楊洋，張秋菊

(1. 江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122； 2. 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214122)

0 引言

數(shù)控直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架是一種采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的新型轉(zhuǎn)塔刀架[1]，通過(guò)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的零傳動(dòng)，具有輸出轉(zhuǎn)矩大、精度高、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]。國(guó)內(nèi)對(duì)直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的研究還是空白，能夠做直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的廠(chǎng)家很少，有煙臺(tái)環(huán)球、常州宏達(dá)、沈陽(yáng)精誠(chéng)數(shù)控等少數(shù)幾家[3]。如何自主研發(fā)直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架有著重要意義。

直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的研究中，伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是其中主要的研究部分。20世紀(jì)80年代初至今，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)從直流伺服控制轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣魉欧刂齐A段，交流電機(jī)憑借其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、負(fù)載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也有了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，從1947年第一個(gè)晶體管的問(wèn)世，電力電子元器件經(jīng)過(guò)增大容量、提高性能、降低成本，如今已經(jīng)發(fā)展到了第四代功率集成電路(簡(jiǎn)稱(chēng)IPM)，使得系統(tǒng)控制性能大為提高[7-8]。主芯片上，DSP的應(yīng)用使得控制系統(tǒng)在控制精度和處理速度上有了很大的進(jìn)步，TMS320F28335DSP是德州儀器推出的32位浮點(diǎn)數(shù)字控制處理器，主頻150 MHz，外設(shè)豐富，性?xún)r(jià)比高，廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制行業(yè)[9]。

在實(shí)際使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)目前市面上的一些通用型驅(qū)動(dòng)器普遍存在一些問(wèn)題。如：伺服驅(qū)動(dòng)器I/O口不足，無(wú)法滿(mǎn)足直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的需求；驅(qū)動(dòng)器不夠智能化，控制算法不夠先進(jìn)；驅(qū)動(dòng)器的體積過(guò)大，無(wú)法滿(mǎn)足小型化和高度集成化的要求；驅(qū)動(dòng)器的價(jià)格普遍過(guò)高。針對(duì)這些問(wèn)題，擬設(shè)計(jì)一款直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的智能控制系統(tǒng)，本文主要對(duì)控制系統(tǒng)的硬件和軟件部分設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)整體方案

直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架控制系統(tǒng)主要包含以DSP芯片為核心的控制板、以IPM為核心的功率驅(qū)動(dòng)板、直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架部分、CNC機(jī)床信息交互部分以及上位機(jī)部分。

CNC機(jī)床通過(guò)I/O與DSP進(jìn)行信息交互，發(fā)送換刀指令以及報(bào)警信息等。DSP接受到換刀信息后發(fā)出PWM波，通過(guò)功率板驅(qū)動(dòng)直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)變壓器返回電機(jī)的位置信息。當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)刀位時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，完成換刀工作。系統(tǒng)主電路采用220 V交流電經(jīng)過(guò)整流濾波驅(qū)動(dòng)IPM。

直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架控制系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 旋變解碼模塊設(shè)計(jì)

直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架采用旋轉(zhuǎn)變壓器TS2620N21E11，非常適合直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架伺服系統(tǒng)，可以獲得刀盤(pán)的絕對(duì)位置信息。由于旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出是包含著位置信息的模擬信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行處理并且將其轉(zhuǎn)換為相對(duì)應(yīng)的包含著位置信息的數(shù)字量，才能與DSP控制芯片接口。AD2S83芯片是一款專(zhuān)用的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(R/D轉(zhuǎn)換器)，其具有功能強(qiáng)、可靠性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)AD2S83實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)的數(shù)字化(圖2)。AD2S83提供有10位、12位、14位或16位分辨率，通過(guò)控制芯片引腳SC1和SC2的高低電平邏輯選擇不同的分辨率，如表1所示。本課題選用旋變解碼模塊能達(dá)到14位分辨率。

表1 AD2S83分辨率對(duì)應(yīng)引腳接線(xiàn)表

圖2 旋變解碼電路

2.2 ADC采集模塊設(shè)計(jì)

ADC采集模塊為8通道同步采集，采用AD7606芯片。AD7606為16位8通道同步采樣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用5 V單電源供電，可以處理±5 V和±10 V雙極性輸入信號(hào)，采樣速率能達(dá)到200 kSPS。分別設(shè)計(jì)采樣電路對(duì)直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的母線(xiàn)電壓采集、交流電壓采集、U相電流采集、V相電流采集、速度反饋采集等。電路原理圖如圖3所示。

圖3 ADC采集模塊圖

2.3 功率驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動(dòng)模塊采用三菱的IPM PS21865的智能功率模塊。6路PWM波經(jīng)過(guò)光電耦合隔離輸入IPM，輸出點(diǎn)則直接連接直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的電機(jī)模塊。IPM功率模塊將保護(hù)、驅(qū)動(dòng)、功率開(kāi)關(guān)集成到一個(gè)模塊上。符合當(dāng)前伺服驅(qū)動(dòng)器高度集成化的發(fā)展趨勢(shì)[10]。功率驅(qū)動(dòng)模塊如圖4所示。

圖4 功率驅(qū)動(dòng)模塊圖

2.4 驅(qū)動(dòng)板主電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)板主電路部分如圖5所示。主電路為220 V交流電壓輸入，經(jīng)過(guò)單相整流橋整流后變?yōu)橹绷麟?，輸入到智能功率模塊IPM中，IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看成三相橋式逆變電路。經(jīng)過(guò)IPM逆變電路逆變后輸出U、V、W三相驅(qū)動(dòng)直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能。

