基于TMS320F2812的交流伺服運動系統(tǒng)設計

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（凱邁（洛陽）測控有限公司，河南 洛陽 471009）

1 引言

交流伺服運動系統(tǒng)相對于步進運動系統(tǒng)具有以下優(yōu)點［1］：噪音??；電機軸后端的旋轉編碼器保證了控制精度高；低速運行平穩(wěn)，并具有共振抑制功能，可涵蓋機械剛性不足；矩頻特性穩(wěn)定，額定轉速內以額定轉矩輸出，額定轉速外以恒功率輸出；具有3倍于額定轉矩的過載能力，可以克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩；控制性能可靠，不易出現(xiàn)丟步或過沖現(xiàn)象；速度響應快，從靜止加速到額定轉速僅需數(shù)ms，適用于快速啟停的控制場合。

2 工作原理

本文設計的交流伺服運動系統(tǒng)主要由上位機、控制系統(tǒng)、交流電機及伺服驅動器、執(zhí)行機構等組成，如圖1所示［2－3］。

圖1 交流伺服運動系統(tǒng)Fig.1 AC servo motion system

上位機通過422串口發(fā)出控制指令，同時反饋執(zhí)行機構運動信息；控制系統(tǒng)通過交流伺服驅動器，以脈沖或正負電平兩種方式控制交流電機按設定模式運轉，并實時處理執(zhí)行機構的運動信息；執(zhí)行機構由導程為5mm的滾珠絲杠傳動，配合伺服電機實現(xiàn)±1 000mm行程，定位精度0.01 mm，速度范圍0.1～250mm／s、速度精度0.1 mm／s、加速度500mm／s2的速度連續(xù)可調的技術指標。其中，交流電機內置光電編碼器輸出反饋脈沖，伺服驅動器速度監(jiān)視輸出正負電平，兩種數(shù)據(jù)經處理換算后提供執(zhí)行機構當前運動方向、速度與位置等信息。

3 伺服驅動器

運動系統(tǒng)根據(jù)轉動慣量與功率需求，選用松下高慣量交流電機MHMD082G1C，內置20位增量旋轉式編碼器。相應的交流伺服驅動器為MCDHT3520，其參數(shù)設置要與控制系統(tǒng)軟硬件設計緊密配合，以實現(xiàn)速度及定位的控制精度要求。為反饋計算方便，輸入脈沖／電平與反饋脈沖／電平等數(shù)量級，其參數(shù)對應關系如下：電機轉速1r／s（60r／min）與目標速度5mm／s、控制／反饋電壓200mV、控制／反饋脈沖頻率3 240Hz相對應。如目標速度設為50mm／s時，電機轉速為10r／s（600r／min），控制／反饋電壓為2 000mV，控制／反饋脈沖頻率為32 400Hz，其余可類推。

依據(jù)上述關系，設置交流伺服驅動器控制／反饋脈沖與電壓參數(shù)如下：脈沖控制方式的指令采用脈沖序列＋符號方式，PULS信號的脈沖頻率與電機運行速度相對應，SIGN信號的高低電平與電機的正反轉相對應，如圖2所示。

圖2 脈沖控制方式Fig.2 Pulse control mode

正負電平控制方式速度指令輸入增益與速度監(jiān)視輸出電壓均設置為10V←→3 000r／min；加速度為500mm／s2，交流伺服驅動器加／減速時間均設置為5ms，即從0運行至1 000r／min所需要的時間。

目標速度分為高中低檔，低檔0.1～99.9 mm／s，中檔100～175.9mm／s，高檔176～250 mm／s，在單程定位運動及將運行至極限位置±1 000mm處時，以24ms為周期的加／減速調整范圍分別為2mm，4mm和6mm，以最大限度地減少目標運動慣量的影響。由于伺服驅動器在速度指令控制電壓不超過60mV，以及內部速度指令不超過30r／min時，會產生電機不轉的現(xiàn)象，因此驅動器采用位置／速度控制模式。根據(jù)上位機的控制命令，當電機運行速度小于60 r／min時采用位置控制模式；當電機運行速度大于60r／min時切換到速度控制模式。

伺服驅動器SF1與SF2并聯(lián)聯(lián)接，以常閉形式接入蘑菇頭按鈕開關，提供緊急情況下人工關閉驅動信號、切斷電機電流的功能。

4 控制系統(tǒng)

4.1 硬件設計

控制系統(tǒng)硬件主要由電源與轉換、晶振與復位、TMS320F2812、串口通信、脈沖控制與反饋鑒相、速度電平控制與監(jiān)視、定位與限位等電路模塊構成。

電源轉換芯片TPS767D301輸入5V，輸出3.3V供 TMS320F2812I／O電壓，輸出1.9V供TMS320F2812核心電壓，并提供復位輸出功能；晶振30MHz，經PLL鎖相環(huán)5倍頻后供給TMS320F2812內核；串口通信采用 MAX3162，可同時實現(xiàn)232及422兩種模式通信，其中232模式用于輔助調試，422模式用于控制命令的接收和電機運行信息的反饋。

