摘要：為滿足雕刻機(jī)高速高精度的加工要求，提高雕刻機(jī)的性價(jià)比，針對(duì)雕刻機(jī)2維直流伺服實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)?？刂破饕訲MS320C2812。為控制核心、L6203為功率驅(qū)動(dòng)模塊、小功率直流電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明控制器運(yùn)行穩(wěn)定、跟蹤精度高、加工速度快，可望廣泛實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：雕刻機(jī)；DSP；功率驅(qū)動(dòng)模塊；直流伺服電動(dòng)機(jī)；2維運(yùn)動(dòng)控制器；實(shí)驗(yàn)

LI Hong—mei， ZHANG Hou—lai （College of Electrical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract： In order to meet the requirements of high speed and high accuracy for an engraving machineautomatic machining and improved its performance and value ratio，achieved hardware design for a two—dimensional direct current servo and real—time motion controller． The design ed controller had DSP as itscontrol kerne1．L6203 as its power drive module and small power DC motor as its executive machine．The repeating experimental results validatd that the controller had the following merits such as motion stabilization， high tracking precision and fast machining speed， therefore， it was hopeful to widely andpractically apply the controller．

Key Words： Engraving machine； DSP； Power drive module； DC servo motor； Two—dimensional motion controller； Experimen

0 引 言

運(yùn)動(dòng)控制器是數(shù)控系統(tǒng)的控制核心，其控制功能的強(qiáng)弱、控制性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著數(shù)控系統(tǒng)的加工質(zhì)量與加工效率。國(guó)外先進(jìn)的伺服運(yùn)動(dòng)控制器大都采用Tumizuka提出的零相位誤差跟蹤控制器（ZPETC），同時(shí)，為了克服系統(tǒng)模型不確定和干擾引起的跟蹤誤差，引入了干擾觀測(cè)器（DOB），鑒于國(guó)內(nèi)研發(fā)的直流伺服運(yùn)動(dòng)控制器尚沒(méi)有廣泛應(yīng)用上述研究成果，本文針對(duì)雕刻機(jī)進(jìn)行2維直流伺服控制器的硬件設(shè)計(jì)時(shí)，在吸收和消化國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、算法先進(jìn)的2維直流伺服實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器，反復(fù)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明運(yùn)動(dòng)控制器具有運(yùn)行穩(wěn)定、跟蹤精度高、加工速度快的特點(diǎn)，投人生產(chǎn)后將大幅提高國(guó)產(chǎn)雕刻機(jī)的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 雕刻機(jī)用直流伺服控制器硬件設(shè)計(jì)

1.1 直流伺服雕刻機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所研發(fā)的直流伺服雕刻機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。上位機(jī)（根據(jù)插補(bǔ)算法的復(fù)雜程度選用相應(yīng)的處理芯片，如51系列單片機(jī)或DSP）根據(jù)雕刻軟件生成的軌跡坐標(biāo)按照一定插補(bǔ)算法給出離散參考速度信號(hào)，并通過(guò)串口實(shí)時(shí)傳送給直流伺服運(yùn)動(dòng)控制器。運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)給定的 軸和y軸參考速度信號(hào)（通過(guò)離散積分即可得到參考位移信號(hào)），結(jié)合編碼器反饋回的X軸和y軸實(shí)際位移輸出，經(jīng)ZPETC控制器、PD控制器和干擾觀測(cè)器于一體的直流電動(dòng)機(jī)伺服控制算法算出X軸和y軸兩組PWM信號(hào)。這兩組PWM信分別用來(lái)觸發(fā)X軸和Y，軸電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)模塊（L6203），控制雕刻機(jī)的X軸和Y軸電機(jī)運(yùn)行來(lái)完成實(shí)際加工任務(wù)。

1.2 控制芯片選擇

針對(duì)2維雕刻機(jī)加工平臺(tái)的特點(diǎn)，上位機(jī)一次刻繪復(fù)雜圖形輪廓經(jīng)插補(bǔ)算法將生成數(shù)據(jù)總量達(dá)幾十兆甚至更多兆的參考速度信號(hào)。如果運(yùn)動(dòng)控制器一次性接收完所有的參考速度信號(hào)再生成PWM信號(hào)后驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始雕刻加工，不但需要外擴(kuò)相當(dāng)容量的RAM來(lái)保存臨時(shí)數(shù)據(jù)，而且也增加了系統(tǒng)硬件成本和復(fù)雜程度，同時(shí)，接收數(shù)據(jù)也會(huì)消耗數(shù)分鐘甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，從而降低了系統(tǒng)的加工效率。

