基于DSP的精密直线驱动伺服单元

基于DSP 的精密直线驱动伺服单元
清华大学　周惠兴　王先逵
摘要　介绍了用于椭圆活塞数控车削用的直线伺服机构及该机构与DSP 处理器构成的直线伺服单元。

给出了该伺服单元的应用实例。

关键词　直线驱动　椭圆活塞　DSP 处理器
1　引言
直线伺服单元是指由直接驱动直线电机和伺服驱动器构成的可控的执行机构。

类似于交流或直流伺服
单元,加上一控制板和相应的控制软件,即可构成直线伺服进给系统。

与旋转电机和丝杠螺母构成的直线进给系统相比,它无背隙、机械摩擦小、易控制、易实现高速运动。

小功率直线电机已经在磁盘驱动器、精密仪器仪表等场合得到广泛应用;对于机床的进给驱动,由于受到直线电机推力、结构和控制等方面因素的限制,其应用还不多见。

本文介绍的直线伺服单元是针对椭圆活塞的数控车削而设计的,在活塞进行数控车削时要求刀具在工件的径向作快速运动,以跟踪复杂的活塞型面。

为提高跟踪的速度和精度,一方面必须研制新型的高速精密直线伺服进给机构[1][2]
,另一方面必须采用新型的控制算法和高速处理器。

2　直线伺服电机结构
活塞径向尺寸的变化通常小于1mm ,因此对用于活塞数控车削的直线伺服执行机构其可控是大行程可定为1m m 。

基本结构可采用电磁式位移机构和动圈式结构,动圈式直线电机结构简单、控制方便。

图1给出
了单线圈单气隙电机磁路的结构。

对于径向充磁的磁路,可采用圆柱型结构,环形磁体漏磁小,
线圈利用率图1　单线圈单气隙结构
高,但制造成本也高;轴向充磁的磁路成本最低,它对设计和安装有更高的要求。

单线圈单气隙磁路结构的直线电机,其推力
常数一般设计在小于30N /A ,最大推力小于350N 。

对于大推力场合,单线圈结构已不能满足要求,否则径向尺寸会很大。

笔者在一般简单轴径向磁路结构
的基础上,研究开发了多气隙多磁体的组合驱动结构。

对于两组合的磁路如图2所示。

其推力常数一般可做到单结构磁路的两倍或更高,而径向尺寸不变,这对电机在车床上的安装十分有利。

这种结构其推力常数可达到100N /A ,最大推力大于1000N ,它适合于数控车削活塞靠模、
非圆加工和驱动精密工作台。

图2　组合磁路结构
3　DSP 控制的伺服单元
3.1　DSP 及其控制器
DSP (Digiral Signal Pr ocessor )是一适合于对数字信号进行处理的高速处理器,为提高速度,其内部采用了并行处理的多总线结构,一条32位数的乘加指令,其执行周期均为纳秒级。

DSP 最初是用于通讯和语音处理,但在控制方面也得到了广泛的应用。

国外高性能的交直流伺服系统,除采用一些专用芯片外,大量采用DSP 处理器作为控制部件。

目前在国内使用较多的是美国德州仪器公司的TI 系列DSP 处理器和AD 公司的ADSP 系列DSP 处理器。

对于在80年代晚期出现的第三代产品T M S320C30处理器。

其主要特性为:(1)具有60ns 单周期指令时间;(2)定点操作16.7M IPS ,浮点33.3M /S ;(3)32位数据总线、24位地址总线;4k 字在片ROM 、2k 字在片RAM 、64字在片Cache;(4)32为定点和40位浮点乘法器;(5)大部分指令为单周期,且支持二和三操作数指令。

从上面的
简介,可以了解到DSP 的高速特性。

设数控车削铝合金椭圆活塞时,其主轴转速为v ,假设主轴每转采样n 点,则要求的采样周期为
T =6×107
n 1024v
( s)
(1)
・
23・1998年第1期
国家自然科学研究基金资助项目,项目号59675066。

