李萬寶，田 達

（中電?？导瘓F有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

隨著科學技術(shù)水平的不斷提高，伺服驅(qū)動器的性能有了極大地提高。 伺服驅(qū)動器也向著數(shù)字化、智能化、小型化、通用化方向發(fā)展[1]。目前，伺服控制技術(shù)在智能機器人、機械加工、數(shù)字機床等方面越來越重要，面向機器人關(guān)節(jié)、智能制造等小型化伺服控制器也逐漸成為研究的重點[2]。與此同時，這些領(lǐng)域也對小型化伺服控制器的響應(yīng)速度、控制精度等提出了更高的要求。目前普通伺服控制器一般采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的三閉環(huán)PID 控制，但是存在超調(diào)大、響應(yīng)速度慢等缺點[3]。文獻[4]提出采用速度加速度雙前饋控制技術(shù)，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度和跟蹤特性，但采用位置指令進行微分運算，計算復雜度較大。

本文提出了采用S 曲線結(jié)果提取速度及速度前饋補償?shù)姆椒ǎ?并由此研究出基于ARM7 內(nèi)核的低壓交流伺服驅(qū)動器，具有以下特點：采用microchip32 位數(shù)字控制器ATSAME70N21B， 運算速度400MHz， 并支持Ethernet，CAN，UASRT 等多種通訊方式；低電壓輸入，最高支持500W 輸出；采用三閉環(huán)控制，其中基于S 曲線優(yōu)化前饋控制，提高控制器的實時響應(yīng)速度和控制精度。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)整體硬件方案如圖1 所示。整個系統(tǒng)包括了控制模塊、電機驅(qū)動模塊、信號采集模塊、通訊模塊、電源模塊等。 控制模塊選擇ARM7 內(nèi)核3ATSAME70N21B 進行開發(fā)。通過電機驅(qū)動電路實現(xiàn)整體的回路控制功能，包括：三相永磁直流伺服電機的驅(qū)動，主控輸出PWM 后通過專用的驅(qū)動電路驅(qū)動MOS 管實現(xiàn)通、斷功能，根據(jù)電機不同的位置驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)；專用的反饋電路，實現(xiàn)電機閉環(huán)控制功能，支持相對編碼器和霍爾傳感器；通訊、調(diào)試端口，用于控制和調(diào)試，包括SWD，USB，CAN，RS232等；溫度傳感器、E2PROM 等實現(xiàn)溫度讀取、數(shù)據(jù)存儲等。

圖1 伺服驅(qū)動硬件設(shè)計Figure 1 Servo drive hardware design

1.1 伺服電機驅(qū)動電路設(shè)計

三相永磁直流伺服電機的驅(qū)動采用MIC4605芯片，主控輸出PWM 后通過專用的驅(qū)動電路驅(qū)動MOS 管實現(xiàn)通、斷功能，根據(jù)電機不同的位置驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。 伺服電機驅(qū)動電路設(shè)計如圖2 所示。

圖2 伺服電機驅(qū)動電路Figure 2 Servo motor drive circuit

1.2 反饋電路設(shè)計

反饋電路包含電流電壓檢測、傳感器、編碼器等，實現(xiàn)電機閉環(huán)控制功能。

第一，三相電機的相電流檢測、總電流檢測。通過高精度采樣電阻采樣各相流過的電流，反饋給主控實現(xiàn)FOC 電流環(huán)控制功能，如圖3 所示。

圖3 電流檢測示意圖Figure 3 Schematic diagram of current detection

第二，HALL 傳感器的反饋。HALL 傳感器集成在電機內(nèi)部， 通過給主控提供起始位置信息等，實現(xiàn)電機啟動端的控制?；魻杺鞲衅鞣答侂娐吩O(shè)計如圖4 所示。

