机器人资料-论文-008基于DSP的直线电机位置检测与控制技术.doc

机电一体化技!术基于 n)g 的直线电机位置检测与控制技术艾!武!程!立!杜志强 !陈幼平!周祖德!华中科技大学湖北 武汉 b(ab#97#9#17$-4-,-.g-53%-$04n#%1%-$-$l3$#02/-%2j05#+-$n)g)=8?a9:b&;$!c& g&%+a9e(? 6&!#$!? 41!=*0y7-$:$3#253%,-.)13#$1#0$+9#17$-4-,f*70$b(ab &a$&b%& &r b),-.%!504-d3$%7#5#2;-1-$%-45,5%#6-.%7#43$#026-%2!%7#d-53%-$04+#%1%-$35-$#-.w#,%#17$-4-,5.-2d-53%-$045#2;-1-$%-4-.3%ei$%7#v0535-.%7#0$04,535-.%7#+#%1%-$-.%7#53$045.-26%7#43$#02#$1-+#20$+%7#53$0453%#4!%7#d0d#2.3$+505-4*%-$%-%7#2#1#3;3$0$+35d-504-.%7#53$045!0$+.3$+50c0,%-5#f4#1%0506d4$d#23-+ c7#$506d4$%7#53$045e!%7#506#%36#!%7#517#6#*5#+%-1-$%-4%7#6-%2 35 +#%263$#+ v05#+ -$ gxn 023%76#%1!%2-*7c7317%7#1-$%-4-.%7# 6-%2c3%77372#5d-$5#0$+737d2#1353-$10$v#2#04y+e0123(.4-n)g#kg#4$#026-%2#3$#02#$f1-+#2!引言近年 来!随 着 精 密 制 造 和 数 控 技 术 等 先 进 制 造技术的发展 !高速(高 效(高 精 成 为 当 前 数 控 设 备 的收稿日期&( a b基金项目国家&八六三计划资助项目$&!b&(&%-机械与电子.&b$&%发展方向!直线电 机 以 其 较 高 的 动 态 响 应 能 力 成 为人们研究的热点)*+在高精度的直线电机位置 控 制中!位置检测是其关键技术之一 !直接影响着控制系统的控制精度+光栅尺是直线电机位移检测的关键部件+因此!对光 栅 尺 输 出 信 号 进 行 检 测 与 处 理 是直线电机位置闭环控制的重要组成部分+数字信号处理器$+33%453$04d2-1#55-2%9/)(&l&ba是9x公司生产的 专 用 于 电 机 控 制 的 一 款 微 处 理 器 芯片!它具有高速的 运 算 能 力 和 特 别 适 合 于 电 机 控 制的事件管理器模块$z%!事件管理器模块 有 一 正交编码脉冲$kg%电 路!可 用 于 获 取 直 线 电 机 的 位 置信息!使得用 n)g很容易实现对 直 线电 机 的 位 置控制+本课题要求直 线 电 机 的 定 位 精 度 为 &86!频 率响应为大于&=y!行程范围在66 以内+!直线电机位置检测在直 线 电 机 的 控 制 系 统 中!要 实 现 对 直 线 位 移的精确控制!就必 须 通 过 高 精 度 的 检 测 装 置 对 它 进行检测!将 检 测 结 果 转 换 成 数 字 信 号 反 馈 给 n)g!由 n)g对这些数据进行处理 +随着光栅的刻制技术 (电子技术的发展!光栅莫尔条纹细分技术的 不 断 改 进!以 及 计 算 机 处 理 技 术的巨大进步!光 栅 技 术 得 到 了 快 速 的 发 展+在 直 线电机的位置检测和控制中!利用光栅尺进行高速 (高精度的位置检测得到了广泛的应用+e !位置检测ee!直线光栅传感器的特点使 用 直 线 光 栅 传 感 器 进 行 电 机 位 置 检 测!它 具有以下特点+%5光栅传感器输 出 的 是 数 字 信 号 !易 于 与 n)g进行接口+,5可以进行高精度的位移测量 +精密的光刻技术和电子细分技术!以 及 莫 尔 条 纹 所 具 有 的 对 局 部,&r,误差的消除作用!使 得 光 栅 传 感 器 的 测 量 精 度 仅 次于激光测量 !而 且 成 本 比 其 低 得 多测 量 误 差 可 控制在 e&1eb86#6 以 内!精 度 为 e1(86#6!分辨率可做到 e86/5可进行大量程$高分辨率测量 !