【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 局部總線規(guī)范及USB ；3．基于DSP核心處理芯片和CPLD器件進(jìn)行控制器的硬件電路開(kāi)發(fā)，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的接口卡；4．利用CCS軟件編寫(xiě)DSP底層驅(qū)動(dòng)程序，包括通訊驅(qū)動(dòng)及控制程序，分別用于進(jìn)行PCI/USB通訊和進(jìn)行底層的速度控制、位置控制、PID調(diào)節(jié)、圓弧插補(bǔ)、NURBS插補(bǔ)等。5．開(kāi)發(fā)上位機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)和測(cè)試軟件。第2章 伺服系統(tǒng)控制關(guān)鍵技術(shù)研究 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)概述在軍事自動(dòng)化(MA)、工業(yè)自動(dòng)化(FA)、辦公自動(dòng)化(OA)和家庭自動(dòng)化(HA)中，大量存在對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確控制的任務(wù)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)作為自動(dòng)控制的重要分支，在這里大顯身手，正是由于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、重復(fù)定位精度的精確控制，在各類(lèi)控制工程中有著廣泛應(yīng)用前景，因此運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)目前已成為控制科學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中一個(gè)很有意義的研究方向。 在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，按機(jī)械運(yùn)動(dòng)的軌跡分類(lèi)，可分為點(diǎn)位、直線、輪廓控制等。點(diǎn)位控制又稱為點(diǎn)到點(diǎn)控制，是一種從某一位置向另一位置移動(dòng)時(shí)，不管中間的移動(dòng)軌跡如何，只要最后能正確到達(dá)目標(biāo)位置的控制方式，可以通過(guò)多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。直線控制又稱為平行控制，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)除了控制點(diǎn)到點(diǎn)的準(zhǔn)確位置之外，還要保證兩點(diǎn)之間移動(dòng)的軌跡是一條直線，而且對(duì)移動(dòng)的速度也要進(jìn)行控制。輪廓控制又稱為連續(xù)軌跡控制，這類(lèi)運(yùn)動(dòng)能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移及速度進(jìn)行連續(xù)相關(guān)的控制，因而可以進(jìn)行曲線或曲面的運(yùn)動(dòng)，可以通過(guò)直線、圓弧插補(bǔ)、NURBS曲線插補(bǔ)等實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床及機(jī)器人絕大多數(shù)具有兩個(gè)坐標(biāo)或兩個(gè)坐標(biāo)以上聯(lián)動(dòng)的功能，如6軸（或自由度、維）控制的機(jī)械手，其運(yùn)動(dòng)可以給定在空間的任意方向。 在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，按執(zhí)行部件的類(lèi)型分類(lèi)，可分為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)由于沒(méi)有位置反饋和校正控制，其位移精度取決電機(jī)的步距角及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度等。而閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)具有位移測(cè)量和位置比較環(huán)節(jié)，這樣可達(dá)到比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)更高的精度和運(yùn)行速度。通過(guò)編碼器將電機(jī)的位置信號(hào)反饋到控制系統(tǒng)可構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)，如果將光柵尺等測(cè)量的實(shí)際位置作為反饋即可構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。 