高速高精度直流伺服運動控制器的設計
王付勝，張興
(合肥工業大學，安徽合肥230009)
摘要：為滿足數控伺服系統高速高精度的加工要求，提高數控雕刻機的性價比，提出了一種以tms320c2812為控制核心、以l6203為功率驅動模塊，以永磁直流伺服電機為控制對象的二維直流伺服實時運動控制系統。控制器采用先進的四模塊結構，即摩擦補償模塊、速度環干擾觀測器模塊、位移環反饋控制模塊和采用零相位誤差跟蹤控制技術的前饋控制器模塊，有效提高了系統的跟蹤精度和加工速度。實驗結果證明該系統運行穩定、跟蹤精度高、加工速度快，有望在數控加工行業中得到廣泛應用。
關鍵詞：數控；永磁直流伺服電動機；雕刻機；高精度；零相位誤差跟蹤控制
中圖分類號：tm383．4+1 文獻標識碼：a 文章編號：1004—7018(2010)04—0048—04
0引言
隨著雕刻工具和技術不斷改進，雕刻行業所涉及的領域越來越廣，如在模具、廣告、精密加工等方面，數控雕刻機得到了廣泛的應用。它主要有雕刻軟件、數控系統、伺服控制器、伺服電機和機械工作平臺五部分組成。雕刻軟件在計算機上根據設計圖樣自動計算出刀具的運動位置和狀態，即刀具路徑和刀具的抬力、落刀狀態，并通過串口發送給數控系統；數控系統則根據接收到的刀具路徑和狀態按照一定的插補算法計算出置軸和y軸的給定速度，即路徑規劃，并實時發送給伺服控制器，而伺服控制器則負責跟蹤各個軸的給定速度(軌跡)，執行抬刀(落刀)指令，完成實際雕刻加工的任務。整個系統的加工速度取決于數控系統的路徑規劃算法，上位機、數控系統及伺服控制器之間的通訊速度，伺服電機的額定轉速；而加工精度則主要取決于伺服控制器和機械加工平臺的性能。在本系統中，路徑規劃采用連續微小路徑段高速自適應前瞻插補算法[1-2]，永磁直流電動機取代傳統的步進電動機、采用tms320c2812作為數控系統和伺服控制器的核心cpu，以此保證上位機、數控系統、伺服控制器三者之間能夠并行完成各自所需處理的任務，從而顯著提高系統的加工速度。另外，傳統的pid伺服控制器已難以滿足數控系統定位精度高、無超調、無振蕩、響應速度快且魯棒性好的要求，本系統采用高性能魯棒運動控制系統的四模塊通用控制器結構，如圖1所示。它由摩擦補償模塊、干擾觀測器、位移反饋控制器和前饋控制器四部分組成，其中前饋控制器采用零相位誤差跟蹤控制(zpetc)技術，實驗結果證明采用此伺服控制器可以顯著提高系統的加工精度。
1基于dsp的系統方案設計
數字信號處理器[4]因其豐富的資源和高速計算能力使其能夠成功的應用于數控系統中，以保證各個子系統能夠實時并行完成各自所需處理的任務，而且可以按照系統的需要進行擴展和性能提升，還可以很方便地對不同算法進行比較、篩選，如圖2所示。
雕刻軟件在計算機上根據設計圖樣自動計算出刀具的運動位置，即刀具路徑，并通過串口發送給數控系統中插補算法控制器dspl，后者根據雕刻軟件生成的軌跡坐標按照一定插補算法給出離散參考速度信號，并通過串口[4]實時傳送給直流伺服運動控制器dsp2；運動控制器根據給定的x軸和y軸參考速度信號(通過離散積分即可得到參考位移信號)，結合編碼器反饋回的x軸和l，軸實際位移輸出，根據圖1的控制算法得到z軸和y軸兩組pwm信號；這兩組pwm信分別用來觸發x軸和y軸電機的功率驅動模塊，進而控制雕刻機x軸和y軸電機運動，完成實際的加工任務。
2四模塊直流伺服控制器的參數設計
從圖2中可以看出，被控對象的高階、低價(名義)模型和摩擦補償模型是對位移環的前饋控制器
2.2被控對象的簡化模型和摩擦補償模型
本系統中電機端電壓到速度在連續系統的簡化模型可寫為：
式中：j為電機等效轉動慣量，b為等效粘性摩擦系數，j和b中可以通過測量被控系統的階躍響應來估算。在不同階躍輸入電壓下的速度曲線如圖4所示，根據 |
