(shí)現(xiàn)各軸的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制。本文使用4 軸運(yùn)動(dòng)控制卡PCI－4P 卡作為控制器模塊，可以實(shí)現(xiàn)各軸的獨(dú)立控制，互不影響。平面電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制精度高、速度高和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，故常被應(yīng)用于高精度控制領(lǐng)域中。

1.2 控制器模塊

綜合平面電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件資源要求，在對(duì)控制器模塊［6］進(jìn)行選擇時(shí)芯片的選型是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。在考慮到是否滿足硬件資源最小要求的前提下，DSP 芯片的型號(hào)決定了外圍電路及系統(tǒng)的其他電路的設(shè)計(jì)依據(jù)。DSP 的選型受芯片的運(yùn)算速度、算法格式、系統(tǒng)精度、處理速度、功耗、穩(wěn)定性等多種綜合因素的制約。

考慮LSPM 的特點(diǎn)，根據(jù)位置反饋模塊接口、驅(qū)動(dòng)器的輸入和輸出接口及人機(jī)交互界面的要求后，在基于DSP 的平面電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們選擇PCI－4P 運(yùn)動(dòng)控制卡作為控制系統(tǒng)的控制器模塊。PCI－4P 卡整合了Flash 存儲(chǔ)器、快速A/D 轉(zhuǎn)換器、PWM 模塊、PCI 模塊、多通道緩沖串口等外設(shè)。

PCI－4P 卡是4 軸運(yùn)動(dòng)控制卡，使用DDA(Digital Differential Anlyzer)方法給每一個(gè)軸發(fā)送遞增的脈波，完成4 軸的運(yùn)動(dòng)控制。它也能通過(guò)編碼器讀取反饋值，非常適合于脈波型伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制。PCI－4P 卡具有以下特點(diǎn):4 軸伺服/步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制，每軸可獨(dú)立控制，互不影響;片內(nèi)具有128 k 字節(jié)的Flash，可以將控制程序直接燒寫到Flash 中，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的開機(jī)上電運(yùn)行;可選擇三種脈沖輸出模式:STEP/DIR，CW/CCW 與A/B，差動(dòng)脈波輸出降低干擾;非對(duì)稱直線加/減速驅(qū)動(dòng)、S曲線加/減速驅(qū)動(dòng);3 軸線性插補(bǔ)，2 軸圓弧插補(bǔ)等，特別適合于平面電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)。圖2 為PCI－4P 卡實(shí)物圖。

圖2 PCI－4P 卡實(shí)物圖

1.3 位置反饋模塊

平面電機(jī)一般通過(guò)直線傳感器(光柵尺或磁柵尺)對(duì)某運(yùn)動(dòng)方向提供實(shí)時(shí)位置信息反饋，速度信息一般通過(guò)在一定時(shí)間內(nèi)計(jì)算位置信息的斜率間接得到。因此，一塊DSP 芯片實(shí)現(xiàn)平面電機(jī)在兩個(gè)方向控制的前提是芯片能夠提供兩路相互獨(dú)立的位移實(shí)時(shí)檢測(cè)接口。

1.4 驅(qū)動(dòng)模塊

針對(duì)本系統(tǒng)所選DSP 芯片及外圍設(shè)備，所選驅(qū)動(dòng)模塊必須保證系統(tǒng)的正常動(dòng)作。LMDX 伺服驅(qū)動(dòng)器由一塊電源板、四塊PU2 電流放大器、一塊UC48板、一塊MB5 主板、一塊PAT 板、一塊IDP4 板和一塊DSP C32 板。電源板提供± 36 V 的電壓給PU2，提供+ 5 V 和± 12V 的電壓給MB5、PAT、UC48、IDP4 和DSP C32 板。電機(jī)通過(guò)PU2 提供的電流來(lái)動(dòng)作。PU2－1 驅(qū)動(dòng)X1 軸，PU2－2 驅(qū)動(dòng)X2 軸，PU2－3 驅(qū)動(dòng)Y1 軸和PU2－4 驅(qū)動(dòng)Y2 軸。伺服板UC48 接收HS4 輸出的信號(hào)，發(fā)送指令到PU2。當(dāng)DSP C32 通過(guò)RS－232 接收從PC 傳出的命令時(shí)，IDP4 可用于接收主機(jī)控制器或PLC (programmable logic circuit)的命令。圖3 為L(zhǎng)MDX 實(shí)物圖。

