基于AT89C51+DSP的雙CPU伺服控制器的研究

　　1　引　言

　　近年來(lái),隨著制造業(yè)的不斷進(jìn)步,現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)精密化、精確化、高速化、自動(dòng)化發(fā)展的要求越來(lái)越高,傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器大部分采用8051系列的8位單片機(jī),這種單片機(jī)雖然節(jié)省了開(kāi)發(fā)周期,但缺乏靈活性,且運(yùn)算能力有限,難以勝任高要求運(yùn)作設(shè)備[ 1 ] .DSP的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理功能十分強(qiáng)大,即使在很復(fù)雜的控制系統(tǒng)中,其采樣周期也可以取得很小,控制效果可以接近于連續(xù)系統(tǒng). 把DSP與單片機(jī)各自優(yōu)勢(shì)相結(jié)合將是高性能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì). 本文針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求,開(kāi)發(fā)了以TI公司的高性能浮點(diǎn)DSP和ATMEL公司的AT89C51為主控芯片的運(yùn)動(dòng)控制器. 它以嵌入式工業(yè)PC作為基本平臺(tái),通過(guò)PCI接口與嵌入式工業(yè)PC協(xié)調(diào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,并以DSP高速運(yùn)動(dòng)控制卡作細(xì)插補(bǔ)和伺服控制的核心,來(lái)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制,取得了良好的應(yīng)用效果.

　　2　HANUC CNC2000 i系統(tǒng)

　　HANUC CNC2000 i系統(tǒng)控制框圖如圖1所示,系統(tǒng)主要包括嵌入式PC、操作面板、運(yùn)動(dòng)控制模塊、彩顯、輸入/輸出模塊、數(shù)控鍵盤(pán)、DNC模塊幾部分.為實(shí)現(xiàn)高速、高精確度曲面輪廓精加工,必須提高微段輪廓線的解釋執(zhí)行能力和伺服驅(qū)動(dòng)特性,為了保證零件程序的傳送、插補(bǔ)、加減速控制等的連續(xù)處理, CNC應(yīng)具備足夠高的數(shù)據(jù)處理能力. 但普通的PC機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制中,存在體積大、功耗高、可靠性差等缺點(diǎn). 基于這種情況, 嵌入式工業(yè)微機(jī)———PCl04總線模塊應(yīng)運(yùn)而生.

圖1 HANUC CNC2000i數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　本系統(tǒng)的嵌入式PC采用Intel80486處理器,內(nèi)置32M緩存,MS - DOS操作系統(tǒng). 與傳統(tǒng)的工業(yè)PC相比,其32M緩存保證了數(shù)控系統(tǒng)加工時(shí)的快速性和精確性. 因?yàn)?在加工的時(shí)候,緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)段直接和后續(xù)的譯碼程序相關(guān)聯(lián),所以緩存的容量越大,所存儲(chǔ)的程序越多,執(zhí)行起來(lái)也越快,并且還能進(jìn)行小線段插補(bǔ),充分保證了加工的精確度. 與其相連的DNC模塊可通過(guò)RS232接口與上位機(jī)通信,使得整個(gè)系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性.運(yùn)動(dòng)控制模塊是本系統(tǒng)的核心,它以智能功率模塊為開(kāi)關(guān)器件,以TMSLF2407 +AT89C51為硬件控制核心,采用空間矢量控制方法. 它發(fā)出控制命令給伺服放大器,伺服放大器得到信號(hào)后發(fā)出指令控制交流永磁伺服電機(jī),編碼器將實(shí)際工作情況通過(guò)伺服放大器返回給運(yùn)動(dòng)控制模塊,這種閉環(huán)控制模式充分保證了加工精確度. 通過(guò)正、負(fù)限位開(kāi)關(guān)防止“飛車(chē)”、失控等危險(xiǎn)事故發(fā)生. 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

　　圖2 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　TMSLF2407是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、SVP2WM信號(hào)發(fā)生、故障檢測(cè)、保護(hù)、信號(hào)處理及實(shí)時(shí)性比較高的矢量控制和閉環(huán)控制. 用單片機(jī)完成實(shí)時(shí)性要求比較低的管理任務(wù),如I/O接口管理、鍵盤(pán)處理、顯示、串行通訊等. FPGA 用于AT89C51與DSP之間的數(shù)據(jù)交換. 且系統(tǒng)可支持模擬速度輸入、數(shù)字速度輸入、脈沖輸入及通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行控制等功能.

