高速高精度直流伺服运动控制器的设计

    王付胜，张兴

(合肥工业大学，安徽合肥230009)

摘要：为满足数控伺服系统高速高精度的加工要求，提高数控雕刻机的性价比，提出了一种以tms320c2812为控制核心、以l6203为功率驱动模块，以永磁直流伺服电机为控制对象的二维直流伺服实时运动控制系统。控制器采用先进的四模块结构，即摩擦补偿模块、速度环干扰观测器模块、位移环反馈控制模块和采用零相位误差跟踪控制技术的前馈控制器模块，有效提高了系统的跟踪精度和加工速度。实验结果证明该系统运行稳定、跟踪精度高、加工速度快，有望在数控加工行业中得到广泛应用。

    关键词：数控；永磁直流伺服电动机；雕刻机；高精度；零相位误差跟踪控制

    中图分类号：tm383．4+1  文献标识码：a  文章编号：1004—7018(2010)04—0048—04

0引言

  随着雕刻工具和技术不断改进，雕刻行业所涉及的领域越来越广，如在模具、广告、精密加工等方面，数控雕刻机得到了广泛的应用。它主要有雕刻软件、数控系统、伺服控制器、伺服电机和机械工作平台五部分组成。雕刻软件在计算机上根据设计图样自动计算出刀具的运动位置和状态，即刀具路径和刀具的抬力、落刀状态，并通过串口发送给数控系统；数控系统则根据接收到的刀具路径和状态按照一定的插补算法计算出置轴和y轴的给定速度，即路径规划，并实时发送给伺服控制器，而伺服控制器则负责跟踪各个轴的给定速度(轨迹)，执行抬刀(落刀)指令，完成实际雕刻加工的任务。整个系统的加工速度取决于数控系统的路径规划算法，上位机、数控系统及伺服控制器之间的通讯速度，伺服电机的额定转速；而加工精度则主要取决于伺服控制器和机械加工平台的性能。在本系统中，路径规划采用连续微小路径段高速自适应前瞻插补算法^[1-2]，永磁直流电动机取代传统的步进电动机、采用tms320c2812作为数控系统和伺服控制器的核心cpu，以此保证上位机、数控系统、伺服控制器三者之间能够并行完成各自所需处理的任务，从而显著提高系统的加工速度。另外，传统的pid伺服控制器已难以满足数控系统定位精度高、无超调、无振荡、响应速度快且鲁棒性好的要求，本系统采用高性能鲁棒运动控制系统的四模块通用控制器结构，如图1所示。它由摩擦补偿模块、干扰观测器、位移反馈控制器和前馈控制器四部分组成，其中前馈控制器采用零相位误差跟踪控制(zpetc)技术，实验结果证明采用此伺服控制器可以显著提高系统的加工精度。

1基于dsp的系统方案设计

    数字信号处理器[4]因其丰富的资源和高速计算能力使其能够成功的应用于数控系统中，以保证各个子系统能够实时并行完成各自所需处理的任务，而且可以按照系统的需要进行扩展和性能提升，还可以很方便地对不同算法进行比较、筛选，如图2所示。

   雕刻软件在计算机上根据设计图样自动计算出刀具的运动位置，即刀具路径，并通过串口发送给数控系统中插补算法控制器dspl，后者根据雕刻软件生成的轨迹坐标按照一定插补算法给出离散参考速度信号，并通过串口[4]实时传送给直流伺服运动控制器dsp2；运动控制器根据给定的x轴和y轴参考速度信号(通过离散积分即可得到参考位移信号)，结合编码器反馈回的x轴和l，轴实际位移输出，根据图1的控制算法得到z轴和y轴两组pwm信号；这两组pwm信分别用来触发x轴和y轴电机的功率驱动模块，进而控制雕刻机x轴和y轴电机运动，完成实际的加工任务。

2四模块直流伺服控制器的参数设计

    从图2中可以看出，被控对象的高阶、低价(名义)模型和摩擦补偿模型是对位移环的前馈控制器

2.2被控对象的简化模型和摩擦补偿模型

    本系统中电机端电压到速度在连续系统的简化模型可写为：

式中：j为电机等效转动惯量，b为等效粘性摩擦系数，j和b中可以通过测量被控系统的阶跃响应来估算。在不同阶跃输入电压下的速度曲线如图4所示，根据