圖4 霍爾傳感器反饋電路設(shè)計Figure 4 Hall sensor feedback circuit design

第三，編碼器的反饋。編碼器集成于電機內(nèi)部，通過給主控提供電機精準的絕對位置信息等，實現(xiàn)電機運轉(zhuǎn)過程中的精確位置反饋功能。編碼器反饋電路設(shè)計如圖5 所示。

圖5 編碼器反饋電路設(shè)計Figure 5 Encoder feedback circuit design

2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

2.1 軟件整體架構(gòu)

伺服器軟件架構(gòu)整體分為應(yīng)用層、 設(shè)備驅(qū)動層、平臺驅(qū)動層和通用庫四大模塊。 從上到下依次為應(yīng)用層、設(shè)備驅(qū)動層和平臺驅(qū)動層。 最上層為應(yīng)用層，它是根據(jù)設(shè)備驅(qū)動層提供的數(shù)據(jù)，依據(jù)既定邏輯進行判斷和控制，包含電機控制模塊、外部軟件監(jiān)控模塊、通信控制模塊、故障與處理模塊等；中間層為設(shè)備驅(qū)動層，它是根據(jù)平臺驅(qū)動層提供的信息為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)，或者從應(yīng)用層接收指令控制平臺驅(qū)動層的模塊，包含三環(huán)控制模塊、位置采集、電流電壓溫度采集、FOC 控制算法和SVPWM 控制算法；最底層為平臺驅(qū)動層，它是直接使用硬件資源的模塊，如UART，QDEC，IO，ADC，PWM 和定時器等模塊。 另外還有通用庫模塊，為某些功能提供集成的調(diào)用，包括CRC 校驗、PID 控制和三角函數(shù)等模塊。 如圖6 所示為伺服驅(qū)動邏輯架構(gòu)。

圖6 伺服驅(qū)動邏輯架構(gòu)Figure 6 Servo drive logic architecture

2.2 模塊對應(yīng)關(guān)系

功能模塊關(guān)系如圖7 所示， 主要分為四條線路。

圖7 伺服驅(qū)動功能模塊關(guān)聯(lián)圖Figure 7 Servo drive function module correlation diagram

第一， 存儲線路： 主要需要用到EEPROM 和DataSaveLoad 等模塊，電機控制通過這些模塊對數(shù)據(jù)進行讀取和存儲。

第二，模數(shù)轉(zhuǎn)換線路：對傳輸進來的數(shù)據(jù)量進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并進行驅(qū)動控制。

第三， 通訊線路： 主要通過CAN 通訊、UART通訊等對上位機，電機等設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸和指令接發(fā)。

第四，控制線路：電機控制模塊通過各種信息進行S 曲線生成、路徑規(guī)劃和FOC 控制等。

3 控制算法設(shè)計

3.1 控制框架

伺服控制系統(tǒng)如圖8 所示， 包括坐標變換、SVPWM 空間矢量算法、三閉環(huán)控制技術(shù)、S 曲線運動控制算法和前饋控制算法等。 首先，通過S 曲線運動控制算法計算出位置信息；然后將給定的位置信息和編碼器采集到的位置信息的差值，輸入到位置環(huán)中，形成位置閉環(huán)反饋控制；再將給定速度值和反饋速度的差值送入速度環(huán)中，速度環(huán)的輸出結(jié)果會通過電流環(huán)計算出d 軸q 軸電流。 最后，再通過坐標變換、SVPWM 空間矢量完成對電機的輸出。其中在速度環(huán)和電流環(huán)中加入了由S 曲線規(guī)劃產(chǎn)生的速度和加速度信息，用于前饋控制，從而提高各個環(huán)的精度和響應(yīng)速度。

圖8 伺服驅(qū)動軟件平臺架構(gòu)Figure 8 Servo drive software platform architecture

3.2 S 曲線控制

伺服電機在啟動和停止階段分別會出現(xiàn)加速和減速的過渡過程，加入S 曲線可以保證伺服系統(tǒng)平穩(wěn)運動，避免沖擊和振蕩。 在伺服控制中，S 曲線具有啟動時需要伺服電機輸出轉(zhuǎn)矩小，加減速時高次諧波分量少，速度平滑性較好等優(yōu)點，本項目中加減速運行過程可分為3 段：加速段（T1）、勻速段（T2）、減速段（T3），S 曲線加減速過程中位置、速度、加速度、加加速度變化情況如圖9 所示。