脈沖控制與反饋模塊利用高速光耦HCPL－2631對驅動器控制脈沖序列PULSH及符號SIGNH進行光電隔離處理；利用中速光耦TLP521－4對驅動器控制信號INH，POT，NOT，CL，SRV－ON，ZEROSPD，C－MODE，A－CLR，對驅動器反饋信號S－RDY，ALM進行光電隔離處理，以提高抗干擾性，并具有3.3V與24V電平信號的匹配與轉換功能。

脈沖鑒相模塊中，伺服電機內置編碼器通過伺服驅動器輸出A，B，Z3路差分互補脈沖，計算A相或B相的脈沖個數(shù)，經換算得目標當前運行速度和位置信息。當電機內置光電編碼器正轉時，A相超前B相1／4周期；反轉時，A相落后B相1／4個周期。根據(jù)光電編碼器正反轉時A相與B相的相位差關系，將A相與B相分別接到D觸發(fā)器SN54LS74AJ的D端與CLK端，如圖3所示。則正轉時，Q＝0；反轉時，Q＝1。

圖3 光電編碼器反饋脈沖波形與鑒相Fig.3 Feedback pulse waveform and identifying of the optical encoder

當伺服驅動器工作在速度模式時，速度電平控制模塊通過14位D／A轉換器AD7841BS輸出－10～10V電平，控制電機正反轉及其運轉速度。速度電平監(jiān)視模塊采用14位A／D轉換器TLC3578接受±10V的速度監(jiān)視輸出電壓，以反饋電機正反轉及其運轉速度。

對射型光電開關GK122分別安裝在行程為－1 000mm，0mm，1 000mm處，其引腳電平變化觸發(fā)中斷，提供位置基準，配合其它控制引腳實現(xiàn)定位、校準、限位等功能。其中0mm處光電開關的零位基準點配合反饋脈沖進行計數(shù)，計至極限位置則返回，提供軟件保護功能。行程開關KW4A－1ZA緊貼極限位置光電開關外，當程序異?；蚵┡小? 000mm而沖至行程有效動作范圍內時，則直接切斷驅動器的24V供電回路，提供硬保護功能。

詞在最初是配合樂曲演唱的，而詞牌就是曲調，這些曲調又分屬于各種宮調，決定宮調之后才能演奏曲譜?！饵c絳唇》調名用南朝江淹《詠美人春游詩》：“江南二月春，東風轉綠蕷。不知誰家子，看花桃李津。白雪凝瓊貌，明珠點絳唇。行人成息駕，爭擬洛川神?！痹短綐犯纷ⅰ跋蓞螌m”；高拭詞注“黃鐘宮”；《正音譜》注“仙呂調”。龍榆生先生在《唐宋詞格律》中也提到“《清真集》入’仙呂調’，元北曲同，但平仄句式略異，今京劇中猶常用之”。

4.2 軟件設計

為實現(xiàn)電機可靠運行及控制的實時性，TMS320F2812軟件設計主要采用中斷方式。主函數(shù)在初始化后等待伺服驅動準備好，之后便進入休眠狀態(tài)等待中斷。中斷資源分配及相應功能如下。

串口A中斷：主要實現(xiàn)命令的接收與目標當前位置與速度信息的反饋，為克服數(shù)據(jù)傳輸過程中的不確定性，采用幀起始字符＋數(shù)據(jù)／命令＋校驗字＋幀停止字符的數(shù)據(jù)格式。

外部中斷1：主要實現(xiàn)交流電機報警處理與3個定位光耦處定位與基準點設置功能。

通用定時器1比較中斷：主要實現(xiàn)交流電機的控制輸出PWM波的精細調整。

通用定時器2捕獲中斷：主要實現(xiàn)目標當前位置與速度的計算。

通用定時器3溢出中斷：提供10ms的中斷間隔，控制速度監(jiān)視A／D的采樣頻率。

通用定時器4溢出中斷：提供6ms的時間單元，用于24ms周期間隔的PID算法調用。

為保證交流電機運行速度平穩(wěn)快速準確地到達設定值，調用帶死區(qū)的PID控制算法，其死區(qū)范圍為設定值±10mm／s范圍內，超出該范圍則不進行PID控制。在不產生過大過沖的情況下，盡可能地把起控點抬高，以利于后續(xù)控制部分進一步細化。另外，在進入控制之前所有積分項的數(shù)據(jù)記錄進行清零處理。

對PID參數(shù)進行整定時，首先將控制范圍10 mm／s劃分為100等分，即0.1mm／s的速度控制精度，設其為標準控制單位U。速度誤差最大為250mm／s，所對應的控制量為2 500U，則Kp值設為25，然后根據(jù)PID歸一參數(shù)整定公式確定Ki與Kd初始值，再在此基礎上細調。