為了降低系統(tǒng)硬件成本，提高加工效率，運(yùn)動(dòng)控制芯片必須具備完成實(shí)時(shí)控制的能力，即在接收參考速度信號(hào)的同時(shí)就生成PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始雕刻加工任務(wù)，這就要求控制芯片在完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制算法的同時(shí)還要有足夠的時(shí)間來(lái)接收實(shí)時(shí)參考速度數(shù)據(jù)。本文選用TMS320C2812型32位定點(diǎn)DSP作為直流伺服運(yùn)動(dòng)控制器的控制芯片。該芯片主頻高達(dá)150 MHz，內(nèi)含的128 k×16位Flash存儲(chǔ)器可用來(lái)存放運(yùn)動(dòng)控制程序。片內(nèi)18 k×16位的SRAM可用來(lái)存放少量的實(shí)時(shí)參考速度信號(hào)和控制算法中需要的中問(wèn)變量。如圖1所示的片上異步串口通信（SCI）模塊加上外擴(kuò)的異步串口收發(fā)器（MAX3160）可用來(lái)實(shí)時(shí)接收上位機(jī)的參考速度信號(hào)，傳輸速率高達(dá)1 Mbps。

事件管理器（EV）模塊上的正交編碼脈沖單元（QEP）可用來(lái)實(shí)時(shí)接收編碼器的反饋位移信號(hào)。比較器單元可硬件生成驅(qū)動(dòng)電機(jī)的PWM信號(hào)。綜上所述，一片TMS320C2812芯片再加上3片外圍器件（電源芯片，異步串口收發(fā)器， 電平轉(zhuǎn)換芯片）就可組成一個(gè)完整的直流伺服運(yùn)動(dòng)控制器，較好地解決了系統(tǒng)的控制性能與硬件成本及復(fù)雜程度之間的矛盾。

1.3 反饋位移檢測(cè)

為實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制算法，運(yùn)動(dòng)控制器需實(shí)時(shí)檢測(cè)執(zhí)行電機(jī)輸出的實(shí)際位移信號(hào)。TMS320C2812每一個(gè)事件管理器模塊（EVA／EVB）都有一個(gè)正交編碼脈沖（QEPA／QEPB）電路[4]。選擇引腳CAP1／QEP1和CAP2／QEP2作為軸電機(jī)編碼器信號(hào)輸入口，引腳CAP3／QEP3和CAP4／QEP4作為l，軸電機(jī)編碼器信號(hào)輸入口。正交編碼脈沖輸入單元（QEP）能對(duì)脈沖前后沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，并可根據(jù)兩路脈沖的相序關(guān)系確定計(jì)數(shù)方向。內(nèi)部定時(shí)（計(jì)數(shù)）器12、T4分別用來(lái)作為QEPA和QEPB的計(jì)數(shù)器。和T4的控制寄存器初始值設(shè)為0x1870，即其計(jì)數(shù)模式為定向增／減模式，并由QEP電路生成計(jì)數(shù)方向信號(hào)。由于QEP邏輯為計(jì)數(shù)器2（或4）產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率是每個(gè)輸入脈沖序列的4倍，而系統(tǒng)所選編碼器的脈沖當(dāng)量為25m，故本系統(tǒng)中計(jì)數(shù)器的脈沖當(dāng)量為6.25μm。另外，編碼器輸出的是5V電平信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)SN74CBTD3384C芯片轉(zhuǎn)換為3.3V電平信號(hào)再送到DSP的編碼器輸人引腳。

值得注意的是在系統(tǒng)初始化時(shí)或每個(gè)控制周期讀取計(jì)數(shù)寄存器（T2CNT或T4CNT）值后需要將其復(fù)位到0xTFFF。這樣做的目的有兩個(gè)：一是防止系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)計(jì)數(shù)器溢出（如T2CNT設(shè)為0而計(jì)數(shù)方向?yàn)闇p），二是防止系統(tǒng)連續(xù)單向運(yùn)行時(shí)累計(jì)的位移脈沖當(dāng)量超過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)范圍而溢出。將計(jì)數(shù)器復(fù)位到0x7FFF后，只需要滿足每個(gè)控制周期的脈沖增（減）量不超過(guò)0x7FFF即可保證計(jì)數(shù)器不溢出，降低了計(jì)數(shù)器對(duì) X—y軸運(yùn)動(dòng)范圍的限制。系統(tǒng)的當(dāng)前位移可通過(guò)軟件將每個(gè)控制周期檢測(cè)出的位移增（減）量累加得到。

1.4 功率驅(qū)動(dòng)和保護(hù)

