劉炯鐘，林 敏，郭 斌，2

（1.中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310018；2.杭州沃鐳科技有限公司，杭州 310019）

嵌入式伺服壓機(jī)系統(tǒng)高精度位置控制的研究*

劉炯鐘1，林 敏1，郭 斌1，2

（1.中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310018；2.杭州沃鐳科技有限公司，杭州 310019）

嵌入式伺服壓機(jī)要求定位壓樁過程不可來回調(diào)整位置，若壓樁全過程采用全閉環(huán)控制方式，應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)性嚴(yán)重影響定位精度。提出了一種基于ARM11處理器的伺服壓機(jī)高精度位置控制方法，該方法壓樁前階段采用全閉環(huán)控制以克服機(jī)械傳動(dòng)誤差，壓樁過程應(yīng)用定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)控制來提高控制實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)表明，這種控制方式可實(shí)現(xiàn)一到兩個(gè)脈沖的位置控制精度，且位置控制穩(wěn)定，克服了應(yīng)用程序?qū)崟r(shí)性差、控制精度低的缺點(diǎn)，有效地提高了嵌入式伺服壓機(jī)定位壓樁精度，滿足了汽車軸承等的定位壓樁要求。

伺服壓機(jī)；位置控制；嵌入式系統(tǒng)；中斷；定時(shí)計(jì)數(shù)器

0 引言

壓力機(jī)在成型制造業(yè)中得到了大量的應(yīng)用，尤其在切斷、沖孔、彎曲、柳合等加工工藝中。傳統(tǒng)的機(jī)械壓力機(jī)精度低、耗能大、噪聲污染嚴(yán)重，難以實(shí)現(xiàn)靈活控制，無法滿足多品種、小批量的生產(chǎn)需要［1］。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了伺服壓力機(jī)，它是以伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，再通過螺旋、曲柄連桿等機(jī)構(gòu)把伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械的直線運(yùn)動(dòng)。伺服壓機(jī)由于其柔性化和智能化，大大提高了壓力機(jī)的通用性和生產(chǎn)效率，并且比傳統(tǒng)機(jī)械壓機(jī)具有更高的靈活性和控制精度。

對(duì)于伺服壓機(jī)的控制，目前主要采用工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡和PLC+專用運(yùn)動(dòng)控制模塊這兩種方式［2］，其優(yōu)點(diǎn)是通用性強(qiáng)，但是體積相對(duì)較大、成本高。近年來，以ARM、MIPS等為代表的嵌入式處理器，以其體積小、功耗低、主頻高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、價(jià)格便宜，并支持多數(shù)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)，逐漸在工控領(lǐng)域得到大量運(yùn)用［3］。

嵌入式伺服壓機(jī)以ARM處理器作為控制核心。隨著自動(dòng)化控制水平的不斷提高，要求設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位，設(shè)備的定位精度直接影響到零件加工精度。為提高精度，可以采用全閉環(huán)控制方式，并結(jié)合PID、模糊PID和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制策略實(shí)現(xiàn)高精度的定位［4］，然而有些加工場(chǎng)合，要求定位一步到位，避免位置來回調(diào)整，上述相關(guān)控制算法不適用。

1 嵌入式伺服壓機(jī)工作原理

1.1 嵌入式伺服壓機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

伺服壓力機(jī)是把伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械壓頭的垂直運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的壓樁作用。圖1為嵌入式伺服壓機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，伺服電機(jī)與電動(dòng)缸連接，電動(dòng)缸完成電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)缸輸出軸的垂直運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)缸輸出軸末端與壓力傳感器相連再與機(jī)械壓頭連接。光柵尺滑頭固定在機(jī)械壓頭上，用于測(cè)量壓機(jī)的位置，壓力傳感器獲取壓機(jī)的輸出力值。

