摘要：為滿足雕刻機高速高精度的加工要求，提高雕刻機的性價比，針對雕刻機2維直流伺服實時運動控制器進行硬件設計。控制器以TMS320C2812。為控制核心、L6203為功率驅(qū)動模塊、小功率直流電機為執(zhí)行機構。實驗結果證明控制器運行穩(wěn)定、跟蹤精度高、加工速度快，可望廣泛實際應用。

關鍵詞：雕刻機；DSP；功率驅(qū)動模塊；直流伺服電動機；2維運動控制器；實驗

LI Hong—mei， ZHANG Hou—lai （College of Electrical Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

Abstract： In order to meet the requirements of high speed and high accuracy for an engraving machineautomatic machining and improved its performance and value ratio，achieved hardware design for a two—dimensional direct current servo and real—time motion controller． The design ed controller had DSP as itscontrol kerne1．L6203 as its power drive module and small power DC motor as its executive machine．The repeating experimental results validatd that the controller had the following merits such as motion stabilization， high tracking precision and fast machining speed， therefore， it was hopeful to widely andpractically apply the controller．

Key Words： Engraving machine； DSP； Power drive module； DC servo motor； Two—dimensional motion controller； Experimen

0 引 言

運動控制器是數(shù)控系統(tǒng)的控制核心，其控制功能的強弱、控制性能的優(yōu)劣直接關系著數(shù)控系統(tǒng)的加工質(zhì)量與加工效率。國外先進的伺服運動控制器大都采用Tumizuka提出的零相位誤差跟蹤控制器（ZPETC），同時，為了克服系統(tǒng)模型不確定和干擾引起的跟蹤誤差，引入了干擾觀測器（DOB），鑒于國內(nèi)研發(fā)的直流伺服運動控制器尚沒有廣泛應用上述研究成果，本文針對雕刻機進行2維直流伺服控制器的硬件設計時，在吸收和消化國外技術的基礎上，設計了一種結構簡單、算法先進的2維直流伺服實時運動控制器，反復實驗說明運動控制器具有運行穩(wěn)定、跟蹤精度高、加工速度快的特點，投人生產(chǎn)后將大幅提高國產(chǎn)雕刻機的性價比和市場競爭力。

1 雕刻機用直流伺服控制器硬件設計

1.1 直流伺服雕刻機系統(tǒng)結構

所研發(fā)的直流伺服雕刻機系統(tǒng)結構圖如圖1所示。上位機（根據(jù)插補算法的復雜程度選用相應的處理芯片，如51系列單片機或DSP）根據(jù)雕刻軟件生成的軌跡坐標按照一定插補算法給出離散參考速度信號，并通過串口實時傳送給直流伺服運動控制器。運動控制器根據(jù)給定的 軸和y軸參考速度信號（通過離散積分即可得到參考位移信號），結合編碼器反饋回的X軸和y軸實際位移輸出，經(jīng)ZPETC控制器、PD控制器和干擾觀測器于一體的直流電動機伺服控制算法算出X軸和y軸兩組PWM信號。這兩組PWM信分別用來觸發(fā)X軸和Y，軸電機的功率驅(qū)動模塊（L6203），控制雕刻機的X軸和Y軸電機運行來完成實際加工任務。

1.2 控制芯片選擇

針對2維雕刻機加工平臺的特點，上位機一次刻繪復雜圖形輪廓經(jīng)插補算法將生成數(shù)據(jù)總量達幾十兆甚至更多兆的參考速度信號。如果運動控制器一次性接收完所有的參考速度信號再生成PWM信號后驅(qū)動電機開始雕刻加工，不但需要外擴相當容量的RAM來保存臨時數(shù)據(jù)，而且也增加了系統(tǒng)硬件成本和復雜程度，同時，接收數(shù)據(jù)也會消耗數(shù)分鐘甚至更長的時間，從而降低了系統(tǒng)的加工效率。

