基于DSP高動(dòng)態(tài)響應(yīng)伺服單元設(shè)計(jì)

黃揚(yáng)根，張道勇

（廣州數(shù)控設(shè)備有限公司，廣東廣州 510530）

0 引言

伺服驅(qū)動(dòng)單元的特性是影響數(shù)控機(jī)床加工性能的重要指標(biāo)[1]。近年來(lái)交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)已成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并朝著全數(shù)字化、高精度、高速度方向快速發(fā)展[2]。國(guó)內(nèi)在高性能伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)儲(chǔ)備方面，與國(guó)外老牌名企仍存在較大的差距。國(guó)產(chǎn)伺服控制技術(shù)的提升迫在眉睫，在需要加大對(duì)核心算法研究的投入外；還需要對(duì)伺服系統(tǒng)硬件進(jìn)行升級(jí)，更換處理能力更強(qiáng)的CPU，提升電流采樣和位置反饋的精度等。針對(duì)上一代產(chǎn)品存在的位置反饋精度不夠、電流采樣容易受干擾、CPU處理能力不強(qiáng)、伺服系統(tǒng)帶寬低、剛性差等問(wèn)題，對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)單元方案進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

1 伺服系統(tǒng)硬件原理設(shè)計(jì)

伺服驅(qū)動(dòng)單元主要由控制電路和功率電路兩部分組成，TI公司的TMS320C2000系列DSP作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要的控制芯片得到了廣泛應(yīng)用[3]?？刂撇糠诌x用TI公司的DSP(28377S)作為主控芯片，主要完成位置指令的接收、矢量控制算法實(shí)現(xiàn)、PWM信號(hào)輸出、人機(jī)界面顯示管理等功能；功率部分主要包括“交-直-交變換”和開(kāi)關(guān)電源，按功能劃分主要由4部分組成：主回路（整流、逆變）、開(kāi)關(guān)電源電路、IPM/IGBT驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路。圖1為伺服驅(qū)動(dòng)單元的硬件電路的總體結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 交流伺服單元硬件原理框圖

2 伺服系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

矢量控制算法是目前應(yīng)用最為廣泛的交流電機(jī)控制算法[4-5]，核心思想是將電機(jī)三相繞組電流通過(guò)坐標(biāo)變換，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸下的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，分別等效于直流電機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，因此可以把交流永磁同步電機(jī)等效于直流電機(jī)來(lái)進(jìn)行控制[6]。

圖2是基于DSP的控制軟件框圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)和三相異步電機(jī)位置、速度、電流三環(huán)的全數(shù)字化矢量控制；通過(guò)對(duì)數(shù)字控制系統(tǒng)的分析建立離散域數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)在線慣量自動(dòng)識(shí)別和多模態(tài)智能自適應(yīng)控制算法，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的參數(shù)自整定技術(shù)，解決不同工況下慣量和負(fù)載不一致的參數(shù)最優(yōu)化問(wèn)題；使用前饋控制思想，減小系統(tǒng)的跟隨誤差；研究加減速控制和系統(tǒng)抗負(fù)載和參數(shù)擾動(dòng)方法，著眼于提高系統(tǒng)的魯棒性。

圖2 伺服系統(tǒng)軟件控制框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)新舊兩款驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行速度環(huán)帶寬、圓弧插補(bǔ)精度測(cè)試。

3.1 速度環(huán)帶寬測(cè)試

使用三款驅(qū)動(dòng)器配相同電機(jī)，在空載情況下，按照國(guó)標(biāo)(6)進(jìn)行速度環(huán)帶寬測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。從表1數(shù)據(jù)中可以看出新款GR2050T(28377S)性能相比老款GR2050(2812)有顯著提升，帶寬明顯高于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

表1 速度環(huán)帶寬對(duì)比

表2 圓弧插補(bǔ)精度對(duì)比

3.2 圓弧插補(bǔ)精度測(cè)試

圓弧插補(bǔ)精度測(cè)試在寶佳DX600A雕銑機(jī)床上開(kāi)展，配套數(shù)控系統(tǒng)為GSK 988MB、配套電機(jī)為130SJT-M100D(A4II)。在加工程序和工藝均一致前提下，使用球桿儀檢測(cè)分別對(duì)使用GR2050T（28377S）與GR2050T（2812）驅(qū)動(dòng)器加工的工件進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)表2中球桿儀檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，GR2050T（28377S）為8.6～12.9um、GR2050T（2812）為13.5～26.1um。從數(shù)據(jù)看GR2050T（28377S）的圓弧插補(bǔ)精度要好于GR2050T（2812）。

4 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)使用TI 28377S為主控芯片，逆變環(huán)節(jié)采用富士第七代智能IPM模塊，軟件方面使用前饋控制思想減小跟蹤誤差，并針對(duì)圓弧過(guò)象限反向躍沖進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。就目前實(shí)際用戶反饋該設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。