嵌入式伺服壓機(jī)的控制器采用基于ARM11架構(gòu)的處理器s3c6410，操作系統(tǒng)采用WinCE 6.0。ARM控制系統(tǒng)采集壓頭的位移值和壓力傳感器的壓力值來控制伺服壓機(jī)運(yùn)行。ARM控制系統(tǒng)組成如圖2所示，主要由ARM主模塊（包括SD卡接口、E2PROM、SRAM和Flash等）、壓力采集模塊、編碼器模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊、PWM控制模塊和通信模塊組成。

伺服系統(tǒng)采用脈沖指令方式運(yùn)行，PWM輸出為s3c6410定時(shí)計(jì)數(shù)器輸出，開啟定時(shí)計(jì)數(shù)器電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，停止定時(shí)計(jì)數(shù)器電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 嵌入式伺服壓機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖2 ARM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 嵌入式伺服壓機(jī)運(yùn)動(dòng)曲線

伺服壓機(jī)完成一次對(duì)軸承的壓樁過程先后經(jīng)歷如下五個(gè)運(yùn)動(dòng)過程（圖3），其壓樁要求定位過程一次性完成，不可來回調(diào)整：

圖3 伺服壓裝過程5段速

①AB：快進(jìn)過程。速度40mm/s～100mm/s可設(shè)定，B點(diǎn)判定：位移值達(dá)到設(shè)定值。

②BC：探測(cè)過程。速度2mm/s～5mm/s可設(shè)定，C點(diǎn)判定：壓力值達(dá)到設(shè)定值。

③CD：壓裝過程。速度5mm/s～15mm/s可設(shè)定，D點(diǎn)判定：位移值達(dá)到設(shè)定值。

④DE：保壓過程。保持設(shè)定的時(shí)間。

⑤EF：返回階段。在E處以返回速度回到原點(diǎn)A（F）處。

2 嵌入式伺服壓機(jī)精確定位

2.1 嵌入式伺服壓機(jī)定位誤差分析

定位誤差的主要來源是滾珠絲杠、電動(dòng)缸的傳動(dòng)誤差及傳動(dòng)間隙、長時(shí)間工作引起的熱變形誤差以及內(nèi)部機(jī)械損耗。如果僅采用伺服電機(jī)軸上的反饋元件構(gòu)成半閉環(huán)，那么半閉環(huán)系統(tǒng)的定位精度主要取決于電機(jī)軸上安裝的反饋元件（如增量式編碼器）的精度［5］，而電動(dòng)缸等的傳動(dòng)誤差及傳動(dòng)間隙等誤差根本無法矯正。

在壓機(jī)垂直位置安裝光柵尺，直接測(cè)量機(jī)械最末端的機(jī)械移動(dòng)量，構(gòu)成全閉環(huán)伺服控制，這樣機(jī)械誤差、熱變形等不會(huì)對(duì)定位精度產(chǎn)生直接影響，這樣定位精度主要取決于位置檢測(cè)裝置自身的分辨率、線性度等［5］，嵌入式伺服壓機(jī)系統(tǒng)的檢測(cè)裝置為ARM控制系統(tǒng)。

當(dāng)整個(gè)過程采用全閉環(huán)控制方式時(shí)，其應(yīng)用程序控制流程圖如圖4。定位精度主要取決于D點(diǎn)的伺服電機(jī)停止時(shí)刻，其精度受ARM系統(tǒng)性能影響較大，尤其受應(yīng)用程序影響最大（當(dāng)應(yīng)用程序讀取底層驅(qū)動(dòng)獲取位移值的時(shí)間可消耗幾毫秒甚至十幾毫秒的時(shí)間），且不同的壓樁速度D點(diǎn)的停止位置差別較大。

圖4 全閉環(huán)控制流程

2.2 定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷精確定位

2.2.1 定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷定位原理

定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷定位采用全閉環(huán)與半閉環(huán)相結(jié)合的方式：AB快進(jìn)階段、BC探測(cè)階段、DE保壓階段和EF返回階段采用全閉環(huán)控制方式，可有效的解決電動(dòng)缸的傳動(dòng)誤差，特別是傳動(dòng)間隙誤差；CD壓樁階段采用半閉環(huán)控制方式，主要為解決應(yīng)用程序調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序速度慢的的缺點(diǎn)，把壓樁過程下放至驅(qū)動(dòng)程序，減少應(yīng)用程序調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)程序所帶來的系統(tǒng)開銷。