伺服電機(jī)控制原理 交流伺服電機(jī)介紹交流伺服電機(jī)一般由永磁同步電機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器、速度傳感器組成，交流伺服電機(jī)和它的驅(qū)動(dòng)器組成一個(gè)伺服系統(tǒng)。早期的交流伺服系統(tǒng)是一個(gè)典型的速度閉環(huán)系統(tǒng)，伺服驅(qū)動(dòng)器從主控制系統(tǒng)接收電壓變化范圍為～的速度指令信號(hào)。電壓從變化到的過(guò)程中，伺服電機(jī)可實(shí)現(xiàn)從反轉(zhuǎn)最高速變化到零，然后再變化到正轉(zhuǎn)最高速。但是，這種交流伺服系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的閉環(huán)控制，還不能直接實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的閉環(huán)控制。要實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的閉環(huán)控制，必須在電機(jī)和控制系統(tǒng)之間構(gòu)成一個(gè)位置環(huán)。為了適應(yīng)數(shù)字化控制的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)外一些廠家在九十年代初相繼推出了帶位置環(huán)的全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。不僅可以進(jìn)行位置的閉環(huán)控制，還使得交流伺服電機(jī)可以象步進(jìn)電機(jī)一樣易于控制，上位控制器可以是運(yùn)動(dòng)控制器、PLC或者直接是PC機(jī)等。 交流伺服電機(jī)的控制模式以日本Panasonic公司的MINAS系列交流伺服系統(tǒng)為例，介紹這種交流伺服系統(tǒng)的控制原理。這種伺服系統(tǒng)可在驅(qū)動(dòng)器中由參數(shù)Pr02設(shè)置為位置、速度和轉(zhuǎn)矩三種控制模式，現(xiàn)分述如下。 位置控制模式（Pr02=0） 當(dāng)伺服系統(tǒng)處于位置控制時(shí)，控制系統(tǒng)給伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)是脈沖和方向信號(hào)。這一點(diǎn)和步進(jìn)電機(jī)的控制方式類(lèi)似。其接口電路如圖 21所示。PULS1PULS2SIGN1SIGN2脈沖輸入方向輸入驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器 內(nèi)部圖21交流伺服系統(tǒng)位置控制接口電路 Step control interface circuity of AC servo system 指令脈沖的輸入方式可分為以下三種：1．正交脈沖指令頻率相同但相位相差90176。的A、B兩相脈沖分別從PULSPULS2和SIGNSIGN2送入伺服驅(qū)動(dòng)器。A、B兩相脈沖的頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；脈沖數(shù)控制電機(jī)的角位移。2．CW/CCW脈沖指令即單脈沖工作方式。脈沖信號(hào)通過(guò)PULSPULS2進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，則電機(jī)按CW方向旋轉(zhuǎn)。若通過(guò)SIGNSIGN2進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，則電機(jī)按CCW方向旋轉(zhuǎn)。脈沖頻率控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，脈沖數(shù)控制電機(jī)的角位移。3．脈沖+方向指令脈沖信號(hào)從PULSPULS2進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，脈沖頻率控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，脈沖數(shù)控制電機(jī)的角位移。方向信號(hào)從SIGNSIGN2進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器，高低電平控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 速度控制模式（Pr02=1） 在速度控制模式中，上位控制系統(tǒng)通過(guò)SPD、GND引腳給伺服驅(qū)動(dòng)器輸入一個(gè)－10V～＋10V的模擬電壓，即可控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)從負(fù)向最大轉(zhuǎn)速到正向最大轉(zhuǎn)速之間的速度變化。電機(jī)轉(zhuǎn)速和指令輸入電壓之間呈線性關(guān)系。