基于DSP的短行程直线电机位置控制

直线电机作为一种机电传动装置，使传统驱动部件的机械结构简单化，并对其电流、速度和位置控制部分提出了更高的要求。它的最大特点是满足了人们对机床进给系统伺服性能提出的更高要求，即更高的驱动能力、更快的进给速度以及更精确的定位精度。近十多年来，随着精密制造和数控技术等先进制造技术的发展，高速、高效、高精成为当前数控设备的发展方向，直线电机以其较高的动态响应能力成为人们研究的热点[1]。在高精度的直线电机位置控制中，位置检测是其关键技术之一，直接影响着控制系统的控制精度。光栅尺是直线电机位移检测的关键部件。因此，对光栅尺输出信号进行检测与处理是直线电机位置闭环控制的重要组成部分。数字信号处理器（Digital Signal Processor）DSP2407是TI公司专用于电机控制的一款微处理器芯片，具有高速的运算能力和特别适合于电机控制的事件管理器模块（EV），事件管理模块有一正交编码脉冲（QEP）电路，可用于获取直线电机的位置信息，使得用DSP很容易实现对直线电机的位置控制。本课题研发的直线电机要求的定位精度为2μm，响应频率为20HZ，行程范围为10mm以内。 直线电机位置检测 在直线电机的控制系统中，要实现对直线位移的精确控制，就必须通过高精度的检测装置对它进行检测，将检测结果转换成数字量反馈给DSP，由DSP对这些数据进行处理。 随着光栅的刻制技术、电子技术的发展，光栅莫尔条纹细分技术的不断改进，以及计算机处理技术的巨大进步，光栅技术得到了快速的发展。在直线电机的位置检测和控制中，利用光栅尺进行高速、高精度的位置检测得到了广泛的应用。 [b]位移检测 直线光栅传感器的特点[/b] 使用直线光栅传感器进行电机位置检测，具有以下特点: 光栅传感器输出的是数字信号，易于与DSP进行接口；可以进行高精度的位移测量，精密的光刻技术和电子细分技术，以及莫尔条纹所具有的对局部误差的消除作用，使得光栅传感器的测量精度仅次于激光测量，而且成本比其低得多。测量误差可控制在0.2～0.4μm /m以内，精度为0.5～3μm/m，分辨率可做到0.1μm。可进行大量程、高分辨率测量，测量量程可达几十米。有较强的抗干扰能力。数字信号输出采用RS422TTL。 信号处理电路简单、可靠。普通分辨率和精度的光栅传感器，一般都将信号处理电路和光栅部件组装在一起，体积小，输出接口电路有驱动器，适合长距离传输。 光栅检测及其输出信号 由于光栅具有上述优点，在此用光栅传感器来检测电机的位移。本课题采用的光栅尺是德国JENA公司生产的JENA LIE5 2PLXFDO型光栅尺，其测量精度为1μm。光栅传感器是通过将固定光栅和移动光栅之间的位移放大为莫尔条纹的移动来进行检测的。其条纹间距B和光栅栅距W及两光栅刻线夹角 关系为： 当光栅相对移动时，莫尔条纹将沿着刻线方向移动。光栅移动一个栅距，莫尔条纹也移动一个间距B，同时，在指示光栅上的光敏元件接收到一次光脉冲的照射，并相应输出一个电脉冲。通过计数电脉冲的数目，就可以测量标尺光栅的位移x，即其中，i为脉冲个数。因此检测实际上就是对光栅输出的脉冲个数进行计数。 光敏元件的输出波形近似于正弦波，经过整形电路将其变为方波。而采用一个光电元件所得到的光栅信号只能计数，为了确定运动方向，在指示光栅上安装两个相距 W/4的光敏元件，输出两路信号相位差为90o。即为正交编码脉冲信号。同时，为了提高测量精度，还需对光栅的莫尓条纹进行细分[2]。在光栅尺的输出中，还有一路基准点信号，用以确定位移零点，它是在两光栅上有两个透光孔，只有光能从两孔中透过时才输出一个脉冲。