　　3　空間電壓矢量脈寬調(diào)制原理

　　在全數(shù)字控制的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,通常采用數(shù)字脈寬調(diào)制方法來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬脈寬調(diào)制.而在眾多的脈寬調(diào)制技術(shù)中,空間電壓矢量是一種優(yōu)化的PWM技術(shù),能明顯減小逆變器輸出電流的諧波成分及電動(dòng)機(jī)的諧波損耗,降低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,且其控制簡(jiǎn)單,數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便,電壓利用率高,已有取代傳統(tǒng)SPWM的趨勢(shì).

　　在本文中, Tk 和Tk+1分別為在逆變器相鄰兩個(gè)工作狀態(tài)Vsk和Vsk+1下的導(dǎo)通時(shí)間,表示為

　　在一個(gè)完整的調(diào)制周期Ts 內(nèi), 除了Tk 和Tk+1的導(dǎo)通時(shí)間外, 其余為0 狀態(tài)時(shí)間. 0 狀態(tài)時(shí)間T0 由兩個(gè)自由輪換狀態(tài)時(shí)間T7 和T8 用等式表示為

　　T0 =T7+T8 =Ts-Tk-Tk+1 (2)

　　由于0狀態(tài)存在于每一個(gè)區(qū)域內(nèi),一般發(fā)生在每個(gè)調(diào)制周期的開(kāi)始和結(jié)束時(shí), 總的0狀態(tài)時(shí)間一般分成兩個(gè)相同的0狀態(tài)時(shí)間,即

　　T7 = T8 =T0/2(3)

　　以便獲得對(duì)稱的空間矢量脈寬調(diào)制信號(hào).依據(jù)式( 1 ) ～ ( 3 ) 可得到對(duì)應(yīng)電壓空間矢量

　　V*Sref在0 θπ/3

　　扇區(qū)內(nèi)雙邊空間矢量脈寬調(diào)制的逆變器開(kāi)關(guān)信號(hào),如圖3所示.

　　類似的方法可以計(jì)算出電壓參考信號(hào)V*Sref在其他5區(qū)域內(nèi)雙邊空間矢量脈寬調(diào)制的三相逆變器開(kāi)關(guān)時(shí)間,如表1所示.

圖5 數(shù)據(jù)處理模塊子程序框圖

　　5　實(shí)驗(yàn)研究

　　伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié),伺服系統(tǒng)的性能,在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能. 本文在一臺(tái)HANUC CNC2000 i系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究, 給出了其中一軸的伺服性能波形圖。圖8和圖9給出了CNC2000 i系統(tǒng)的加工程序的X 軸交流伺服系統(tǒng)的性能波形, 5個(gè)通道分別為速度指令n (單位: r /min) , 反饋速度n (單位: r /min) ,轉(zhuǎn)矩圖形誤差e (% ) ,零偏差U (單位: V) ,定位完成信號(hào)S (單位:V) .從實(shí)測(cè)波形圖中可以看出,該伺服系統(tǒng)具有良好的位置跟蹤性和準(zhǔn)確的定位控制精確度.

　　圖6 總線控制模塊流程圖

　　圖7 參數(shù)管理模塊流程圖

　　6　結(jié)　語(yǔ)

　　由于采用單片機(jī)與DSP配合,系統(tǒng)的運(yùn)算和實(shí)時(shí)處理的能力大大增強(qiáng),可以適應(yīng)多坐標(biāo)軸、高速度、高精確度的數(shù)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)單處理器系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的功能. 與由單處理器完成所有任務(wù)的情況相比,該方法允許較短的插補(bǔ)周期,實(shí)現(xiàn)更高的進(jìn)給和伺服控制精確度. 并經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明該伺服運(yùn)動(dòng)控制器反向速度快、定位時(shí)間短、轉(zhuǎn)矩恒定,具有良好的線性調(diào)速特性及動(dòng)態(tài)性能.