速度指令除了可以由外部模擬電壓來(lái)輸入外，還可以在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部用四個(gè)參數(shù)設(shè)置四種內(nèi)部速度。通過(guò)驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)的四種狀態(tài)組合選擇其中一種。驅(qū)動(dòng)器可由內(nèi)部參數(shù)Pr52對(duì)外部速度指令進(jìn)行零漂調(diào)整。本文中的運(yùn)動(dòng)控制器就是采用速度控制方式對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制的。 轉(zhuǎn)矩控制模式（Pr02=2） 通過(guò)外加－10V～＋10V的電壓，即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，與速度控制相似。電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩和輸入電壓之間呈線性關(guān)系，直線斜率可用驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置。伺服電機(jī)工作在轉(zhuǎn)矩控制模式時(shí)，應(yīng)限制其最大轉(zhuǎn)速，以免驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生過(guò)速報(bào)警。 伺服電機(jī)的PID調(diào)節(jié)方案圖22是運(yùn)動(dòng)控制器采用的PID調(diào)節(jié)原理框圖，虛線框中的速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的功能由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器完成。電流環(huán)用來(lái)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力。速度環(huán)用于根據(jù)指令速度調(diào)節(jié)伺服電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，在Panasonic伺服電機(jī)中，參數(shù)Pr11和Pr12分別設(shè)置其速度環(huán)增益和積分時(shí)間常數(shù)、位置環(huán)包括位置PID調(diào)節(jié)和速度、加速度前饋，由運(yùn)動(dòng)控制器底層程序完成，可根據(jù)位置偏差調(diào)節(jié)電機(jī)的指令速度，實(shí)現(xiàn)精確定位、回零等；輸出飽和控制主要在軟件中實(shí)現(xiàn)，可保證輸出電壓不會(huì)超過(guò)設(shè)定范圍；靜差補(bǔ)償則可以消除由于放大器的零點(diǎn)漂移帶來(lái)的偏差。速度環(huán)和電流環(huán)分別在速度控制模式和轉(zhuǎn)矩控制模式下發(fā)揮作用，因此在運(yùn)動(dòng)控制器采用的速度控制模式中，主要由速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成雙閉環(huán)。圖22 PID調(diào)節(jié)原理框圖 Functional block diagram for PID modulation設(shè)為D/A轉(zhuǎn)換器的指令速度輸出值，為第個(gè)采樣時(shí)刻的位置偏差，為第個(gè)采樣時(shí)刻的指令位置，為第個(gè)采樣時(shí)刻實(shí)際位置，為第個(gè)采樣時(shí)刻累積誤差值，為當(dāng)前目標(biāo)速度，表示當(dāng)前目標(biāo)加速度，表示電機(jī)靜差補(bǔ)償，則： （21） （22）其中，分別表示比例增益、積分增益、微分增益、速度前饋增益和加速度前饋增益?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例增益，它相當(dāng)于系統(tǒng)的剛度，比例增益越大，調(diào)節(jié)速度越快，但會(huì)增加系統(tǒng)的超調(diào)。積分調(diào)節(jié)的作用是消除系統(tǒng)輸出的靜差，但會(huì)降低系統(tǒng)響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)輸出的超調(diào)。微分調(diào)節(jié)的作用是阻止偏差的變化，偏差變化越快，微分調(diào)節(jié)器的輸出也越大，因此微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。速度前饋和加速度前饋可以提高系統(tǒng)的跟蹤性能，減小跟隨誤差。圖23是用在有前饋和無(wú)前饋的情況下用Matlab進(jìn)行的圓弧插補(bǔ)跟隨誤差比較?？梢钥闯?，在無(wú)前饋的情況下，隨后作類(lèi)似余弦曲線的變化。引入前饋后，跟隨誤差從開(kāi)始的63個(gè)脈沖迅速上升到109個(gè)脈沖，然后逐漸下降，177。2個(gè)脈沖之間。