测 量 量 程 可 达几十米 45有较 强 的 抗 干 扰 能 力 数 字 信 号 输 出 采 用m)b&99l15信号处理 电 路 简 单$可 靠 普 通 分 辨 率 和 精度的光栅传感器!一 般 都 将 信 号 处 理 电 路 和 光 栅 部件组装在一起 !体 积 小!输 出 接 口 电 路 有 驱 动 器 !适合长距离传输 ee&!光栅检测及其输出信号课题 采 用 的 光 栅 尺 是 德 国 8p! 公 司 生 产 的8p! lx&glni 型 光 栅 尺!其 测 量 精 度 为86光栅传感器是通过将固定 光 栅 和 移 动 光 栅 之间的位移放大为莫尔条纹的移动来进行检测的 其条纹间距 2 和 光 栅 栅 距 及&条 光 栅 刻 线 夹 角 关系为 %#2k&#&图 !光栅输出信号9/)(&l&ba型 n)g 芯 片 集 高 速 运 算 能 力与面向电机的高速 控 制 能 力 于 一 体!可 以 实 现 用 软件取代模拟器件!方便地修改控制策略和参数!兼具故障监测$自诊 断 和 上 下 位 机 管 理 与 通 信 功 能 其内部总线为哈佛结 构!指 令 执 行 速 度 是 (/xg)!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&个事件 管 理 器 模 块&z! 和 zj!它53$&#&52#&k2&们的结构完全一样!只 是 所 具 有 的 寄 存 器 名 称 不 一当光 栅 相 对 移 动 时!莫 尔 条 纹 将 沿 着 刻 线 方 向移动 光栅移动一 个 栅 距!莫 尔 条 纹 也 移 动 一 个 间距 2!同时!在指示光栅上的光敏元件接收到 一次 光脉冲的照射 !并相 应 输 出 个 电 脉 冲 通 过 计 数 电脉冲的数目 !就可以测量标尺光栅的位移,!即样!能够很方便地对电机进行编程控制事件管理器具有 b 个 通 用 定 时 器 9&k!&!(!b!z!zj 各&个!每个定时器还有一个 比较寄存 器 和 周期寄存器!9&可 以 编 程 为 在 内 部 和作为 kg 电路的时因此检测实际上就是对光栅输出的脉冲个数进行计数 光敏 元 件 的 输 出 波 形 近 似 于 正 弦 波!经 过 整 形电路将其变为方波而采用个光电元件所得到的光栅信号只能计数!为了确定运动方向!在指示光栅上安装&个相距 #b的光敏元件!输出&路信 号相位差为 rg!即为正 交 编 码 脉 冲 信 号同 时!为 了 提高测量精 度!还 需 对 光 栅 的 莫 尔 条 纹 进 行 细 分(&)在光栅尺的输出中!还有路基准点信号!用以确定位移零点!在&光栅上各有个透光孔!只有光能从&孔中透过时才输出个 脉冲光 栅 尺 输 出 信 号 如图所示图中 0!v 为 光 栅 位 移 信 号!1为 基 准 点信号 5!;dm 对光栅输出信号的处理e&e !n)g 的特性*(*基&用 9&!kg 电 路 用 于 连 接 光 栅 输 出 的 正 交 编码脉冲信号!对 该 信 号 进 行 计 数!e&e&!位移信号的采集和处理对 位 移 信 号 进 行 处 理 前 首 先 要 得 到 信 号!在 用光栅传感器检测到信号后!用 n)g 来对信号进行采集由图 知光栅传 感 器 输 出 ( 路 信 号!将 这( 路信号中 的 正 交 编 码 脉 冲 信 号 0!v 输 入 到n)g 的kg 引脚!如图&所示 其中 kg 和 kg& 分别用来 接 收 光 栅 的 脉 冲 信 号0$v!它 们 作 为 通 用 定 时器 9&的时基!定时器 9&对& 列 脉 冲 的 每 个 上 升 和下降沿都进 行 计 数!每 来 个 上 升 沿 或 下 降 沿 时 !9&的计数 器 就 加 或 减 计 数 在 图 中!在 对脉 冲 信 号0!v进 行计数时!其使用的时钟源为 连 接 的 是 &列 脉 冲 中 的先导系列#就进行增 计 数#反 之 则 减 计 数 #如 图 的nxm 信 号 $高 电 平 代 表 增 计 数#低 电 平 则 反 之 %!gf/$即当 9定时器的计数器值和其比较寄存器 相 等 时 在 9gf/ 引 脚 上 输 出 的 跳 变 信 号 %连接#用 n)g的 通用 定 时 器 9$9在 内 部 gf/ 引 脚 上 输 出 一 个 跳 变#在检测到 !g(引脚 上 出 现 跳 变 时#就 将 这 一 时 刻 的9&定时器的计数器中的数值装入 一 个 寄 存 器中#接算法!gxn 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 #& 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&gngxp9 保护中断和 gxn 算法实现等 !5!m=; 算法及其控制参数的确定控制算法采用增 量 式 数 字 gxn 算 法#gxn 算 法将偏差的比例&积 分 和 微 分 通 过 线 性 组 合 构 成 控 制量!