圖9 S 曲線示意圖Figure 9 Schematic diagram of S curve

本系統(tǒng)中加加速度使用正弦函數(shù)來代替正負函數(shù)，這樣的目的是可以合并加加速階段和減加速階段，合并加減速階段和減減速階段，計算加速度、速度和位置時更簡便。 另外，本系統(tǒng)中的S 曲線考慮了在有初始速度情況下的運動規(guī)劃，解決在有速度時接受位置指令后的規(guī)劃問題。

S 曲線加減速過程中位置s、 速度v、 加速度a、加加速度j在三個階段的值分別為：（初始速度為v0）

加速階段（T1），t∈[0，T1]：

勻速階段（T2），t∈[T1，T2]：

減速階段（T3），t∈[T2，T3]：

3.3 前饋優(yōu)化

在伺服系統(tǒng)中，前饋控制可以用來提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性和跟蹤性能，前饋控制的特點是無須等到被控變量出現(xiàn)偏差，而是直接按照預先給定的指令給出控制量[5]。

傳統(tǒng)前饋控制如圖10 所示，其中G（s）是PID控制器與系統(tǒng)結(jié)合的傳遞函數(shù)，R（s）是系統(tǒng)輸入量，Y（s）是系統(tǒng)輸出。N（s）就是前饋控制的傳遞函數(shù)。

圖10 前饋控制示意圖Figure 10 Schematic diagram of feedforward control

由圖可得，前饋控制系統(tǒng)的系統(tǒng)輸出Y（s）等于：

可得：

我們期望的理想系統(tǒng)，就是輸出量可以準確、快速地跟隨系統(tǒng)輸入量，所以理想情況下Y（s）=R（s）。 由此可得N（s）=1/G（s）

所以對于系統(tǒng)而言，當N（s）=1/G（s）時可以實現(xiàn)輸出量對輸入量的完全跟隨，達到理想的前饋控制。 但在實際的情況中由于系統(tǒng)比較復雜，一般采用部分補償?shù)姆绞綄ο到y(tǒng)進行補償。

由于普通的前饋補償需要將輸入的位置信息再進行兩次微分， 實現(xiàn)對速度和加速度信號的補償，但微分會導致系統(tǒng)計算時間上升和復雜度。 在本系統(tǒng)中， 我們采用將S 曲線規(guī)劃中計算得到的速度和加速度信息直接按一定比例補償給速度環(huán)和電流環(huán)，實現(xiàn)更簡便的前饋補償，具體原理如圖11 所示。

圖11 S 曲線輸出優(yōu)化前饋控制示意圖Figure 11 Schematic diagram of S-curve output optimized feedforward control

對于速度環(huán)和電流環(huán)來說，對應(yīng)的輸入除上一環(huán)解算的數(shù)據(jù)外還要加上S 曲線計算出的速度或加速度。 公式如式（4）和式（5）所示：

式中：Vref——速度環(huán)的輸入?yún)⒖妓俣龋?/p>

pidpos——位置環(huán)的輸出結(jié)果；

vsref——S 曲線計算出的速度值；

cofv——速度值的系數(shù)；

iqref——電流環(huán)的輸入?yún)⒖妓俣龋?/p>

pidvel——速度環(huán)的輸出結(jié)果；

asref——S 曲線計算出的加速度值；

cofa——加速度值的系數(shù)。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 試驗環(huán)境搭建