為了降低系統(tǒng)硬件成本，提高加工效率，運動控制芯片必須具備完成實時控制的能力，即在接收參考速度信號的同時就生成PWM信號驅(qū)動電機開始雕刻加工任務，這就要求控制芯片在完成復雜運動控制算法的同時還要有足夠的時間來接收實時參考速度數(shù)據(jù)。本文選用TMS320C2812型32位定點DSP作為直流伺服運動控制器的控制芯片。該芯片主頻高達150 MHz，內(nèi)含的128 k×16位Flash存儲器可用來存放運動控制程序。片內(nèi)18 k×16位的SRAM可用來存放少量的實時參考速度信號和控制算法中需要的中問變量。如圖1所示的片上異步串口通信（SCI）模塊加上外擴的異步串口收發(fā)器（MAX3160）可用來實時接收上位機的參考速度信號，傳輸速率高達1 Mbps。

事件管理器（EV）模塊上的正交編碼脈沖單元（QEP）可用來實時接收編碼器的反饋位移信號。比較器單元可硬件生成驅(qū)動電機的PWM信號。綜上所述，一片TMS320C2812芯片再加上3片外圍器件（電源芯片，異步串口收發(fā)器， 電平轉(zhuǎn)換芯片）就可組成一個完整的直流伺服運動控制器，較好地解決了系統(tǒng)的控制性能與硬件成本及復雜程度之間的矛盾。

1.3 反饋位移檢測

為實現(xiàn)位置閉環(huán)控制算法，運動控制器需實時檢測執(zhí)行電機輸出的實際位移信號。TMS320C2812每一個事件管理器模塊（EVA／EVB）都有一個正交編碼脈沖（QEPA／QEPB）電路[4]。選擇引腳CAP1／QEP1和CAP2／QEP2作為軸電機編碼器信號輸入口，引腳CAP3／QEP3和CAP4／QEP4作為l，軸電機編碼器信號輸入口。正交編碼脈沖輸入單元（QEP）能對脈沖前后沿進行計數(shù)，并可根據(jù)兩路脈沖的相序關系確定計數(shù)方向。內(nèi)部定時（計數(shù)）器12、T4分別用來作為QEPA和QEPB的計數(shù)器。和T4的控制寄存器初始值設為0x1870，即其計數(shù)模式為定向增／減模式，并由QEP電路生成計數(shù)方向信號。由于QEP邏輯為計數(shù)器2（或4）產(chǎn)生的時鐘頻率是每個輸入脈沖序列的4倍，而系統(tǒng)所選編碼器的脈沖當量為25m，故本系統(tǒng)中計數(shù)器的脈沖當量為6.25μm。另外，編碼器輸出的是5V電平信號，需要經(jīng)過SN74CBTD3384C芯片轉(zhuǎn)換為3.3V電平信號再送到DSP的編碼器輸人引腳。

值得注意的是在系統(tǒng)初始化時或每個控制周期讀取計數(shù)寄存器（T2CNT或T4CNT）值后需要將其復位到0xTFFF。這樣做的目的有兩個：一是防止系統(tǒng)啟動時計數(shù)器溢出（如T2CNT設為0而計數(shù)方向為減），二是防止系統(tǒng)連續(xù)單向運行時累計的位移脈沖當量超過計數(shù)器計數(shù)范圍而溢出。將計數(shù)器復位到0x7FFF后，只需要滿足每個控制周期的脈沖增（減）量不超過0x7FFF即可保證計數(shù)器不溢出，降低了計數(shù)器對 X—y軸運動范圍的限制。系統(tǒng)的當前位移可通過軟件將每個控制周期檢測出的位移增（減）量累加得到。

1.4 功率驅(qū)動和保護

雕刻機的直流伺服執(zhí)行元件選用9234C130一R5系列直流伺服電機，其額定電壓為19.1V，電樞電阻為1.89Q，最大轉(zhuǎn)速可達6000r／min，最大工作電流約為10A。選用L6203作為電機功率驅(qū)動模塊，其最大工作電壓48V，峰值電流可達5A。該芯片及其外圍電路圖見圖2。