图1为光栅尺输出信号。图1中a，b为光栅位移信号，c为基准点信号。 [b]DSP对光栅输出信号的处理 DSP的特性[/b] 这里所用的TMS320LF2407型DSP芯片集高速运算能力与面向电机的高速控制能力于一体，可以实现用软件取代模拟器件，方便地修改控制策略和参数，兼具故障监测、自诊断和上下位机管理与通信功能。它的内部总线为哈佛结构，指令执行速度是30MIPS，绝大部分指令可以在单周期内执行完毕，这使得控制系统能够快速处理相关计算。它具有丰富的资源，特别是具有2个事件管理器模块（EVA和EVB，它们的结构完全一样，只是所具有的寄存器名称不一样），能够很方便的对电机进行编程控制。事件管理器具有4个通用定时器Tn（n=1，2，3，4，EVA，EVB各2个，每个定时器还具有一个比较寄存器和周期寄存器），6个全比较单元，6个捕获单元和2个QEP电路。其中DSP的事件管理器模块的通用定时器用来产生采样周期（用T1）和作为QEP电路的时基（用T2），QEP电路用于连接光栅输出的正交编码信号，对光栅尺输出的正交编码脉冲信号进行计数，CAP模块用来捕获通用定时器的计数器中的计数值 [3]。 位移信号的采集和处理 对位移信号进行处理前首先要得到信号，在用光栅传感器检测到信号后，用DSP来对信号进行采集。由图1知光栅传感器输出3路信号，将这3路信号中的正交编码脉冲信号a，b输入到DSP的QEP引脚，如图2所示。其中QEP1和QEP2分别用来接收光栅的a，b两列脉冲信号，它们是以通用定时器T2为时基的，定时器T2对两个脉冲的每个上升和下降沿都进行计数，每来一个上升沿或下降沿时通用定时器的计数器就加1或减1计数。如图2中，在对脉冲信号a，b进行计数时，其使用的时钟源为CLK，频率为正交编码脉冲的4倍，只要我们知道检测到的每一个脉冲所代表的位移量（即脉冲当量），就可以计算出实际的位移量。计数的方向由两列脉冲的接法决定：如果QEP1接的是两列脉冲的先导波形，就进行加计数，反之则减计数，如图1的DIR信号。CAP3用来捕获脉冲的个数，它和捕获驱动信号T1PWM连接，用DSP的通用定时器T1来产生采样周期，经过一个周期的时间间隔后在T1PWM引脚上输出一个跳变，在检测到 CAP3引脚上出现跳变的时候，就将这一时刻的T2定时器的计数器中的数值装入一个寄存器中，也就是这一时刻的位移量。得到某一时刻的脉冲个数后，可以和总的脉冲个数（为预定位移量和脉冲当量之商）进行比较，这就是这一时刻的位移偏差。将偏差代入PID算法计算出需要输出的电压量，以此电压来驱动电机运动。图2中的信号c是光栅传感器的两个光栅尺的参考点信号，可以作为测量位移的零点。 [b]直线电机的位置控制 控制方案[/b] 直线电机的伺服控制系统是一个闭环系统。在直线电机运动时，光栅传感器不断的检测直线电机的位移，产生的正交编码脉冲信号作为位置反馈输入到DSP中， DSP将直线电机预定位移和检测到的当前位移进行比较，由PID算法来给出相应电压到功率放大器以驱动直线电机运动。这就是电机的控制方案，其框图如图3 所示。在直线电机的控制过程中，需要实现直线电机的精确定位和一定范围内的响应频率。对前者而言，需要选择合适的控制算法。PID控制是控制系统中技术比较成熟且应用最广泛的方法。其结构简单，参数容易调整，不一定需要知道系统的确切模型。因此，本控制方案采用它作为控制算法。对后者而言，则需要选择适当的采样周期。采样周期短，两次采样间电机的位移量就小，就能够实现更加精确的位移检测，但同时会使直线电机的响应频率变小。相应的控制系统软件由主程序和中断子程序组成。