本文設(shè)計的伺服驅(qū)動器所使用的電機采用maxon 公司的EC90flat 型號電機，電機的主要參數(shù)為額定電壓24V， 額定電流0.658A， 額定轉(zhuǎn)速3179rpm，每相電阻0.216Ω。 每相電感0.232mh，極對數(shù)11，轉(zhuǎn)矩系數(shù)71.2nNm/A，轉(zhuǎn)動慣量3170gcm2。

本文主要驗證在旋轉(zhuǎn)一定角度情況下伺服驅(qū)動器的控制效果。

4.2 結(jié)果對比

本試驗分別對比了之前S 曲線輸出和分別加入速度前饋、 加入速度和加速度前饋情況下的位置輸出曲線。 圖12 為原始S 曲線輸出示意圖，圖13 為加入速度前饋后S 曲線輸出示意圖，圖14 為加入加速度和速度前饋后S 曲線輸出示意圖。 其中灰色線代表電機參考位置， 黑色線代表電機實際轉(zhuǎn)動位置。

圖12 原始S 曲線輸出示意圖Figure 12 Schematic diagram of the original S-curve output

圖13 加入速度前饋后S 曲線輸出示意圖Figure 13 Schematic diagram of S-curve output after speed feedforward is added

圖14 加入加速度和速度前饋后S 曲線輸出示意圖Figure 14 Schematic diagram of S-curve output after acceleration and velocity feedforward are added

在為伺服驅(qū)動器供電后， 控制位置環(huán)由0°旋轉(zhuǎn)到3600°， 圖12、13、14 分別為三種情況下的S曲線輸出。 比較三者曲線可以得出，采用普通S 曲線控制時，超調(diào)量為0.3°，穩(wěn)定時的誤差為0.146°，采用速度前饋時超調(diào)量為和穩(wěn)定時的誤差均為0.0766°， 采用速度和加速度前饋時超調(diào)量和穩(wěn)定時的誤差為0.01416°。另外通過對比啟動后旋轉(zhuǎn)到720°時的曲線， 我們可以得出三種方法的跟隨效果：采用單S 曲線時，到達720°的目標和實際曲線誤差在0.8ms；而加入速度前饋后為0.093ms，加入速度和加速度前饋后為0.0003ms。 由試驗可以看出，在加入速度前饋后，超調(diào)減少74.5%；穩(wěn)態(tài)誤差減少47.5%，跟隨時間減少88.4%；另外加入加速度前饋后，超調(diào)減少95.2%，穩(wěn)態(tài)誤差減少90.3%，減少了99%的跟隨時間，提高了電機的響應(yīng)速度。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了基于S 曲線的前饋三閉環(huán)PID 控制低壓伺服驅(qū)動器，采用了ARM7 內(nèi)核芯片，具有低電壓大功率、運算速度快、控制精度高等特點。通過電機驅(qū)動電路實現(xiàn)整體的回路控制功能，反饋電路支持相對編碼器和霍爾傳感器，并有SWD，USB，CAN，RS232 等多種通訊方式； 通過電流讀取和溫度傳感器等實現(xiàn)過流保護、溫度保護等功能。 伺服驅(qū)動器軟件分為應(yīng)用層、設(shè)備驅(qū)動層、平臺驅(qū)動層和通用庫四大模塊，通過各個模塊之間的通訊和調(diào)用實現(xiàn)存儲、模數(shù)轉(zhuǎn)換、通訊、控制等功能。

本文在使用S 曲線平穩(wěn)運動的基礎(chǔ)上，在速度環(huán)和電流環(huán)中加入S 曲線計算生成的速度和加速度作為前饋補償。 試驗證明，加入前饋補償有效提高了電機實際的跟隨性能，同時電機超調(diào)和精度也有所提高。 與單獨在速度環(huán)加入前饋補償相比，速度環(huán)和電流環(huán)都加入前饋補償在超調(diào)量、 穩(wěn)態(tài)誤差、跟隨效果上都有更好的表現(xiàn)。 該驅(qū)動器與傳統(tǒng)前饋控制相比，無需進行微分計算，減少了計算量，具有較大的應(yīng)用價值。