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1、第 11卷 第 1期 2006年 2月 哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 JOURNAL HARB I N UN IV.SCI . 2.深圳国际技术创新研究院,深圳518057 ) 摘 要:针对数控加工中心系统的伺服运动控制系统进行了研究 .根据系统高性能要求,采用 AT89C51 +DSP芯片实现伺服运动控制器,并在一台HANUC CNC2000i系统中进行实验研究 ,结果 验证了该伺服运动控制器具有调速范围宽、 高速 、 高精确度 、 动静态性能好等特点. 关键词 :伺服运动控制器; 数字信号处理器; AT89C51 中图分类号: T M33文献标识码: A文章编号 : 1007- 26
2、83 (2006) 01- 0127- 04 De sign of High Efficiency Servo Mo tion Contro ller Ba sed on AT89C51 +DSP XUN Shang2feng 1 , DUN Kun2mei 1 , WAN X iao2jian 2 , D ENG Hao 1 ( 1. Electrical 2.ShenzhenTech - innovation International, Shenzhen518057, China) Abstract: This paper is to research the servo control
3、 unit of themachining centers . A servomotion controller basedon AT89C51 +DSP is used in order to be more efficient and accurate . The result of an experiment on the CNC2000i syste m indicates that the syste m can realize thewide rangeof s peed regulation, high s peed control, good dyna m ic and sta
4、tic characteristics . Key words: servomotion controller; DSP; AT89C51 收稿日期: 2005 - 06 - 13 作者简介:荀尚峰(1981 - ) ,男,哈尔滨理工大学硕士研究生. 1 引 言 近年来 ,随着制造业的不断进步,现代制造业对 精密化、精确化、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,难以胜任高要求运作设备 1 . DSP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
5、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协调并进行数据交 换 ,并以 DSP高速运动控制卡作细插补和伺服控制 的核心 ,来对永磁同步电动机的运动进行控制,取得 了良好的应用效果. 2 HANUC CNC2000 i系统 HANUC CNC2000i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
6、显 、 输入 /输出模块、 数控键盘、 DNC 模块 2 几部 分 . 为实现高速 、 高精确度曲面轮廓精加工,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. 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 和精确性 .
7、 因为 ,在加工的时候,缓存内的数据段直 接和后续的译码程序相关联,所以缓存的容量越大, 所存储的程序越多,执行起来也越快,并且还能进行 小线段插补,充分保证了加工的精确度.与其相连的 DNC模块可通过RS232接口与上位机通信,使得整 个系统具有良好的开放性. 运动控制模块是本系统的核心,它以智能功率 模块为开关器件 ,以 T MSLF2407 +AT89C51 为硬件 控制核心,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 式充分保证了加工精确度. 通过正 、
8、 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结构如图2所示 . T M S LF2407 是用来实现电流环、 速度环 、 S VP2 WM 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 . FPG A 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进行 控制等功能. 3 空间电压矢量脉宽调制原理 3 在全数字控制的交流伺服驱动系统中,通常采
9、 用数字脉宽调制方法来代替传统的模拟脉宽调制. 而在众多的脉宽调制技术中,空间电压矢量是一种 优化的P WM 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SP WM 的趋势 . 在本文中, Tk和Tk+ 1分别为在逆变器相邻两 个工作状态Vsk和Vsk + 1下的导通时间,表示为 Tk= 3Ts VDC V 3 ssin k 3 -V 3 scos k 3 Tk +1= 3Ts VDC V 3 scos ( k - 1) 3 -V 3 ssin ( k - 1) 3 (1) 在 一 个 完 整 的 调
10、 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 3 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V 3 Sref在其 他 5区域内双边空间矢量脉宽调制的三相
11、逆变器开 关时间,如表 1所示. 821哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 第 11卷 921第 1期荀尚峰等 :基于 AT89C51 +DSP的双CPU伺服运动控制器的研究 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系统中进行 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CNC2000i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/m in) ,反馈速度n(单 位 : r/ min)
12、,转矩图形误差e( %) ,零偏差U(单位 : V ) ,定 位完成信号S(单位 :V) 7 . 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精确度. 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,可以适应多坐标轴、 高速 度 、 高精确度的数控系统,实现单处理器系统难以实 现的功能 .与由单处理器完成所有任务的情况相比, 该方法允许较短的插补周期,实现更高的进给和伺 服控制精确度. 并经实验证明该伺服运动控制器反 向速度快 、 定位时间短、 转矩恒定,具有良好的线性 调速特性及动态性能. 参 考 文 献 : 1 秦 忆.现代交流伺
13、服控制系统M .武汉:华中理工大学出版社, 1995. 2 固高公司. GT - 400 - S V四轴运动控制器手册 Z. 2001. 3 杨贵杰,孙 力,崔乃政,陆永平.空间矢量脉宽调制方法的研究 J .中国电机工程学报,2001 (5) : 79 - 83. 4 AT89C51 U sers Guide Z.Atmel Corporation, 2000. 5 TMS320LF2407 U sers Guide Z.Texas Instruments, 2001. 6 刘和平,王维俊,江 渝,等, TMS320LF240x DSP C语言开发应用M .北京:北京航空航天大学出版社,2003. 7 Fuji Electric FA Components&Syste m sCo . ,L td. FALD IC - W SeriesU sersManual Z.Fuji Electric FA Components&SystemsCo. , Ltd, 2004. (编辑 :王 萍 ) 031哈 尔 滨 理 工 大 学 学 报 第 11卷