基于DSP的直線直流電機初始位置檢測設計*

杜志強， 朱德榮， 艾 武

(1.洛陽理工學院機電系，河南洛陽 471023;2.華中科技大學國家數控系統工程技術研究中心，湖北武漢 430074)

0 引言

在現有的振鏡式激光掃描系統中，Z軸動態聚焦模塊的往復直線運動是通過旋轉電機加上一套轉換裝置來實現的，不僅結構復雜、存在換向間隙誤差和彈性變形，而且難以實現較高的控制精度和較高的往返運動頻率［1-2］。用高性能的直線直流電機直接驅動伺服單元實現Z軸的動態聚焦是一種新的傳動進給方式［3］，其結構簡單、體積小，并具有較好的動態響應性能。它消除了傳統機械傳動鏈(由旋轉到直線)所帶來的一系列不良影響，極大地提高了進給系統的快速反應能力和運動精度，在快速往返運動時可實現較高的位置跟蹤控制精度［4-6］。

在高精度的直線電機位置伺服控制中，位置檢測是其關鍵技術之一。初始位置(即零點)是直線電機驅動系統實現精密位置控制的起點。零點的定位誤差將影響直線電機的位置控制精度。因此，在直線電機直接驅動系統中，要求準確而快速的找到零點，且零點的定位誤差還要盡可能小。

以微控制器DSP為核心構成的電機伺服控制系統代表著當今電機數字控制的主流方向，DSP控制器將一個高性能的DSP核、大容量的片上存儲器和專用的運動控制外設電路(事件管理器模塊、通用定時器、捕獲單元、正交編碼脈沖接口電路等)以及其他功能的外設電路集成在單芯片上，為各類電機的位置伺服控制提供了方便的接 口 功 能［7-8］。本 文 提 出 了 基 于 DSP TMS320F2812的直線直流電機驅動系統初始位置檢測設計與實現方法。

1 直線電機驅動系統

直線電機驅動系統是建立在一個基于DSP開發系統的試驗平臺上進行的。在試驗過程中，所需軟件程序的編寫、在線調試、試驗數據的獲取，在DSP集成開發環境CCS下完成。PC機通過主板上的EPP接口與仿真器連接，仿真器再通過JTAG接口與DSP控制板相連。直線電機伺服控制系統試驗平臺框圖如圖1所示，DSP采用TI公司的 TMS320F2812，直流驅動器采用 KOLLMORGEN公司的 KXA-48-816，光柵尺采用NUMERIK JENA公司的LIE5 2PL5GDO，分辨率為1 μm。控制系統采用數、模混合雙閉環控制方式。即位置環為數字控制，由DSP TMS320F2812完成，用于實現較高的定位控制精度，而電流環及PWM由模擬電路完成，以滿足電流環實時控制的需要，同時使閉環控制系統具有較快的動態響應能力。光柵尺的尺帶固定不動，讀頭固定在直線電機的動子上，隨動子直線運動，直線位移檢測是通過光柵尺的讀頭與尺帶相對運動實現的。

圖1 直線電機伺服控制系統框圖

2 初始位置檢測設計與實現

直線電機的初始位置(零點)是直線電機在有效行程內實現精密位置伺服控制的初始點。直線驅動系統在每次斷電后，其動子的平衡位置不在一個固定的點上，而是位于零點附近(小于±1 mm)。因此，要實現直線驅動系統的精密位置伺服控制，必須確定零點的初始位置，即通電后首先要進行回零操作。

2．1 硬件電路設計

圖2 直線位移信號檢測電路原理圖

設計的直線位移信號檢測電路板實物照片如圖3所示。實測的正交編碼脈沖及參考點脈沖信號如圖4所示。在圖4中，信號1與信號2為正交編碼脈沖信號，信號3為參考點脈沖信號。

2．2 軟件設計

直線驅動系統的初始位置(參考點脈沖)信號R可通過捕獲單元引腳CAP3捕獲到。在捕獲單元使能后，輸入引腳CAP3上的指定跳變設定為上升沿觸發，指定跳變將所選通用定時器的計數值裝入到相應的FIFO棧的同時，相應的中斷標志位被置位，可通過查詢中斷標志位來判斷是否找到零點。

為了快速找到零點，首先應確定零點位于動子在自由狀態時平衡點的哪一側，然后再反向慢速回零。實現方法是控制直線電機動子從平衡位置沿正方向移動(軸的外伸方向)1 mm，然后通過軟件查詢事件管理器A中的中斷標志寄存器C的CAP3INT標志位是否為1，如為1，說明中斷標志位被置位，捕獲輸入引腳CAP3發生過信號跳變，即發生過中斷事件(此時中斷被屏蔽，不產生中斷請求，僅置位中斷標志位)，從而可確定零點在移動的這一側，否則零點在平衡點的另一側(反向移動重新查詢中斷標志位)。清除CAP3INT的標志位后，控制直線電機反向微量進給，同時查詢CAP3INT標志位是否被重新置位為1，如為1，說明已檢測到零點。初始位置檢測的軟件設計流程圖如圖5所示。

圖3 直線位移信號檢測電路板

圖4 正交編碼脈沖及參考點脈沖信號

2．3 直線位移檢測時相關的寄存器設置

圖5 初始位置檢測程序流程圖

直線電機位置檢測是由DSP的事件管理器A完成的。因此，必須對事件管理器A的功能寄存器進行設置。QEP電路寄存器的設置包括:定時器2的周期寄存器(T2PR);定時器2的計數寄存器(T2CNT);定時器2的控制寄存器(T2CON);捕獲 FIFO狀態寄存器 A(CAPFIFOA);捕獲控制寄存器A(CAPCONA);中斷屏蔽寄存器 B(EVAIMRB)和 C(EVAIMRC);中斷標志寄存器B(EVAIFRB)和C(EVAIFRC)。

3 初始位置檢測試驗

直線電機驅動系統上電后，首先進行回零操作，即找零點初始位置。為了驗證設計的零點初始位置檢測方法的可行性，進行了10次回零操作試驗。軟件設計時，D/A轉換的初始值設為32 768(雙極性輸出對應0 V電壓)，正方向(D/A值增加)標志為1，快速進給增量為100，反向慢速進給增量為2，判斷事件管理器中斷標志寄存器C的CAP3INT標志位。找到零點時，讀取當前D/A轉換寄存器的數字量(該值即為閉環控制時零點的位置控制量輸出初始值)，位置寄存器的位移值。零點的定位誤差即為過零點中斷標志位置時，位置計數寄存器的值與找到零點后位置計數寄存器的值的差值。表1給出了10次回零點時的試驗測量結果(每次找零點之前，動子處于自由狀態)。由試驗結果可知，找零點的定位誤差可控制在±2μm之內。表1中的位移值為找到零點后位置計數寄存器的計數值，D/A值為找到零點后輸出的數模轉換的數字量。

表1 初始位置檢測試驗結果

4 結語

直線直流電機驅動系統的零點初始位置檢測是實現直線電機雙向精密位置伺服控制的關鍵技術，本文以微處理器DSP TMS320F2812為數字控制器，應用其事件管理器實現光柵尺輸出的正交編碼脈沖信號和參考點脈沖信號采集與處理，提供了一種實用的光柵尺直線位移初始位置檢測實現方法。試驗結果表明，該直線驅動系統能實現快速準確的初始位置檢測，有較小的零點定位誤差，具有廣泛的工程實用價值。

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