速度和加速度前饋的引入大大減小了系統(tǒng)的跟隨誤差。圖23 跟隨誤差比較 Comparison of following error編碼器可以把機(jī)械轉(zhuǎn)角變成電脈沖，主要分為光電式、接觸式和電磁感應(yīng)式。數(shù)控系統(tǒng)中主要使用體積小、精度高、工作穩(wěn)定可靠的光電脈沖編碼器。光電脈沖編碼器分為增量式脈沖編碼器和絕對(duì)式脈沖編碼器。絕對(duì)式脈沖編碼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，實(shí)際應(yīng)用中，增量式脈沖編碼器應(yīng)用更為廣泛。增量式脈沖編碼器一般產(chǎn)生A+、A、B+、B 、C+、C、三對(duì)差分信號(hào)，差分信號(hào)處理電路可以將三對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形、放大轉(zhuǎn)變成A、B、C三相信號(hào)。每轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)C相（Index）脈沖，用來(lái)產(chǎn)生機(jī)床的基準(zhǔn)點(diǎn)。通常，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械原點(diǎn)與各軸的脈沖編碼器發(fā)C脈沖的位置是一致的，通過(guò)Home+Index回零實(shí)現(xiàn)。A相和B相信號(hào)則由兩組近似正弦波、相差為176。的信號(hào)轉(zhuǎn)變成兩組相差為90176。的正交編碼脈沖，相角超前與滯后對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向，頻率對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)電機(jī)的角位移。正交編碼脈沖由4倍頻電路產(chǎn)生4倍頻脈沖信號(hào)，再通過(guò)增減計(jì)數(shù)器對(duì)4倍頻脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，可以方便得獲取電機(jī)的實(shí)際位置。同時(shí)，通過(guò)M/T測(cè)速法，根據(jù)在一個(gè)伺服周期(s)內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的脈沖數(shù)(pulse)可以計(jì)算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如對(duì)于一個(gè)2500pulse/r的增量編碼器的伺服電機(jī)，其速度(RPM)計(jì)算方法為： （23） 參數(shù)曲線的時(shí)間分割插補(bǔ)算法 時(shí)間分割插補(bǔ)原理時(shí)間分割插補(bǔ)又稱為數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)，是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床高、中檔CNC系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)控制器常用的插補(bǔ)算法。它基于粗、精二次插補(bǔ)的原理實(shí)現(xiàn)軌跡控制，其中粗插補(bǔ)由上位機(jī)系統(tǒng)的用戶軟件完成，精插補(bǔ)由運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)。設(shè)為參數(shù)曲線上任一點(diǎn)的位置矢量，參數(shù)曲線的形式為： （24）在運(yùn)動(dòng)控制器中，軟件插補(bǔ)以一定的采樣周期（伺服周期）進(jìn)行工作，在第個(gè)伺服周期中，實(shí)時(shí)計(jì)算出第個(gè)伺服周期中各軸的運(yùn)動(dòng)分量，并滿足指定的進(jìn)給速度要求，即： （25）式中為第個(gè)伺服周期中的瞬時(shí)進(jìn)給量，也稱插補(bǔ)步長(zhǎng)。若插補(bǔ)周期為，指令進(jìn)給速度為，則。因此，參數(shù)曲線的時(shí)間分割插補(bǔ)即由運(yùn)動(dòng)控制器在每個(gè)伺服周期中實(shí)時(shí)地插補(bǔ)出滿足式（24）、（25）的運(yùn)動(dòng)軌跡，完成整條曲線的加工，其本質(zhì)是以一段段弦長(zhǎng)逼近實(shí)際曲線。與傳統(tǒng)的CAM離線編程中的逼近方法相比，曲線的實(shí)時(shí)插補(bǔ)不僅編程簡(jiǎn)便而且軌跡插補(bǔ)時(shí)是以插補(bǔ)步長(zhǎng)直接逼近，其步長(zhǎng)只取決于加工速度和系統(tǒng)的插補(bǔ)周期，是原理上的最短直線，因此可以獲得最高的曲線加工精度。在曲率半徑mm的外形上用時(shí)間分割原理進(jìn)行插補(bǔ)，以m/min的高速加工，伺服周期為ms，則插補(bǔ)步長(zhǎng)mm，弓高誤差僅為。 