主程序完成芯片与各变量的初始化、等待中断的出现等工作；子程序则包括捕获中断、PDPINT保护中断、PID算法实现等。 PID算法及其控制参数的确定 控制算法采用增量式数字PID算法，PID算法即将偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量。将模拟PID的控制规律按式（3）数字化，以位移偏差作为输入，即可得到公式（4）。 将预定位移量和光栅尺每次所测得的位移量相减，所得偏差代入ek，ek-1和ek-2即可计算出所需输出的控制电压量改变量[4]。 PID控制的一个重要环节是控制参数 KP、TI、TD的确定。在对电机控制中，首先要求系统是稳定的，在给定值变化时，被控量应能迅速、平稳地跟踪，超调量要小。在各种干扰下，被控量应能保持在给定值附近。PID参数的选择有两种可用方法：理论设计法和实验确定法。理论设计法确定PID控制参数的前提，是要有被控对象的准确的数学模型，这在电动机控制中往往是很难的。因此，采用实验确定法来选择PID控制参数。凑试法是一种行之有效的实验法，它是通过模拟或闭环运行系统来观察系统的响应曲线，然后根据各控制参数对系统响应的大致影响，来改变参数，反复凑试，直到认为得到满意的响应为止。经过反复凑试，得到KP、=6.0，TI= 0.2，TD=1.2。仿真曲线如图4所示。使用这些参数可以使系统响应迅速，能很快就达到稳定，超调量小，很好的满足了系统要求。在式（4）中ek， ek-1和ek-2 为预定位移和检测到的位移的偏差，每采样一次需要更新一次并存入数组e[3]中。PID算法的程序流程图如图5所示。 采样周期的确定 采样周期决定着电机定位精度和响应频率。采样周期越小，数字控制效果就越接近连续控制，控制精度就越高，但同时会加大DSP的计算量，减慢电机的运行速度而影响其响应频率。因此在实际选择采样周期时，必须从需要和可能两方面综合考虑，一般要考虑的因素如下： 从调节品质和数字PID算法要求方面考虑，采样周期应取得短些。否则，采样信号无法反映系统的瞬变过程。 从控制系统的动态性能和抗干扰性能来考虑，也要求采样周期短些。这样，给定值的改变可以迅速地通过采样得到，而不至于在控制中产生较大的延迟。此外，对低频扰动，采用短的采样周期可以迅速加以校正。 从响应频率来考虑，采样周期则应该取的长些，这样可以减少DSP的计算量，减少电机运动的步数,从而提高电机运行的速度和频率。 从DSP在一个采样周期内要完成的运算工作量来考虑，要求采样周期取得长些，以保证DSP有充分的实时运算时间和处理时间[4]。 从上述分析可以看到，各种因素对采样周期的要求是不同的，甚至是相互矛盾的，因此，必须根据具体的情况和要求综合做出选择。在这里，采用变采样周期。因为在电机从起始位置运动的一段时间里，可以采用长的采样周期，这时是远离预定位置，可以重点考虑速度方面的因素。等到电机运动到了一定的位置，再将采样周期减小，重点考虑定位精度。这样可以做到二者兼顾，既保证了定位精度，又提高了电机的响应频率。而且，这对于DSP来说也是很容易做到的。实现方法为：在通用定时器T2的比较中断中来改变采样周期，而在周期中断中恢复原来的采样周期。前者是在电机运动到需要改变采样周期位置时（即T2计数器之值等于比较寄存器时）发生，后者是在电机运动到预定位置时（即T2计数器之值等于周期寄存器之值）出现。 结论 研究开发的直线电机，采用高精度的直线光栅尺检测其位移，并以TI公司生产的DSP作为，在运动中使用DSP来对光栅尺输出的位移信号进行采样，采用PID控制算法来控制电机的运动，达到了预期的位移精度和频率响应，而且运行可靠，程序编制灵活。