非球面加工的速度伺服控制器研究

摘要：本文研究的速度伺服控制器是在以ARM微處理器為主控核心，解決高次非球面加工的新原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的一種最新的伺服控制器。同時(shí)本設(shè)計(jì)增加了必要的外圍擴(kuò)展電路，構(gòu)成高性能的三軸聯(lián)動(dòng)的速度伺服控制器， 能夠滿足非球面光學(xué)器件數(shù)控回轉(zhuǎn)切線法的要求，在數(shù)控機(jī)床的控制中有重要的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：ARM內(nèi)核；速度伺服控制器；非球面加工

引言

現(xiàn)今的非球面光學(xué)系統(tǒng)中采用的非球面零件有二次和高次非球面，絕大多數(shù)采用的是軸對(duì)稱(chēng)非球面，解決它們的加工問(wèn)題也就成為重要的研究?jī)?nèi)容。本文研究的速度伺服控制器是在高次非球面加工的新原理--數(shù)控回轉(zhuǎn)切線法的基礎(chǔ)上提出的新方法。利用回轉(zhuǎn)切線法加工非球面控制系統(tǒng)中的三軸聯(lián)動(dòng)的控制方式為速度伺服控制，而不是位置伺服控制。但速度伺服控制器中的速度控制是一個(gè)暫態(tài)控制過(guò)程，我們必須對(duì)三軸的隨動(dòng)誤差在各點(diǎn)加工過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，否則累計(jì)誤差將嚴(yán)重影響加工精度，同時(shí)為保證切線的正常回轉(zhuǎn)，每軸的速度必須具有單調(diào)性。

嵌入式系統(tǒng)是近年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的面向控制、監(jiān)視的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，它的特點(diǎn)是采用高速處理器，體積小、集成度高、運(yùn)算速度大、存儲(chǔ)器容量大、功耗低、支持多種網(wǎng)絡(luò)接口。本文介紹的是基于嵌入式操作系統(tǒng)的三軸聯(lián)動(dòng)速度伺服控制器的設(shè)計(jì)。嵌入式控制系統(tǒng)的主要功能是為速度伺服控制器提供良好的控制處理平臺(tái)，用硬件實(shí)現(xiàn)任務(wù)的合理調(diào)度、實(shí)時(shí)控制。[1]

1 位置伺服控制器

位置伺服控制系統(tǒng)是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床等，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)，并和指令脈沖進(jìn)行比較，從而構(gòu)成了一個(gè)位置的半閉環(huán)控制。但位置伺服控制有很大的缺點(diǎn)，如位置伺服控制使控制的靈活性大大下降。這是因?yàn)樗欧?qū)動(dòng)器工作在位置方式下，位置環(huán)在伺服驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，這樣系統(tǒng)的PID參數(shù)修改起來(lái)很不方便。當(dāng)用戶(hù)要求比較高的控制性能時(shí)實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)很困難。從控制的角度來(lái)看，這只是一種很低級(jí)的控制策略。如果控制程序不利用編碼器反饋信號(hào)，事實(shí)上成了一種開(kāi)環(huán)控制。如果利用反饋控制，整個(gè)系統(tǒng)存在兩個(gè)位置環(huán)，控制器很難設(shè)計(jì)。在實(shí)際中，常常不用反饋控制，但不定時(shí)的讀取反饋進(jìn)行參考。這樣的一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，如果運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器之間的信號(hào)通道上產(chǎn)生干擾，系統(tǒng)是不能克服的。同時(shí)位置伺服控制使得控制的快速性速度不高。[2]

2 速度伺服控制器的結(jié)構(gòu)

2.1 速度伺服控制器的硬件結(jié)構(gòu)

速度伺服控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)主要部件有：電源轉(zhuǎn)換電路、復(fù)位監(jiān)控電路、微處理器主控系統(tǒng)、功率放大驅(qū)動(dòng)電路、逆變器、直線電機(jī)、光柵尺、信號(hào)反饋?zhàn)儞Q電路、人機(jī)接口電路等。

2.1.1 微處理器主控系統(tǒng)

硬件組成的核心為ARM控制器S3C2410，S3C2410是Samsung公司推出的采用了ARM9TDMI內(nèi)核的32位RISC微處理器，內(nèi)部提供了豐富的設(shè)備：分開(kāi)的16KB的指令Cache和16KB的數(shù)據(jù)Cache，MMU虛擬存儲(chǔ)器管理，系統(tǒng)管理器，4通道DMA，4通道PWM定時(shí)器，RTC，IIC-BUS接口，內(nèi)部PLL時(shí)鐘倍頻器等。它的低功耗、精簡(jiǎn)和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適用于對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用，同樣采用一種AMBA新型總線結(jié)構(gòu)。[3]

2.1.2 直線電機(jī)及光柵尺

速度伺服驅(qū)動(dòng)器是非球面光學(xué)器件加工的核心部件，因此電機(jī)的選擇就變得尤為重要。我們先了解直線電機(jī)的工作原理及控制原理[3]。在交流永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的定子繞組中通入對(duì)稱(chēng)三相交流電流后，將產(chǎn)生沿電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方向的行波磁場(chǎng)。交流永磁同步直線電動(dòng)機(jī)的定子中簽有對(duì)稱(chēng)三相繞組，因此，當(dāng)由逆變器向此繞組中通入有效值為I，角頻率為ω的三相正弦電流

