PMAC控制下的高精度轉臺雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)設計與調試

PMAC 是一個開放式的運動控制器，它有多種型號，系統(tǒng)使用的是TURBO PMACⅡ型卡，該卡在國內的使用不多。用PMAC控制轉臺閉環(huán)伺服系統(tǒng)，從理論上來講，伺服環(huán)內各元件誤差以及運動中造成的誤差都可以得到補償，因而可以達到很高的跟隨精度和定位精度，但由于受機械變形、溫度變化、振動及其它因素的影響，要實現高精度、良好的穩(wěn)定性和快速的動態(tài)響應特性，閉環(huán)系統(tǒng)的調試有一定的難度。就PMAC 控制的轉臺閉環(huán)系統(tǒng)進行調試過程中遇到的幾個問題進行分析，并提出解決辦法，以供大家借鑒。

1 伺服系統(tǒng)的設計

1.1 PMAC 概述

美國DeltaTau 公司的可編程多軸運動器（PMAC）是世界上功能強大的運動控制器之一，它借助于Motorola 的DSP56001/56002 數字信號處理器，可以同時操縱1～8 個軸。而且它還可以自動對任務進行優(yōu)先等級判別，從而進行實時的多任務處理，這使得它在處理時間和任務切換這方面大大減輕主機和編程器的負擔，提高了整個控制系統(tǒng)的運行速度和控制精度。PMAC 具有開放平臺，不僅可以用G 代碼，而且可以用C 或BASIC 語言編程，它能夠對存儲在它內部的程序進行單獨的運算，執(zhí)行運動程序、PLC 程序，并可進行伺服環(huán)更新，并以串口、總線兩種方式與主計算機進行通訊。

1.2 轉臺控制系統(tǒng)設計

該控制系統(tǒng)由PC（上位機）、PMAC 控制器（下位機）、Dynaserv驅動器、PARK 的高精度旋轉工作臺、測量與反饋系統(tǒng)組成。其控制原理，如圖1 所示。PARK 的高精度旋轉工作臺與一般工作臺不同，它的電機是無刷直接驅動電機，回轉工作臺的臺面是電機的轉子，沒有了傳動機構，這樣就減少了傳動誤差。該系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)中執(zhí)行機構采用的是直接驅動電機，其雙閉環(huán)系統(tǒng)不同于通常的雙閉環(huán)，其速度環(huán)和位置環(huán)共用圓光柵位置反饋信號，內環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)由速度控制單元、F/V 轉換、速度反饋電路組成，它可以實現速度恒值控制。位置環(huán)由PMAC 中位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及位置反饋電路組成。

圖1 轉臺伺服系統(tǒng)結構原理圖

由于沒有了傳動機構，因此安裝在轉子上的圓光柵所反饋的值既反映了轉臺的實際位置，又反映了電機的輸出，速度環(huán)中該值通過F/V 轉換成速度量，F/V 轉換是通過計數的頻率來轉換成模擬電壓（一般是以25kHZ/V 的速率轉換）。反饋信號是增量式A/B 相正交脈沖信號?？刂妻D臺的是PMACⅡ型卡，系統(tǒng)中的圓盤光柵尺精度高，可達655360 線/轉，當PMAC 四倍頻后，其分辨率可達到2621440 脈沖數/轉。

2 系統(tǒng)調試

對雙閉環(huán)系統(tǒng)的調試，不但要對控制卡進行參數設置，而且要對驅動器進行參數設置，系統(tǒng)調試中會遇到很多問題，本節(jié)只就其中幾個問題進行分析討論。

2.1 轉臺單方向漂移的問題

在完成系統(tǒng)連接后，我們用PMAC 的調試軟件Pewin32 進行調試，上電后，轉臺開始出現單方向漂移的現象：轉臺沿順時針方向以很小的速度移動。在設置了常用的PMAC 參數后，單方向漂移問題仍然存在。

為解決這個問題，我們對有可能的原因一一分析。首先我們懷疑是硬件系統(tǒng)連接引起的，在核對控制線路圖、重新檢查硬件連線后該現象仍然存在。然后我們懷疑是驅動器的設置有問題，由于在出廠前其驅動器dynaserv 可能設置了一些參數，為此，我們用park 自帶的調試軟件DRVGⅡ進行調試，上電后，轉臺沒有出現單方向漂移的現象。由此可以推斷出不是驅動器參數設置的問題，而確定為PMAC 與轉臺之間的匹配或PMAC 參數設置的問題。經仔細查找，發(fā)現編碼器I 變量I7mn6（轉臺軸對于伺服卡號m 為2，通道數n 為4，即為I7246）的設置有可能不正確，I7mn6是控制TURBOPMACⅡ型卡中編碼器接口通道n 的命令輸出信號線的輸出模式，該變量的值可?。?～3），默認值是0，表示第n 通道編碼器信號A、B 和C 是三相直流PWM（脈寬調制）格式輸出。而該系統(tǒng)的編碼器AB 相輸入信號要經數模轉換后輸出，其對應的I7246 設置為3，z 重新設置后，單方向漂移問題得到了解決。

2.2 閉環(huán)后轉臺漂移問題

在Pewin32 中讓轉臺閉環(huán)手動運行，用“j/”結束運行后，轉臺不能完全停止，而是沿著某個位置來回的漂動，通過編碼器反饋顯示，其漂動值在±100 個脈沖左右。執(zhí)行“HM”命令使轉臺回零，回零運動也不能完成，出現同樣的現象。將手放在轉臺上能夠感知到轉臺在左右抖動。在開環(huán)運行時沒有這種情況出現。

根據以上的現象，排除系統(tǒng)連接引起的故障，初步得出是轉臺閉環(huán)系反饋引起的漂移。由于我們的調試環(huán)境不是很好，首先我們想到的是電磁干擾引起編碼器的讀數不準確，從而使得伺服系統(tǒng)驅動轉臺一直在目標位置左右來回移動。但我們在沒有給電機使能時，通過Pewin32 觀察編碼器反饋顯示，其值穩(wěn)定，如果電磁干擾能引起編碼器的輸出不確定，則電機沒有使能時，編碼器反饋顯示應不穩(wěn)定，故排除了環(huán)境影響引起故障。在尋求技術支持時，產品供方提出有可能是驅動器內硬件濾波器引起。但經分析，因為濾波器應該是必須的，覺得硬件濾波器引起的可能性不大。最后還是回到PMAC 控制上來考慮，PMAC 與轉臺之間的匹配沒有設置正確。經過認真的分析排除，最后得出有可能是伺服IC 的I 變量設置不正確，I7mn0，它是控制在TURBO PMACⅡ型卡中伺服IC 號為m，通道數為n 上的編碼器輸入信號如何譯碼成脈沖數。轉臺對應的是變量是I7240：伺服IC2、4 通道編碼器譯碼，其值可取0～15，默認設置是7，指四倍頻反時針譯碼。在正交譯碼模式中，PMAC 希望在CHA 和CHB 有兩路波形輸入，每一路能有大約50％的占空比，且彼此之間有大約四分之一周期的相差，四倍頻譯碼使每一個周期提供四個脈沖數，我們一直認為設置為7 沒有錯，因為需要四倍頻譯碼后獲得最大的分辨率。