圖3 LMDX 實(shí)物圖

1.5 人機(jī)交互界面

通過(guò)人機(jī)交互界面進(jìn)行計(jì)算機(jī)與電機(jī)之間的雙向信息交換。當(dāng)程序燒寫到芯片內(nèi)存后，程序按一定的順序被執(zhí)行。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)程序運(yùn)行后，平面電機(jī)的運(yùn)行方式(如位置指令)無(wú)法在線調(diào)整，因此要借助人機(jī)交互方式，對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)或控制參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整與改變。圖4 為PCI－4P 卡安裝完成后的人機(jī)交互界面Motion Maker，在此界面可以進(jìn)行機(jī)械參數(shù)設(shè)置、初始化設(shè)定、電機(jī)運(yùn)動(dòng)(包括直線運(yùn)動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、返回等)參數(shù)設(shè)置等。

圖4 Motion Maker 人機(jī)交互界面

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制器要實(shí)現(xiàn)平面電機(jī)三自由度同步控制，需采集電流信號(hào)、位置信號(hào)、AD 校正參考電壓、輸出PWM 信號(hào)，還需實(shí)現(xiàn)AD 采樣校正、數(shù)字濾波、位置伺服控制、電流控制等算法。要完成上述復(fù)雜工作，本文采用高集成度的運(yùn)動(dòng)控制卡PCI－4P 來(lái)實(shí)現(xiàn)。PCI－4P 集成了PCI 模塊、CAN 總線模塊、AD 轉(zhuǎn)換器模塊和PWM 模塊等，DSP 控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 DSP 控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)

本文采用“PC + DSP”的控制模式，PC 機(jī)利用其豐富的軟件功能，主要負(fù)責(zé)信息流和數(shù)據(jù)流的管理，以及從運(yùn)動(dòng)控制卡讀取未知數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)計(jì)算后將控制指令發(fā)給運(yùn)動(dòng)控制卡。DSP 負(fù)責(zé)判斷動(dòng)子位置信息，實(shí)時(shí)計(jì)算移動(dòng)速度，并將其信息反饋給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字PI 調(diào)節(jié)并產(chǎn)生頻率固定、占空比變化的PWM 信號(hào)作為功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)器［9］控制模式采用編碼器速度控制，驅(qū)動(dòng)器接收運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送的信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部的PWM 模塊實(shí)現(xiàn)平面電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制，并通過(guò)反饋信號(hào)調(diào)整電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，如此構(gòu)成一個(gè)半閉環(huán)的LSPM 控制系統(tǒng)［10］。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件主要由DSP 實(shí)現(xiàn)，DSP 實(shí)現(xiàn)的功能包括:主軸控制、進(jìn)給軸控制、I/O 控制、編碼器反饋、原點(diǎn)歸位、測(cè)試功能、復(fù)位功能與上位機(jī)通信功能、狀態(tài)采集、狀態(tài)管理、還要把從上位機(jī)讀取的指令轉(zhuǎn)換為執(zhí)行邏輯，其軟件功能結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

在Windows XP 環(huán)境下，可直接使用PCI－4P 卡提供的“MCCL(Motion Control Function Library)”運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)資源，方便地在VB /VC + + 及其它軟件環(huán)境中進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能?；谄矫骐姍C(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分:初始化程序、當(dāng)前位置獲取及參考點(diǎn)置零程序、參考位置指令程序、PID 算法控制程序、電機(jī)起動(dòng)程序、主程序。程序的執(zhí)行流程如圖7 所示。

圖7 程序執(zhí)行流程

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 定位精度

讓平面電機(jī)的Y 軸以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式運(yùn)動(dòng)，對(duì)其控制精度進(jìn)行測(cè)試。運(yùn)行結(jié)果如表1 所示。

表1 Y 軸定位情況

從表1 可以看出，位置指令從5～40 mm 都可以保證靜態(tài)定位精度不超過(guò)0．005 5 mm。

4.2 動(dòng)態(tài)運(yùn)行

分別給平面電機(jī)X、Y 方向發(fā)送同頻、同幅的正、余弦脈波信號(hào)作為位置控制指令，其動(dòng)態(tài)誤差響應(yīng)曲線如圖8(a)和圖8(b)所示。由于在各自方向上的動(dòng)作受外界環(huán)境，機(jī)械摩擦的影響，使得電機(jī)在兩個(gè)方向的動(dòng)態(tài)誤差不完全一致。圖8(c)為X、Y方向分別加同幅、同頻的正弦和余弦復(fù)合指令信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的圓周軌跡，由于氣源的不穩(wěn)定性，使得電機(jī)在個(gè)別運(yùn)行區(qū)域跟蹤誤差比較大。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，基于DSP 的控制器能夠精確、有效地實(shí)現(xiàn)平面電機(jī)的三自由度運(yùn)動(dòng)控制。

圖8 動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

平面電機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際性能測(cè)試，均能達(dá)到預(yù)定的各項(xiàng)系統(tǒng)指標(biāo)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。本文的創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在將DSP 技術(shù)應(yīng)用于平面電機(jī)，并采用一塊DSP 芯片實(shí)現(xiàn)了平面電機(jī)的二維控制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和外圍電路，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本。

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