如n=1024,v=1200r/min,则T约等于50 s。

如果用于A/D和D/A转换的时间为15 s,则实际用于计算的时间为35 s。

对于8098单片机仅能完成约16条指令,而对于T MS320C25能完成350条乘加指令,基本可完成一些控制算法。

由于DSP具有流水线的指令方式,在单一周期内可完成几种操作,指令十分简练,十分适合于实时控制。

对于PID控制算法,其控制量的表达式为
u(t)=k p e(t)+k i∫e(t)d t+k d d e(t)d t(2)式中u(t)为控制量,e(t)为误差值,k p、k i、k d分别为PID控制器的比例、积分和微分系数。

将上式离散化,并构成增量表达式得
u(n)=u(n-1)+k1e(n)+k2e(n-1)+
k3e(n-2)(3)其中
k1=k p+k i+k d　k2=k p+2k d　k3=k d(4) 实际运行时,k1、k2和k3是据先给出的k p、k i和k d 系数在控制循环外计算出;用T M S320C25编制实时中断服务程序计算(3)式,仅需11行指令程序,13个时钟周期就可完成计算。

当时钟为40M时,计算时间约为1.2 s。

DSP非常适合于实时处理,并可快速实现复杂的控制算法;另外,DSP与主机接口方便,可采用中断、查询、双端内存、DM A等方式与主机交换信息; DSP板可直接置于工控机插槽内,也可脱机独立运行。

应用DSP不仅提高了计算速度,也提高了系统的总体性能指标。

3.2　控制系统
上述的动圈式直线电机可简化为下面的控制模型
G(s)=
k t
R(Ms2+k m s+k s)+k t k s s
(5)
式中　k i——线圈的反电势系数,V・s/m
k m——直线电机机械阻尼系数,N・s/m
k s——机械支承弹性系数,N/m
k t——直线电机推力常数,N/A
M——直线电机运动部分质量,kg
R——线圈的内阻,
它是二阶系统,其系数可通过实验求得,也可通过模式识别的方法进行辨识。

由DSP构成的数字式直线伺服单元控制系统如图3所示。

图中由虚线框出的部分为电机和功放输出执行部分,其传递函数为上述的G(s);其余部分则是由DSP处理器、D/A、A/D和变换电路构成的控制板硬件。

其工作过程是:DSP首先从主机获取期望的跟踪值,然后通过两个A/D转换器求得当前点的位置和速度值,计算当前位置误差;DSP根据位置误差向量和速度值计算出当前的控制量;接着,将该控制量送功率放大器,其输出驱动直线电机;然后,当前位置和速度再由传感器测出,经变换再经A/D送入DSP,则进入下一闭环控制周期。

这里,DSP完成了控制器的所有计算量,在D/A和A/D确定的情况下,它的计算速度就决定了系统的最大采样频率,而采样频率对系统的控制品质具有重大影响。

图3　伺服单元控制系统图
4　应用
目前研制的基于DSP的直线伺服单元,主要用于椭圆活塞和椭圆活塞靠模以及非圆轴类零件的数控车削加工[3]。

系统的主要性能指标为:(1)直线位移行程1mm;(2)系统分辨率0.5 m;(3)推力常数30～84 N/A;(4)最大推力300～840N;(5)跟踪信号频率大于40～100Hz。

当工件旋转时,刀具作相应的进退运动,其关系式如下
x()≈
a-b
2
(1-sin)(6)式中,a,b为椭圆的长短轴,a-b b;为工件旋转角度。

式(6)表示直线伺服单元输出信号相当于正弦信号,要求直线伺服单元能无误差地快速跟踪正弦曲线。

直线伺服单元除应用于上述的刀具和工作台的高速微动进给外,还可用作频率和幅值以进行实时调节的可控的激振源。

由于它的快速性和可控性,也可以作为大型结构、管网、空间机构振动控制中的主动控制抑制执行器。

参考文献
1　丰田机工.CNC高速非真圆创成加工系统.应用机械工学,1991
(12)
2　Wang Xiank ui et al..Experimrn tal Res earch on th e Linear M otor M icro-feed Device w ith High Frequency Respon se.Long T ravel and High Accu racy.Ann als of the CIRP,1991,40(1)
3　周惠兴,王先逵等.内燃机异型活塞型面的高速数控车削.先进制造技术会议论文集.北京:机械工业出版社,1996.
第一作者:周惠兴,北京市清华大学1号楼337室,邮编:100084
(编辑　刘茹贵)
(收修改稿日期:1997-06-10)
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24
・《制造技术与机床》。