定位控制流程如圖5所示。

①應(yīng)用程序控制伺服壓機(jī)到達(dá)C點(diǎn)，在C點(diǎn)停止伺服壓機(jī)；

②應(yīng)用程序計(jì)算到達(dá)目標(biāo)位置剩余位移量；

③應(yīng)用程序把剩余位移量轉(zhuǎn)換成剩余PWM脈沖數(shù)Count；

④應(yīng)用程序設(shè)置PWM底層驅(qū)動(dòng)程序的計(jì)數(shù)值Num=Count和壓機(jī)速度（即PWM頻率）并開啟PWM驅(qū)動(dòng)的定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷；

⑤應(yīng)用程序掛起，等待PWM驅(qū)動(dòng)程序脈沖個(gè)數(shù)輸出完成事件Event；

⑥PWM驅(qū)動(dòng)的定時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，輸出一個(gè)脈沖后Num進(jìn)行減1運(yùn)算；

⑦當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)的Num=0時(shí)，PWM輸出完成，觸發(fā)事件Event；

⑧應(yīng)用程序重新被調(diào)度，進(jìn)行保壓過程DE；

⑨應(yīng)用程序控制伺服壓機(jī)返回EF。

圖5 定時(shí)器中斷方式位置控制流程

2.2.2 s3c6410定時(shí)計(jì)數(shù)器及WinCE中斷處理過程分析

ARM控制系統(tǒng)采用 s3c6410處理器，主頻533MHz，具有兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器引腳輸出，最高可輸出33MHz PWM脈沖，具有中斷功能，輸出一個(gè)PWM脈沖產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)中斷。但該定時(shí)計(jì)數(shù)器不能硬件設(shè)置PWM脈沖個(gè)數(shù)?？赏ㄟ^中斷方式在中斷處理線程IST中進(jìn)行脈沖個(gè)數(shù)控制。

系統(tǒng)采用WinCE6.0嵌入式操作系統(tǒng)，其中斷處理過程如圖6所示，當(dāng)外部或者內(nèi)部產(chǎn)生中斷時(shí)，中斷處理程序調(diào)用ISR，ISR通知內(nèi)核觸發(fā)相應(yīng)的事件，內(nèi)核觸發(fā)該事件，使等待該事件的IST進(jìn)入就緒狀態(tài)，并被調(diào)度處理（脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算在IST中進(jìn)行處理）。

從中斷產(chǎn)生至IST被調(diào)用（不包括IST處理過程）的響應(yīng)速度可達(dá)微妙級(jí)，實(shí)際應(yīng)用中，中斷產(chǎn)生頻率最好控制在1ms左右。中斷響應(yīng)速度取決于處理器、操作系統(tǒng)、IST優(yōu)先級(jí)及復(fù)雜程度等因素影響。

圖6 WinCE中斷處理過程

3 PWM驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

WinCE驅(qū)動(dòng)分成流驅(qū)動(dòng)程序與本地驅(qū)動(dòng)程序，PWM驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆诹黩?qū)動(dòng)程序，設(shè)計(jì)流驅(qū)動(dòng)程序主要完成下面十個(gè)流驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)：xxx_Init（）；xxx_Denit（）；xxx_Open（）；xxx_Close（）；xxx_Read（）；xxx_Write（）；xxx_IOControl（）；xxx_Seek（）；xxx_PowerDown（）；xxx_PowerUp（），xxx為設(shè)備標(biāo)識(shí)符，本驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備標(biāo)識(shí)符為PWM。PWM驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要是設(shè)置S3c6410定時(shí)計(jì)數(shù)器寄存器TCFG、TCON、TCNT、TCMP和TINT_CSTAT。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)條件：