将模 拟 gxn 控 制 器 的 控 制 规 律 按 式 $(%数 字化#以位移偏差作为输入 #即可得到公式$b%!t$%kfq(x $%!h#n+k1mh2h9h#h%#2ktfd$h&%#计算出实 际 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$为预定位移量和脉冲当量9kfd#n#x#之商%进行比较#这就是这一时刻的位移偏差 !将偏差代入 gxn 算法计算 出 需 要 输 出 的 电 压 量 #以 此 电压来驱动电机运动!&!直线电机的位置控制!e! 控制方案直线电机的伺服控制系统是一个闭环系统!在直线电机运动时#光 栅 传 感 器 不 断 地 检 测 直 线 电 机的位移 #产生的正交 编 码 脉 冲 信 号 作 为 位 置 反 馈 输入到 n)g中#n)g将直线电机预定位移? 和检测到的当前位移进行比较 #由 gxn 算 法 来 给 出 相 应 电 压到功率放大器以驱动直线电机运动!这就是电机的控制方案#其框图 如 图 (所 示!在 直 线 电 机 的 控 制过程中 #需要实现直 线 电 机 的 精 确 定 位 和 一 定 范 围内的响应频率 !对 前 者 而 言#需 要 选 择 合 适 的 控 制图(! 控制方案图+机械与电子,&b$&%#将预定位移量和光栅尺每次所测得的位移量相减#所得偏差代入和e&!仿真曲线如图b 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#超调量较 小 #很好地满足了系统要求!在式 $b%中#m#和*图b!gxn 控制响应仿真曲线位移和检测到的位 移 的 偏 差!每 采 样 一 次 需 要 更 新一次并存入 数 组 #(#中$gxn 算 法 的 程 序 流 程 图如图 所示$图 !gxn 算法程序框图!e! 采样周期的确定采样周期对电机定位精度和响应频率有着很重要的影响$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 n)g 的计算量 !减 慢 电 机 的 运 行 速 度 而 影 响 其 响 应 频 率$因此在实际选择采 样 周 期 时!必 须 从 需 要 和 可 能 两方面综合考虑 !一般要考虑的因素如下%5从调节 品 质 和 数 字 gxn 算 法 要 求 的 方 面 考虑!采样周期应取得短些$否则 !采样信号无法反映系统的瞬变过程$,5从控 制 系 统 的 动 态 性 能 和 抗 干 扰 性 能 来 考虑!也要求采样周期短些$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 $/5从响应频率来考虑!采样周期则 应 该 取长 些!这样可以 减 少 n)g 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$45从 n)g 在 一 个 采 样 周 期 内 要 完 成 的 运 算 工作量来考 虑!要 求 采 样 周 期 取 得 长 些 !以 保 证 n)g*(&*有充分的实时运算时间和处理时间$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b#$在 这 里 !采 用变采样周期$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$而且 !这 对 于 n)g 来说也是很容易做到的$实现方法为 %在 通 用定 时 器 9&的比较中断&即 9&计 数 器 之 值 等 于 比 较 寄 存 器 时中来改 变 采样 周 期!而 在 周 期中 断&即 9&计 数器 之值等于周 期 寄 存 器 之 值中 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 发生!后者是在电机运动到预定位置时出现 $(!结束语