双CPU伺服控制器的分析和设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 双CPU伺服控制器的分析和设计 1引言 近年来，随着制造业的不断进步，现代制造业对精细化、化、高速化、自动化发展的要求越来越高，传统的运动控制器大部分采用8051系列的8位单片机，这种单片机虽然节省了开发周期，但缺乏灵活性，且运算能力有限，难以胜任*求运作设备。 target=_blankDSP的数据运算和处理功能十分强大，即使在很复杂的控制系统中，其采样周期也可以取得很小，控制效果可以接近于连续系统。 把DSP与单片机各自优势相结合将是高性能数控系统的发展趋势。 本文针对数控系统的要求，开发了以TI公司的高性能浮点DSP和ATMEL公司的AT89C51为主控芯

2、片的运动控制器。 它以嵌入式工业PC作为基本平台，通过PCI接口与嵌入式工业PC协调并开展数据交换，并以DSP高速运动控制卡作细插补和伺服控制的，来对永磁同步电动机的运动开展控制，取得了良好的应用效果。 2HANUC CNC2000 i系统 HANUC CNC2000 i系统控制框图如图1所示，系统主要包括嵌入式PC、操作面板、运动控制模块、彩显、输入/输出模块、数控键盘、DNC模块几部分。为实现高速、高度曲面轮廓精加工，必须提高微段轮廓线的解释执行能力和伺服驱动特性，为了保证零件程序的传送、插补、加减速控制等的连续处理， CNC应具备足够高的数据处理能力。 但普通的PC机在工业现场控制中，存

3、在体积大、功耗高、可靠性差等缺点。 基于这种情况， 嵌入式工业微机PCl04总线模块应运而生。 图1 HANUC CNC2000i数控系统构造框图 本系统的嵌入式PC采用Intel80486处理器，内置32M缓存，MS - DOS操作系统。 与传统的工业PC相比，其32M缓存保证了数控系统加工时的快速性和性。 运动控制模块是本系统的，它以智能功率模块为开关器件，以TMSLF2407 +AT89C51为硬件控制，采用空间矢量控制方法。 它发出控制命令给伺服放大器，伺服放大器得到信号后发出指令控制交流永磁伺服电机，编码器将实际工作情况通过伺服放大器返回给运动控制模块，这种闭环控制模式充分保证了加工

4、度。 通过正、负限位开关防止“飞车”、失控等危险事故发生。 交流伺服驱动系统的构造如图2所示。 图2 交流伺服驱动系统构造图 TMSLF2407是用来实现电流环、速度环、SVP2WM信号发生、故障检测、保护、信号处理及实时性比较高的矢量控制和闭环控制。 用单片机完成实时性要求比较低的管理任务，如I/O接口管理、键盘处理、显示、串行通讯等。 FPGA 用于AT89C51与DSP之间的数据交换。 且系统可支持模拟速度输入、数字速度输入、脉冲输入及通过上位机开展控制等功能。 3空间电压矢量脉宽调制原理 在全数字控制的交流伺服驱动系统中，通常采用数字脉宽调制方法来代替传统的模拟脉宽调制。而在众多的脉宽

5、调制技术中，空间电压矢量是一种优化的PWM技术，能明显减小逆变器输出电流的谐波成分及电动机的谐波损耗，降低脉动转矩，且其控制简单，数字化实现方便，电压利用率高，已有取代传统SPWM的趋势。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路开展控制的一种非常有效的技术。 脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平开展数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平开展编码。PWM信号仍

6、然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM开展编码。 PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。 在本文中， Tk 和Tk+1分别为在逆变器相邻两个工作状态Vsk

7、和Vsk+1下的导通时间，表示为 在一个完整的调制周期Ts 内， 除了Tk 和Tk+1的导通时间外， 其余为0 状态时间。 0 状态时间T0 由两个自由轮换状态时间T7 和T8 用等式表示为 T0 =T7+T8 =Ts-Tk-Tk+1 （2） 由于0状态存在于每一个区域内，一般发生在每个调制周期的开始和结束时， 总的0状态时间一般分成两个相同的0状态时间，即 T7 = T8 =T0/2（3） 以便获得对称的空间矢量脉宽调制信号。依据式（ 1 ） （ 3 ） 可得到对应电压空间矢量 V*Sref在0 /3 扇区内双边空间矢量脉宽调制的逆变器开关信号，如图3所示。 类似的方法可以计算出电压参考信号

8、V*Sref在其他5区域内双边空间矢量脉宽调制的三相逆变器开关时间，如下表1所示。 图5 数据处理模块子程序框图 5实验研究 伺服系统是数控装置和机床的联系环节，伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能。 本文在一台HANUC CNC2000 i系统中开展了实验研究， 给出了其中一轴的伺服性能波形图。图8和图9给出了CNC2000 i系统的加工程序的X 轴交流伺服系统的性能波形， 5个通道分别为速度指令n （单位： r /min） , 反应速度n （单位： r /min） ,转矩图形误差e （% ） ,零偏差U （单位： V） ,定位完成信号S （单位：V） .从实测波形图中可以看出，该伺服系统具有良好的位置跟踪性和准确的定位控制度。 图6 总线控制模块流程图 图7 参数管理模块流程图 6结语 由于采用单片机与DSP配合，系统的运算和实时处理的能力大大增强，可以适