基于DSP的直線直流電機(jī)初始位置檢測(cè)設(shè)計(jì)*

杜志強(qiáng)， 朱德榮， 艾 武

(1.洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)電系，河南洛陽(yáng) 471023;2.華中科技大學(xué)國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，湖北武漢 430074)

0 引言

在現(xiàn)有的振鏡式激光掃描系統(tǒng)中，Z軸動(dòng)態(tài)聚焦模塊的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)加上一套轉(zhuǎn)換裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、存在換向間隙誤差和彈性變形，而且難以實(shí)現(xiàn)較高的控制精度和較高的往返運(yùn)動(dòng)頻率［1-2］。用高性能的直線直流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)伺服單元實(shí)現(xiàn)Z軸的動(dòng)態(tài)聚焦是一種新的傳動(dòng)進(jìn)給方式［3］，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，并具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。它消除了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)鏈(由旋轉(zhuǎn)到直線)所帶來(lái)的一系列不良影響，極大地提高了進(jìn)給系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力和運(yùn)動(dòng)精度，在快速往返運(yùn)動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)較高的位置跟蹤控制精度［4-6］。

在高精度的直線電機(jī)位置伺服控制中，位置檢測(cè)是其關(guān)鍵技術(shù)之一。初始位置(即零點(diǎn))是直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精密位置控制的起點(diǎn)。零點(diǎn)的定位誤差將影響直線電機(jī)的位置控制精度。因此，在直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，要求準(zhǔn)確而快速的找到零點(diǎn)，且零點(diǎn)的定位誤差還要盡可能小。

以微控制器DSP為核心構(gòu)成的電機(jī)伺服控制系統(tǒng)代表著當(dāng)今電機(jī)數(shù)字控制的主流方向，DSP控制器將一個(gè)高性能的DSP核、大容量的片上存儲(chǔ)器和專用的運(yùn)動(dòng)控制外設(shè)電路(事件管理器模塊、通用定時(shí)器、捕獲單元、正交編碼脈沖接口電路等)以及其他功能的外設(shè)電路集成在單芯片上，為各類電機(jī)的位置伺服控制提供了方便的接 口 功 能［7-8］。本 文 提 出 了 基 于 DSP TMS320F2812的直線直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)初始位置檢測(cè)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

1 直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是建立在一個(gè)基于DSP開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的。在試驗(yàn)過(guò)程中，所需軟件程序的編寫(xiě)、在線調(diào)試、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取，在DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS下完成。PC機(jī)通過(guò)主板上的EPP接口與仿真器連接，仿真器再通過(guò)JTAG接口與DSP控制板相連。直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)框圖如圖1所示，DSP采用TI公司的 TMS320F2812，直流驅(qū)動(dòng)器采用 KOLLMORGEN公司的 KXA-48-816，光柵尺采用NUMERIK JENA公司的LIE5 2PL5GDO，分辨率為1 μm。控制系統(tǒng)采用數(shù)、?；旌想p閉環(huán)控制方式。即位置環(huán)為數(shù)字控制，由DSP TMS320F2812完成，用于實(shí)現(xiàn)較高的定位控制精度，而電流環(huán)及PWM由模擬電路完成，以滿足電流環(huán)實(shí)時(shí)控制的需要，同時(shí)使閉環(huán)控制系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。光柵尺的尺帶固定不動(dòng)，讀頭固定在直線電機(jī)的動(dòng)子上，隨動(dòng)子直線運(yùn)動(dòng)，直線位移檢測(cè)是通過(guò)光柵尺的讀頭與尺帶相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。

圖1 直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)框圖

2 初始位置檢測(cè)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

直線電機(jī)的初始位置(零點(diǎn))是直線電機(jī)在有效行程內(nèi)實(shí)現(xiàn)精密位置伺服控制的初始點(diǎn)。直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在每次斷電后，其動(dòng)子的平衡位置不在一個(gè)固定的點(diǎn)上，而是位于零點(diǎn)附近(小于±1 mm)。因此，要實(shí)現(xiàn)直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精密位置伺服控制，必須確定零點(diǎn)的初始位置，即通電后首先要進(jìn)行回零操作。

2．1 硬件電路設(shè)計(jì)

圖2 直線位移信號(hào)檢測(cè)電路原理圖

設(shè)計(jì)的直線位移信號(hào)檢測(cè)電路板實(shí)物照片如圖3所示。實(shí)測(cè)的正交編碼脈沖及參考點(diǎn)脈沖信號(hào)如圖4所示。在圖4中，信號(hào)1與信號(hào)2為正交編碼脈沖信號(hào)，信號(hào)3為參考點(diǎn)脈沖信號(hào)。

2．2 軟件設(shè)計(jì)