直流電機的傳遞函數(shù)可簡化為[3]：

式（1）可表示為：

式中，J為等效轉(zhuǎn)動慣量，B為等效粘性摩擦系數(shù)。

以X軸為研究對象，根據(jù)系統(tǒng)的階躍響應實驗測得：Js =3.35×10-4V／（mm／sec2 ），B =1.5×10-2（mm／sec2），正向啟動電壓約為2.8 V。當系統(tǒng)直流電源提供最大電壓20 V且系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時，實測出電機穩(wěn)態(tài)速度約為1320 mm／s，驗證了的正確性。升速時峰值電樞電流實測為ia≈ 4.6 A，穩(wěn)態(tài)時ia≈ 0.52 A， 上升時間г≈ 0.8 S，此時系統(tǒng)提供最大加速度約為1.68 g。為保證系統(tǒng)跟蹤及時性且模塊L6203及電機工作電流正常，實際設定系統(tǒng)加速度為1.2 g。當電機運行加速度超出一定范圍時（電機賭轉(zhuǎn)或被人為加速超出一定范圍），可通過反饋速度測量出電機實際輸出加速度。系統(tǒng)軟件設計限制加速度a<2g，實際單軸加速度a>2g時作為故障處理，以保護執(zhí)行電機與L6203芯片工作在正常電流范圍。

L6203的5腳7腳分別為H橋的兩路PWM脈沖控制信號的輸入接口。兩路脈沖信號相互補。即當5腳脈沖信號為高電平時，7腳則為低電平，此時電機電樞電壓為正，反之為負。1腳為L6203使能工作信號。當1腳接入邏輯高電平時，L6203為使能工作狀態(tài)。為實現(xiàn)該雕刻機控制系統(tǒng)故障保護功能，此系統(tǒng)的復位信號包括手動復位和軟件復位且都與DSP的復位引腳相連，從而實現(xiàn)對DSP的復位操作，保證系統(tǒng)的正常工作。軟件復位（通過向特定地址寫低電平經(jīng)譯碼后送復位端），當系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送錯誤或雕刻機刀具碰到架臺的左右限位器，復位信號以邏輯低電平形式輸給1腳使得H橋置于續(xù)流態(tài)，執(zhí)行電機迅速停機。

2 實驗結果及分析

為設計的雕刻機直流伺服系統(tǒng)，干擾觀測器采用3階低通濾波器，選取г=0.004，PD控制器參數(shù)經(jīng)仿真和實驗反復校核取為Kp=110和Td=0．29214。非線性摩擦補償模型經(jīng)反復實驗選取參數(shù)為：Uc+ =2.8 V、Uc一= 一1.7 V，設計的ZPETC為：

雖然控制器中各個模塊的參數(shù)僅示出了X軸電機的控制器參數(shù)，軸電機控制器的設計過程和方法完全相同。

以雕刻機加工半徑為10 mm圓的 軸參考位移信號為例，見圖3。圖4的實驗結果表明，傳統(tǒng)僅含PID控制的控制器跟蹤誤差最大達75 m。所設計的集ZPETC控制器、PD控制器和干擾觀測器于一體的2維直流伺服實時運動控制器最大跟蹤誤差已實現(xiàn)控制在20 Ixm以內(nèi)，見圖5。

3 結 論

本文將集ZPETC控制器、PD控制器和干擾觀測器于一體的運動控制算法應用到雕刻機2維直流伺服實時運動控制器中，采用TMS320C2812型32位定點DSP作為控制核心，實時承擔接收數(shù)據(jù)，檢測反饋位移，完成復雜運動控制算法，生成PWM信號和保護信號等功能，并結合專用直流電機功率驅(qū)動模塊L6203完成了運動控制系統(tǒng)的硬件設計。實驗結果表明，設計的2維直流伺服實時運動控制器具有結構簡單、實時性強、跟蹤性能良好的特點，有望在高檔數(shù)控雕刻機產(chǎn)品中得到廣泛應用。

參考文獻

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