圖5 驅(qū)動(dòng)板主電路

2.5 母線(xiàn)電壓采集

電壓采集通過(guò)對(duì)直流母線(xiàn)電壓進(jìn)行采集。使用線(xiàn)性光耦HCNR2000進(jìn)行隔離傳送，線(xiàn)性光耦隔離的原理和普通光耦沒(méi)有差別，區(qū)別是線(xiàn)性光耦非常適合用于模擬信號(hào)隔離，而普通的光耦隔離由于輸入輸出的線(xiàn)形較差，并且隨著溫度變化較大，限制了其在模擬信號(hào)隔離的應(yīng)用。母線(xiàn)電壓采集的量經(jīng)過(guò)處理后傳送給ADC采集芯片進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，最終傳送給DSP。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包含兩大部分：主程序和中斷子程序。系統(tǒng)的主程序主要完成系統(tǒng)的初始化和變量初始化，對(duì)系統(tǒng)所需的外設(shè)環(huán)境進(jìn)行配置等簡(jiǎn)單任務(wù)。中斷程序則主要完成電機(jī)控制算法以及換刀等主要任務(wù)。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)的初始化；變量及各功能模塊的初始化；直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的電機(jī)參數(shù)初始化；開(kāi)中斷以及DSP的外設(shè)初始化等。通過(guò)設(shè)計(jì)的死循環(huán)，使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)更新串口信息；更新電壓值；更新LCD的顯示信息以及按鍵信息等。采用中斷的方式編程，將電機(jī)控制算法以及直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架換刀的規(guī)劃等放入中斷程序中。當(dāng)中斷來(lái)臨時(shí)，系統(tǒng)跳入中斷程序。主程序框圖如圖6所示。

圖6 主程序框圖

3.2 中斷程序設(shè)計(jì)

中斷程序完成控制系統(tǒng)的核心電機(jī)控制算法功能以及直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的換刀規(guī)劃等算法。主要包含以下的功能模塊：讀取按鍵信息，通過(guò)按鍵的方式模擬CNC發(fā)送換刀信息；讀取旋轉(zhuǎn)變壓器絕對(duì)位置；轉(zhuǎn)速計(jì)量模塊；電流采樣模塊；Clarke和Park變換；讀取換刀信息；最優(yōu)換刀路徑規(guī)劃；速度曲線(xiàn)規(guī)劃；電流環(huán)PI控制器；速度環(huán)PI控制器；位置環(huán)PI控制器；Park逆變換；SVPWM矢量控制。中斷程序框圖如圖7所示。

圖7 中斷程序框圖

1) 與CNC機(jī)床信息交互

通用型的CNC機(jī)床都是通過(guò)I/O接口與控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。CNC機(jī)床發(fā)送刀位信息指令、刀架鎖緊到位信號(hào)等開(kāi)關(guān)量給智能驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)接受到指令后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)塔刀架電機(jī)完成換刀工作。控制系統(tǒng)完成換刀工作后將刀位信息、刀架鎖緊信息以及報(bào)警信息等反饋給CNC機(jī)床，實(shí)現(xiàn)與CNC機(jī)床的信息交互。如圖8所示，CNC機(jī)床與控制系統(tǒng)交互圖。

圖8 CNC機(jī)床與控制系統(tǒng)交互圖

2) AD采集

AD采樣模塊是控制系統(tǒng)常用的模塊。主要用于模擬量和數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)化。本文使用AD采樣芯片AD7606，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服系統(tǒng)U相電流采集、V相電流采集、母線(xiàn)電壓采集等。AD采集流程圖如圖9所示。

圖9 AD采集流程

3) 最優(yōu)換刀路徑規(guī)劃

直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架在換刀過(guò)程中要保證換刀的快速性，要使刀盤(pán)走過(guò)最小的角度值，需要進(jìn)行最優(yōu)換刀路徑的規(guī)劃。當(dāng)?shù)段徊?0時(shí)，順時(shí)針刀位差為刀位差，逆時(shí)針刀位差為65536-刀位差，通過(guò)比較順時(shí)針刀位差和逆時(shí)針刀位差的大小來(lái)旋轉(zhuǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同理得出刀位差<0時(shí)，應(yīng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)或者逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。最優(yōu)換刀路徑圖如圖10所示。

圖10 最優(yōu)換刀路徑規(guī)劃

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

本文以直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架為研究對(duì)象，控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái)為以DSP為核心的控制板和以IPM為核心的功率驅(qū)動(dòng)板，通過(guò)按鍵模擬CNC發(fā)送換刀信息，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示。通過(guò)示波器測(cè)得單路PWM波形圖，如圖12所示，可以看出PWM波的頻率為10 kHz，占空比為50%與設(shè)定值相吻合，與仿真得到的結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)表明，直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架控制系統(tǒng)可以很好地完成換刀工作。

圖11 直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖12 PWM波形示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架專(zhuān)用控制系統(tǒng)。它是以DSP為核心的控制系統(tǒng)和以IPM為核心的功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。詳細(xì)地闡述了該控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法以及軟件模塊的設(shè)計(jì)。最后搭建實(shí)物平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)表明該控制系統(tǒng)可以滿(mǎn)足直驅(qū)轉(zhuǎn)塔刀架的基本功能需求，實(shí)現(xiàn)快速換刀。在后期的工作中，將對(duì)控制系統(tǒng)的控制算法智能化進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的智能化。