參數(shù)曲線自適應(yīng)插補(bǔ)算法參數(shù)曲線的插補(bǔ)涉及到兩個(gè)坐標(biāo)空間，即一維的參數(shù)空間和三維的軌跡空間。因此，現(xiàn)有插補(bǔ)方法將插補(bǔ)計(jì)算分兩步完成：1．參數(shù)插補(bǔ)。將軌跡空間的進(jìn)給步長(zhǎng)映射到參數(shù)空間，求出相應(yīng)的參數(shù)增量及參數(shù)坐標(biāo)；2．軌跡計(jì)算。將得到的參數(shù)空間坐標(biāo)值映射到軌跡空間，得到相應(yīng)的映射點(diǎn)，即為所求插補(bǔ)軌跡的新坐標(biāo)點(diǎn)。在參數(shù)空間，曲線軌跡參數(shù)的插補(bǔ)計(jì)算可由二階泰勒級(jí)數(shù)表示，即 （26）其中和分別為參數(shù)對(duì)時(shí)間的一階和二階導(dǎo)數(shù)，可推導(dǎo)得出[10]： （27）式中，和分別為坐標(biāo)對(duì)參數(shù)的一階和二階導(dǎo)數(shù)，、和的意義與之類(lèi)似。利用公式（27）求得得插補(bǔ)參數(shù)，代入曲線方程即可得到新插補(bǔ)點(diǎn)，根據(jù)新插補(bǔ)點(diǎn)的坐標(biāo)即可得到各坐標(biāo)軸的插補(bǔ)量，從而獲得第個(gè)伺服周期中各個(gè)電機(jī)的位置增量。由于插補(bǔ)中以短直線逼近實(shí)際曲線，所以存在工高誤差；另外，插補(bǔ)中采用曲線的弧長(zhǎng)速度代替實(shí)際進(jìn)給的弦長(zhǎng)速度，也會(huì)引起進(jìn)給速度的偏差。上述算法缺乏對(duì)這兩種誤差的必要控制，并且計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，因此采取基于參數(shù)遞推預(yù)估、誤差控制、參數(shù)校正的插補(bǔ)算法[11]。其基本思路是在插補(bǔ)中實(shí)時(shí)監(jiān)控插補(bǔ)弓高誤差的大小，當(dāng)誤差在允許誤差范圍內(nèi)時(shí)，仍按瞬時(shí)進(jìn)給速度計(jì)算進(jìn)給步長(zhǎng)，若誤差超出了允許范圍，則按允許誤差求取約束插補(bǔ)步長(zhǎng)。這樣,插補(bǔ)進(jìn)給能隨曲線曲率的變化自適應(yīng)調(diào)整進(jìn)給步長(zhǎng)，確保插補(bǔ)的輪廓誤差控制在允許的范圍內(nèi)。此外,針對(duì)插補(bǔ)的進(jìn)給速度偏差主要來(lái)源于以弧長(zhǎng)速度代替弦長(zhǎng)速度，為了獲得更好的速度穩(wěn)定性，應(yīng)直接以弦長(zhǎng)速度為控制目標(biāo)。下面給出基于時(shí)間分割插補(bǔ)原理的參數(shù)曲線自適應(yīng)插補(bǔ)步驟：1．利用插分代替微分，代入二階泰勒展開(kāi)公式（26），可得到插補(bǔ)點(diǎn)的參數(shù)遞推估算公式（28），根據(jù)該公式進(jìn)行參數(shù)遞推預(yù)估。 （28）2．將預(yù)估參數(shù)代入曲線方程求得預(yù)估插補(bǔ)點(diǎn)，并根據(jù)公式（29）計(jì)算預(yù)估插補(bǔ)步長(zhǎng)：（29）3．設(shè)允許輪廓誤差為，參數(shù)預(yù)估插補(bǔ)弓高誤差為，計(jì)算滿足誤差控制條件的最大插補(bǔ)步長(zhǎng)[11]：。 （210）由于插補(bǔ)步長(zhǎng)一般很小，不妨取曲線段的中點(diǎn)，弦的中點(diǎn)，用間的距離近似表示本段曲線的插補(bǔ)弓高誤差，即 （211）4．設(shè)插補(bǔ)周期為，指令進(jìn)給速度為，根據(jù)下式計(jì)算滿足誤差約束條件的實(shí)際插補(bǔ)步長(zhǎng)： （212）5．確定參數(shù)插補(bǔ)點(diǎn)[10]（d為允許偏差，例如）： （213）6．將代入曲線方程求取插補(bǔ)點(diǎn)，計(jì)算各軸進(jìn)給量，為第個(gè)伺服周期中各電機(jī)的位置PID調(diào)節(jié)計(jì)算做好準(zhǔn)備。對(duì)于直線插補(bǔ)，不存在工高誤差，參數(shù)插補(bǔ)速度完全由決定。圓弧由于具有恒定的曲率半徑，只要根據(jù)工高誤差約束條件算出最大插補(bǔ)速度，保證小于該最大速度的情況下，參數(shù)插補(bǔ)步長(zhǎng)只與有關(guān)。在恒定的情況下可以進(jìn)行等參數(shù)插補(bǔ)，參數(shù)插補(bǔ)步長(zhǎng)由插補(bǔ)速度和工高誤差約束條件確定。因此可以進(jìn)行參數(shù)插補(bǔ)步長(zhǎng)的預(yù)處理，編程方便，并可以提高程序運(yùn)行速度。設(shè)圓弧的參數(shù)表達(dá)式為： （214）則參數(shù)插補(bǔ)步長(zhǎng)為： （215）而對(duì)于一般的參數(shù)曲線，則要根據(jù)步驟1～6進(jìn)行插補(bǔ)處理。 NURBS插補(bǔ)原理 NURBS插補(bǔ)介紹近年來(lái)，以NURBS （NonUniform Rational BSpline非均勻有理B樣條）為內(nèi)部描述的曲線曲面造型技術(shù)得到重視并日益發(fā)