4.3 抗干擾設計

伺服驅動器通過高速開關輸出電流，是伺服運動系統(tǒng)中主要的噪聲來源，其抗干擾設計從布局、布線、接地、屏蔽、濾波與隔離等方面進行［4－5］。

布局根據(jù)EMC的區(qū)域原則進行?？刂齐娐钒鍐为氈糜谝粋€金屬盒內，伺服驅動器、開關電源等單元靠近控制箱底部，用接地金屬隔離板將區(qū)域隔離。

布線采用樹叉狀方式，強弱分開，電機電纜和其它電纜長度最小距離為500mm，并避免構成環(huán)路?？刂齐娎|和電源電纜、動力電纜90°交叉。24V及其以上的強電電纜屏蔽層兩端接地，并用金屬夾將屏蔽層固定在安裝板上。強電接地板和信號線接地板最小距離20cm，用6mm銅帶搭接至大地端子。

接地采用3層次接地方式，如圖4所示。3層次接地線在匯入基準地之前不能隨意短接，各級連接按規(guī)定進行，同時接地線要直、短、粗。

濾波器端接的阻抗在嚴重失配的狀態(tài)下工作，以使之具有最佳的衰減性能。

圖4 3層次接地Fig.4 Three levels of grounding

系統(tǒng)中受干擾影響最大的為3根光耦定位信號采集長線。在電機使能情況下，感應電壓＞10 V，頻率2～12MHz，且在電機靜止而勵磁時干擾最大。為保證與PCB上的弱電系統(tǒng)完全隔離，使用MOS FET繼電器作為強弱邏輯轉換關口，以負邏輯傳輸方式反映定位對射型光電開關的遮斷與否，達到延時1ms左右、隔斷勵磁感應電壓干擾的效果，見圖5。對于不確定因素所造成的干擾，將3根較長的定位信號采集線所對應的I／O的輸入限制寄存器GPAQUAL進行多次采樣，配合繼電器濾除1MHz以上的干擾。

圖5 長線傳輸抗干擾處理Fig.5 Anti－jamming process of long－wire transmission

4.4 安全性設計

為保證系統(tǒng)運行安全，設計有軟限位、硬限位、機械緩沖裝置。

軟限位首先通過定位對射型光電開關設定基準值，然后對控制脈沖或反饋脈沖計數(shù)，經換算后得到目標當前位置值，當超過理論極限值時，就使電機運動方向置反。

硬限位通過急停蘑菇頭按鈕與行程開關串連實現(xiàn)，一旦目標越界觸發(fā)任意行程開關動作或急停蘑菇頭按鈕動作，無論是安全輸入SF1或SF2，斷電輸入后5ms以內，STO功能工作，電機的輸出轉矩被關閉。

機械緩沖裝置可消除或降低斷電后運動機構的慣性沖擊。

5 試驗與應用

利用示波器觀測發(fā)送的PWM脈沖頻率及編碼器反饋脈沖頻率，在勻速階段單脈沖頻率與理論值相比變化［－75，40］，10個脈沖平均頻率變化［－50，23］，在0.1mm／s所對應的變化區(qū)間［－64.8，64.8］之內，整體運行平穩(wěn)。

利用定時器3計算目標實時速度與位置，通過串口反饋信息。其中，對速度進行四舍五入處理。由于程序執(zhí)行片段差異及串口發(fā)送與命令接收延遲，速度與理論值相差［－0.2，0.1］；定位脈沖與理論值相差［－3，－13］，折算為位置后相差［－0.004 6，－0.02］。

利用驅動器模擬監(jiān)視器進行速度監(jiān)視，在勻速階段驅動器液晶顯示屏上數(shù)據(jù)變化±1，折算為目標速度相差±1／12mm／s。

上述數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)在實現(xiàn)±1 000mm行程、速度0.1～250mm／s范圍內連續(xù)可調的前提下，滿足給定的定位精度0.01mm，速度精度0.1 mm／s的技術指標。

該系統(tǒng)已在某型地面測試設備中應用，通過模擬飛行目標的偏航姿態(tài)，對某雷達型產品的動態(tài)特性加以測試。系統(tǒng)停放位置與角度靈活，高度與水平度可根據(jù)兩側支撐三角架進行調整，拆裝搬運方便，使用方反映良好。

6 結論

所設計的交流伺服運動系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)需求與技術指標進行量體裁衣，通過分析控制命令中的運動模式與速度參數(shù)，能夠自動匹配與設置合適的位置控制或速度控制模式，并且其位置和速度參數(shù)在指定范圍內可隨時設置。同時，該系統(tǒng)還具備軟限位、硬限位和人工急停3種安全保護功能，具有較高的性價比與良好的應用前景。文章對交流伺服運動系統(tǒng)的響應延遲性、振動性及多軸聯(lián)合運動的研究不足，為下一步的努力方向。

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