雕刻機(jī)的直流伺服執(zhí)行元件選用9234C130一R5系列直流伺服電機(jī)，其額定電壓為19.1V，電樞電阻為1.89Q，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)6000r／min，最大工作電流約為10A。選用L6203作為電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊，其最大工作電壓48V，峰值電流可達(dá)5A。該芯片及其外圍電路圖見(jiàn)圖2。

直流電機(jī)的傳遞函數(shù)可簡(jiǎn)化為[3]：

式（1）可表示為：

式中，J為等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為等效粘性摩擦系數(shù)。

以X軸為研究對(duì)象，根據(jù)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得：Js =3.35×10-4V／（mm／sec2 ），B =1.5×10-2（mm／sec2），正向啟動(dòng)電壓約為2.8 V。當(dāng)系統(tǒng)直流電源提供最大電壓20 V且系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，實(shí)測(cè)出電機(jī)穩(wěn)態(tài)速度約為1320 mm／s，驗(yàn)證了的正確性。升速時(shí)峰值電樞電流實(shí)測(cè)為ia≈ 4.6 A，穩(wěn)態(tài)時(shí)ia≈ 0.52 A， 上升時(shí)間г≈ 0.8 S，此時(shí)系統(tǒng)提供最大加速度約為1.68 g。為保證系統(tǒng)跟蹤及時(shí)性且模塊L6203及電機(jī)工作電流正常，實(shí)際設(shè)定系統(tǒng)加速度為1.2 g。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行加速度超出一定范圍時(shí)（電機(jī)賭轉(zhuǎn)或被人為加速超出一定范圍），可通過(guò)反饋速度測(cè)量出電機(jī)實(shí)際輸出加速度。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)限制加速度a<2g，實(shí)際單軸加速度a>2g時(shí)作為故障處理，以保護(hù)執(zhí)行電機(jī)與L6203芯片工作在正常電流范圍。

L6203的5腳7腳分別為H橋的兩路PWM脈沖控制信號(hào)的輸入接口。兩路脈沖信號(hào)相互補(bǔ)。即當(dāng)5腳脈沖信號(hào)為高電平時(shí)，7腳則為低電平，此時(shí)電機(jī)電樞電壓為正，反之為負(fù)。1腳為L(zhǎng)6203使能工作信號(hào)。當(dāng)1腳接入邏輯高電平時(shí)，L6203為使能工作狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)該雕刻機(jī)控制系統(tǒng)故障保護(hù)功能，此系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)包括手動(dòng)復(fù)位和軟件復(fù)位且都與DSP的復(fù)位引腳相連，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP的復(fù)位操作，保證系統(tǒng)的正常工作。軟件復(fù)位（通過(guò)向特定地址寫低電平經(jīng)譯碼后送復(fù)位端），當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送錯(cuò)誤或雕刻機(jī)刀具碰到架臺(tái)的左右限位器，復(fù)位信號(hào)以邏輯低電平形式輸給1腳使得H橋置于續(xù)流態(tài)，執(zhí)行電機(jī)迅速停機(jī)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為設(shè)計(jì)的雕刻機(jī)直流伺服系統(tǒng)，干擾觀測(cè)器采用3階低通濾波器，選取г=0.004，PD控制器參數(shù)經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)反復(fù)校核取為Kp=110和Td=0．29214。非線性摩擦補(bǔ)償模型經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)選取參數(shù)為：Uc+ =2.8 V、Uc一= 一1.7 V，設(shè)計(jì)的ZPETC為：

雖然控制器中各個(gè)模塊的參數(shù)僅示出了X軸電機(jī)的控制器參數(shù)，軸電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程和方法完全相同。

以雕刻機(jī)加工半徑為10 mm圓的 軸參考位移信號(hào)為例，見(jiàn)圖3。圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳統(tǒng)僅含PID控制的控制器跟蹤誤差最大達(dá)75 m。所設(shè)計(jì)的集ZPETC控制器、PD控制器和干擾觀測(cè)器于一體的2維直流伺服實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器最大跟蹤誤差已實(shí)現(xiàn)控制在20 Ixm以內(nèi)，見(jiàn)圖5。

3 結(jié) 論

本文將集ZPETC控制器、PD控制器和干擾觀測(cè)器于一體的運(yùn)動(dòng)控制算法應(yīng)用到雕刻機(jī)2維直流伺服實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器中，采用TMS320C2812型32位定點(diǎn)DSP作為控制核心，實(shí)時(shí)承擔(dān)接收數(shù)據(jù)，檢測(cè)反饋位移，完成復(fù)雜運(yùn)動(dòng)控制算法，生成PWM信號(hào)和保護(hù)信號(hào)等功能，并結(jié)合專用直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊L6203完成了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的2維直流伺服實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、跟蹤性能良好的特點(diǎn)，有望在高檔數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。

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