根據(jù)磁極異性相吸的特性，定子行波磁場(chǎng)的磁極N、S將分別與動(dòng)子永久磁場(chǎng)的磁極S、N相吸，行波磁場(chǎng)的磁極與動(dòng)子永久磁場(chǎng)的磁極間必然存在磁拉力。這樣，當(dāng)定子磁場(chǎng)的磁極以速度v0運(yùn)動(dòng)時(shí)，在各對(duì)相互吸引的磁極間的磁拉力共同作用下動(dòng)子將得到一合力，該力將克服動(dòng)子所受阻力（負(fù)載等）而帶動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)定子行波磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合理控制，即可產(chǎn)生所要求的磁拉力帶動(dòng)動(dòng)子平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。

由于永磁同步直線電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)同步運(yùn)行時(shí)，其動(dòng)子磁極與定子行波磁場(chǎng)的磁極是一一對(duì)應(yīng)的，因此，電機(jī)動(dòng)子的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)速度 將與定子行波磁場(chǎng)的速度相同，即

由直線電機(jī)控制原理知，直線電機(jī)的移動(dòng)速度與逆變器輸出電流的頻率有，為一連續(xù)的正弦信號(hào)，可對(duì)直線電機(jī)的速度進(jìn)行伺服控制。直線電機(jī)的控制精度由光柵尺決定。電機(jī)具體選擇時(shí)需要考慮眾多因素，如給定負(fù)載、價(jià)格、重量、體積、控制精度（由匹配的光柵尺決定）、與光柵尺的接口等。[4]

2.2 速度伺服控制器的軟件功能

速度伺服控制器的軟件主要實(shí)現(xiàn)：一方面接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移，速度指令，經(jīng)變換、放大、調(diào)整后，由電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸等，帶動(dòng)工作臺(tái)及刀架，通過(guò)軸的聯(lián)動(dòng)使刀具相對(duì)工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而加工出用戶(hù)所要求的非球面的光學(xué)器件；另一方面作為數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，速度伺服控制器通過(guò)直線電機(jī)連接的光柵尺反饋裝置檢測(cè)的實(shí)際速度值與數(shù)控系統(tǒng)給定值的差，調(diào)節(jié)電流控制量，保證加工器件的精確度。系統(tǒng)目前采用的是基于查詢(xún)的調(diào)度方式， 即主控程序完成系統(tǒng)自檢，初始化后， 執(zhí)行查詢(xún)循環(huán)指令， 檢測(cè)到處理器的通信指令后完成相應(yīng)的動(dòng)作。[5]

主程序中首先進(jìn)行變量和寄存器的初始化，然后進(jìn)入功能子程序的循環(huán)調(diào)用或無(wú)限等待之中。功能子程序封裝了伺服控制器的某個(gè)操作過(guò)程，這樣既可以實(shí)現(xiàn)操作的模塊化，又可以在三軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制中讓主機(jī)方便地調(diào)用某個(gè)操作過(guò)程。伺服控制器通過(guò)接收主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的參數(shù)和功能子程序的調(diào)用指令就可以完成基本的操作過(guò)程。

2.3反饋信號(hào)處理

直線光柵尺對(duì)電機(jī)速度檢測(cè)的輸出信號(hào)有兩種：一種是正弦波信號(hào)；另一種是方波信號(hào)。其特點(diǎn)是易于與ARM處理器進(jìn)行接口，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，測(cè)量速度簡(jiǎn)單方便。光柵尺反饋信號(hào)的處理方法有：（1）倍頻處理，即正弦波輸出有電流型和電壓型，對(duì)正弦波輸出信號(hào)需經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大、整形及倍頻處理后得到脈沖信號(hào)。倍頻可提高光柵的分辨精度，如5倍頻、10倍頻等。如原光柵線紋為50條／mm，經(jīng)5倍頻處理后，相當(dāng)于將線紋密度提高到250條／mm。(2)方向判別，即光柵輸出信號(hào)經(jīng)差動(dòng)放大和信號(hào)處理后，獲得PA、PB脈沖信號(hào)，PA和PB的超前或滯后經(jīng)方向判別電路處理后，得到以高、低電平表示的方向信號(hào)。[6]

3結(jié)束語(yǔ)

速度伺服控制器在數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)中是一個(gè)創(chuàng)新，在非球面加工的控制過(guò)程中，是一個(gè)大的突破。基于ARM速度伺服控制器經(jīng)濟(jì)性好，通用性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單，拓展性好，縮短了非球面光學(xué)器件的加工時(shí)間，達(dá)到更高的精度要求。所以，速度伺服控制器在非球面加工的控制中應(yīng)用前景非常廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1]樸承鎬.軌跡成形法加工非球面光學(xué)零件新原理的報(bào)告.長(zhǎng)春:長(zhǎng)春理工大學(xué)，2003.

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[3]任哲，潘樹(shù)林，房紅征.嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)μC /OS-II和Linux[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4]周凱.數(shù)控原理、系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：15～32.

[5]張莉松，胡佑德.伺服系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

[6] www.xduph.com/bookavr/

作者簡(jiǎn)介：耿振野（1966.6.8）男 畢業(yè)于南京理工大學(xué)自動(dòng)控制系，現(xiàn)在長(zhǎng)春理工大學(xué)副教授，在讀博士，主要從事過(guò)程控制與檢測(cè)的研究。