①處理器s3c6410，主頻533MHz；

②WinCE6.0操作系統(tǒng)；

③電動(dòng)缸減速比1/2；

④光柵尺分辨率5μm；

⑤壓機(jī)脈沖當(dāng)量0.01mm/pulse。

應(yīng)用圖5所示的流程進(jìn)行定位控制實(shí)驗(yàn)，定位位移為100mm，每種速度各進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。由表1可得，此種控制方式具有0.02mm（兩個(gè)脈沖）的定位精度。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

嵌入式伺服壓機(jī)采用定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷與全閉環(huán)方式相結(jié)合的控制方式，在運(yùn)動(dòng)前階段采用全閉環(huán)控制，可以有效的克服壓機(jī)傳動(dòng)誤差特別是間隙誤差。在壓裝階段應(yīng)用定時(shí)器中斷的半閉環(huán)控制方式，有效的解決了應(yīng)用軟件帶來的運(yùn)算速度慢帶來的精度不高及控制穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)。由于系統(tǒng)中斷處理速度限制，在脈沖當(dāng)量為0.01mm情況下壓樁速度最好不超過20mm/s，以確保定位精度的穩(wěn)定性和位置的重復(fù)性。

［1］霍中良，王興松.基于模糊PID的伺服壓力機(jī)位置控制系統(tǒng)［J］.鍛壓技術(shù)，2011，36（1）：93-96.

［2］高菲.高精度全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的研究［D］.青島：青島大學(xué)，2008.

［3］許士環(huán).基于嵌入式系統(tǒng)的伺服壓裝測(cè)控平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：上海交通大學(xué)，2010.

［4］林健.基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的直線伺服系統(tǒng)定位誤差補(bǔ)償［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011（2）：86-88.

［5］宋樹軍.高精度定位平臺(tái)系統(tǒng)的研究［J］.機(jī)床與液壓，2010，38（12）：16-17.

［6］陳艷，顧寄南，樊帆，等.基于ARM+DSP的上下料機(jī)器人控制平臺(tái)的設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2013，34（10）：119 -120.

［7］吳焱明，趙福民，王治森.提高伺服系統(tǒng)定位精度的方法［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，1999（12）：46-48.

［8］蘇建勇.基于多任務(wù)模式的高性能通用交流伺服控制器的設(shè)計(jì)［J］.中國機(jī)電工程學(xué)報(bào)，2007，27（18）：55-60.

［9］Douglas Boling.Windows Embedded CE6.0 Developer Reference［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［10］黃或偉.嵌入式伺服電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì).天津大學(xué)，2007.

［11］John Catsoatls.嵌入式硬件設(shè)計(jì)［M］.北京：中國電力出版社，2008.

（編輯 趙蓉）

Embedded Servo Press System High Precision Position Control Research

LIU Jiong-zhong1，LIN Min1，GUO Bin1，2
（1.College of Metrology Technology and Engineering，CJLU，Hangzhou 310018，China；2.Hangzhou Wo-Lei Technology Co.，LTD，Hangzhou 310019，China）

Back and forth the requirements of embedded servo press installation process adjustment.If the piling process all adopts the fully closed loop control method，real-time of the application is seriously affect the location accuracy.The paper proposes a servo press high precision position control method based on ARM 11 processor，the method is that before the press stage adopts full closed loop control to overcome the mechanical transmission error，and the press stage we use timing counter interrupt to achieve a half closed loop control to improve the real time control.Experiments show that this control mode can realize one or two pulse position control accuracy，also repeatability and stable.The method solves the application’s slow real-time performance and low control precision.Effectively improve the embedded servo press positioning accuracy，meet the requirement of positioning piles.

servo presser；position control；embedded system；interrupt；timer counter

TH166；TG65

A

1001-2265（2015）04-0091-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.023

2014-07-09

國家質(zhì)檢總局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201310284）；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃（2014C31105）

劉炯鐘（1989—），男，福建泉州人，中國計(jì)量學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)，汽車零部件檢測(cè)，（E-mail）ljzhong51@163. com。