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基于DSP高精度伺服位置環設計

—— Design of High Accuracy Servo Position Loop Based on DSP
作者:暨綿浩 廣州數控設備有限公司時間:2010-07-02來源:電子產品世界收藏

  引言

本文引用地址:http://www.zgzcxq.live/article/110546.htm

  機床是裝備制造業的母機,也是裝備制造業的引擎。我國“十一五”發展規劃明確規定:國產國內市場占有率要達到60%,高端產品與國際先進水平的差距縮小到5年以內。

  作為的重要功能部件,伺服驅動裝置是向高速度、高精度、高效率邁進的關鍵基礎技術之一。隨著新的微處理器、電力電子技術和傳感器技術在伺服驅動裝置的應用,伺服驅動器的性能獲得極大的提高。如日本的安川公司利用新的微處理器,以及通過擴充新的控制算法,速度頻率響應提高到了1.6kHz,具有自動測定機械特性,設置所需要的伺服增益功能,實現了“在線自動調整功能”;發那科公司的新一代驅動器則采用了1600萬/轉的高分辨率的編碼器,高精度電流檢測,實現了高速、高精度的伺服HRV (高響應向量)控制算法,伺服電機的最大控制電流減少50%,并減少電機發熱17%,使得伺服驅動裝置可以獲得更高的剛性和過載能力。國內在高性能伺服驅動技術方面,與國外名牌企業仍存在較大的差距,已成為制約我國發展中高檔數控系統產業的“瓶頸”問題。

  針對舊產品的信號處理時間長,電流與位置信號檢測精度低的不足,本系統以TMS320F2812 為控制器,縮短了信號處理時間且提高電流采樣精度;位置檢測用多摩川的TS5667N120 17位絕對式編碼器以提高了位置檢測精度。系統在數控加工中心的應用中,具有定位無超調、高剛性、高速度穩定性,達到了設計指標,可以滿足微米級加工精度的要求。

  系統硬件設計

  系統硬件以 TMS320F2812控制器、三菱公司的IPM功率模塊、多摩川公司的TS5667N120 17位絕對式編碼器為主要功能部件,硬件系統框圖如圖1所示。

  圖1中TMS320F2812 為控制核心,接收來自CNC、編碼器接口、電流檢測模塊和故障信號處理模塊的信息,完成對控制和故障處理。光電隔離模塊作為電子電路與功率主電路的接口,將DSP發出的SVPWM信號送入IPM模塊,完成DC/AC逆變,驅動電動機旋轉。編碼器接口將絕對式編碼器所記錄的永磁同步電動機的磁極位置、電動機轉向和編碼器報警等信息送往DSP,同時將永磁同步電動機的位置信息送往CNC。電機相電流經電流檢測模塊量測、濾波、幅度變換、零位偏移、限幅,轉化為0~3V的電壓信號送入DSP的A/D引腳。功率主電路的過壓、欠壓、短路、電源掉電和IPM故障等信號經故障檢測模塊檢測與處理后,送入DSP的I/O端口。鍵盤與顯示模塊是控制器的人機接口,用以完成控制參數的輸入,運行狀態與運行參數顯示。存儲器模塊用以存儲控制參數與系統故障信息。

  系統軟件設計

  按任務劃分,系統軟件由任務與任務管理模塊構成,任務管理模塊對人機接口、控制算法、加減速控制、故障處理等四個任務進行調度管理。控制算法主要包括:調節器控制算法、矢量控制算法和數字濾波器算法等。

  按照結構化程序設計方法,遵循“功能獨立”的原則,將系統軟件劃分為主程序模塊和矢量控制程序模塊兩大部分,各部分又劃分為若干子模塊,以利于軟件設計、調試、修改和維護。矢量控制軟件設計采用典型的前后臺模式,以主程序作為后臺任務,中斷服務程序作為前臺任務。根據矢量控制算法的特點,中斷服務程序只處理實時性高的PWM控制子程序,把系統的一些測量、鍵盤處理和顯示等一系列實時性不高的任務放到后臺任務。

  主程序是軟件的主體框架,其工作過程是:系統上電復位后,依次對片內外設進行初始化、從E2PROM中讀出控制參數、LED顯示初始信息。初始化完成后,主程序循環執行LED顯示、鍵盤處理和參數計算與保存。

  PWM中斷服務。在PWM中斷到來時,首先讀取編碼信號,進行角度和速度計算,接著進行A/D采樣并執行clark和park變換,然后進行PI調節、反park變換,最后進入空間矢量模塊,產生PWM信號。

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