直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的初始位置(參考點(diǎn)脈沖)信號(hào)R可通過(guò)捕獲單元引腳CAP3捕獲到。在捕獲單元使能后，輸入引腳CAP3上的指定跳變?cè)O(shè)定為上升沿觸發(fā)，指定跳變將所選通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)值裝入到相應(yīng)的FIFO棧的同時(shí)，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位被置位，可通過(guò)查詢中斷標(biāo)志位來(lái)判斷是否找到零點(diǎn)。

為了快速找到零點(diǎn)，首先應(yīng)確定零點(diǎn)位于動(dòng)子在自由狀態(tài)時(shí)平衡點(diǎn)的哪一側(cè)，然后再反向慢速回零。實(shí)現(xiàn)方法是控制直線電機(jī)動(dòng)子從平衡位置沿正方向移動(dòng)(軸的外伸方向)1 mm，然后通過(guò)軟件查詢事件管理器A中的中斷標(biāo)志寄存器C的CAP3INT標(biāo)志位是否為1，如為1，說(shuō)明中斷標(biāo)志位被置位，捕獲輸入引腳CAP3發(fā)生過(guò)信號(hào)跳變，即發(fā)生過(guò)中斷事件(此時(shí)中斷被屏蔽，不產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，僅置位中斷標(biāo)志位)，從而可確定零點(diǎn)在移動(dòng)的這一側(cè)，否則零點(diǎn)在平衡點(diǎn)的另一側(cè)(反向移動(dòng)重新查詢中斷標(biāo)志位)。清除CAP3INT的標(biāo)志位后，控制直線電機(jī)反向微量進(jìn)給，同時(shí)查詢CAP3INT標(biāo)志位是否被重新置位為1，如為1，說(shuō)明已檢測(cè)到零點(diǎn)。初始位置檢測(cè)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖3 直線位移信號(hào)檢測(cè)電路板

圖4 正交編碼脈沖及參考點(diǎn)脈沖信號(hào)

2．3 直線位移檢測(cè)時(shí)相關(guān)的寄存器設(shè)置

圖5 初始位置檢測(cè)程序流程圖

直線電機(jī)位置檢測(cè)是由DSP的事件管理器A完成的。因此，必須對(duì)事件管理器A的功能寄存器進(jìn)行設(shè)置。QEP電路寄存器的設(shè)置包括:定時(shí)器2的周期寄存器(T2PR);定時(shí)器2的計(jì)數(shù)寄存器(T2CNT);定時(shí)器2的控制寄存器(T2CON);捕獲 FIFO狀態(tài)寄存器 A(CAPFIFOA);捕獲控制寄存器A(CAPCONA);中斷屏蔽寄存器 B(EVAIMRB)和 C(EVAIMRC);中斷標(biāo)志寄存器B(EVAIFRB)和C(EVAIFRC)。

3 初始位置檢測(cè)試驗(yàn)

直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行回零操作，即找零點(diǎn)初始位置。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的零點(diǎn)初始位置檢測(cè)方法的可行性，進(jìn)行了10次回零操作試驗(yàn)。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換的初始值設(shè)為32 768(雙極性輸出對(duì)應(yīng)0 V電壓)，正方向(D/A值增加)標(biāo)志為1，快速進(jìn)給增量為100，反向慢速進(jìn)給增量為2，判斷事件管理器中斷標(biāo)志寄存器C的CAP3INT標(biāo)志位。找到零點(diǎn)時(shí)，讀取當(dāng)前D/A轉(zhuǎn)換寄存器的數(shù)字量(該值即為閉環(huán)控制時(shí)零點(diǎn)的位置控制量輸出初始值)，位置寄存器的位移值。零點(diǎn)的定位誤差即為過(guò)零點(diǎn)中斷標(biāo)志位置時(shí)，位置計(jì)數(shù)寄存器的值與找到零點(diǎn)后位置計(jì)數(shù)寄存器的值的差值。表1給出了10次回零點(diǎn)時(shí)的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果(每次找零點(diǎn)之前，動(dòng)子處于自由狀態(tài))。由試驗(yàn)結(jié)果可知，找零點(diǎn)的定位誤差可控制在±2μm之內(nèi)。表1中的位移值為找到零點(diǎn)后位置計(jì)數(shù)寄存器的計(jì)數(shù)值，D/A值為找到零點(diǎn)后輸出的數(shù)模轉(zhuǎn)換的數(shù)字量。

表1 初始位置檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

直線直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的零點(diǎn)初始位置檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)雙向精密位置伺服控制的關(guān)鍵技術(shù)，本文以微處理器DSP TMS320F2812為數(shù)字控制器，應(yīng)用其事件管理器實(shí)現(xiàn)光柵尺輸出的正交編碼脈沖信號(hào)和參考點(diǎn)脈沖信號(hào)采集與處理，提供了一種實(shí)用的光柵尺直線位移初始位置檢測(cè)實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該直線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的初始位置檢測(cè)，有較小的零點(diǎn)定位誤差，具有廣泛的工程實(shí)用價(jià)值。

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