基于AT89C51+DSP的雙CPU伺服運(yùn)動(dòng)控制器的研究

　　1　引　言

　　近年來(lái),隨著制造業(yè)的不斷進(jìn)步,現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)精密化、精確化、高速化、自動(dòng)化發(fā)展的要求越來(lái)越高,傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器大部分采用8051系列的8位單片機(jī),這種單片機(jī)雖然節(jié)省了開發(fā)周期,但缺乏靈活性,且運(yùn)算能力有限,難以勝任高要求運(yùn)作設(shè)備[ 1 ] .DSP的數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理功能十分強(qiáng)大,即使在很復(fù)雜的控制系統(tǒng)中,其采樣周期也可以取得很小,控制效果可以接近于連續(xù)系統(tǒng). 把DSP與單片機(jī)各自優(yōu)勢(shì)相結(jié)合將是高性能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì). 本文針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求,開發(fā)了以TI公司的高性能浮點(diǎn)DSP和ATMEL公司的AT89C51為主控芯片的運(yùn)動(dòng)控制器. 它以嵌入式工業(yè)PC作為基本平臺(tái),通過(guò)PCI接口與嵌入式工業(yè)PC協(xié)調(diào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,并以DSP高速運(yùn)動(dòng)控制卡作細(xì)插補(bǔ)和伺服控制的核心,來(lái)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制,取得了良好的應(yīng)用效果.

　　2　HANUC CNC2000 i系統(tǒng)

　　HANUC CNC2000 i系統(tǒng)控制框圖如圖1所示,系統(tǒng)主要包括嵌入式PC、操作面板、運(yùn)動(dòng)控制模塊、彩顯、輸入/輸出模塊、數(shù)控鍵盤、DNC模塊幾部分.為實(shí)現(xiàn)高速、高精確度曲面輪廓精加工,必須提高微段輪廓線的解釋執(zhí)行能力和伺服驅(qū)動(dòng)特性,為了保證零件程序的傳送、插補(bǔ)、加減速控制等的連續(xù)處理, CNC應(yīng)具備足夠高的數(shù)據(jù)處理能力. 但普通的PC機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制中,存在體積大、功耗高、可靠性差等缺點(diǎn). 基于這種情況, 嵌入式工業(yè)微機(jī)———PCl04總線模塊應(yīng)運(yùn)而生.

圖1 HANUC CNC2000i數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　本系統(tǒng)的嵌入式PC采用Intel80486處理器,內(nèi)置32M緩存,MS - DOS操作系統(tǒng). 與傳統(tǒng)的工業(yè)PC相比,其32M緩存保證了數(shù)控系統(tǒng)加工時(shí)的快速性和精確性. 因?yàn)?在加工的時(shí)候,緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)段直接和后續(xù)的譯碼程序相關(guān)聯(lián),所以緩存的容量越大,所存儲(chǔ)的程序越多,執(zhí)行起來(lái)也越快,并且還能進(jìn)行小線段插補(bǔ),充分保證了加工的精確度. 與其相連的DNC模塊可通過(guò)RS232接口與上位機(jī)通信,使得整個(gè)系統(tǒng)具有良好的開放性.運(yùn)動(dòng)控制模塊是本系統(tǒng)的核心,它以智能功率模塊為開關(guān)器件,以TMSLF2407 +AT89C51為硬件控制核心,采用空間矢量控制方法. 它發(fā)出控制命令給伺服放大器,伺服放大器得到信號(hào)后發(fā)出指令控制交流永磁伺服電機(jī),編碼器將實(shí)際工作情況通過(guò)伺服放大器返回給運(yùn)動(dòng)控制模塊,這種閉環(huán)控制模式充分保證了加工精確度. 通過(guò)正、負(fù)限位開關(guān)防止“飛車”、失控等危險(xiǎn)事故發(fā)生. 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　TMSLF2407是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、SVP2WM信號(hào)發(fā)生、故障檢測(cè)、保護(hù)、信號(hào)處理及實(shí)時(shí)性比較高的矢量控制和閉環(huán)控制. 用單片機(jī)完成實(shí)時(shí)性要求比較低的管理任務(wù),如I/O接口管理、鍵盤處理、顯示、串行通訊等. FPGA 用于AT89C51與DSP之間的數(shù)據(jù)交換. 且系統(tǒng)可支持模擬速度輸入、數(shù)字速度輸入、脈沖輸入及通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行控制等功能.

　　3　空間電壓矢量脈寬調(diào)制原理

　　在全數(shù)字控制的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,通常采用數(shù)字脈寬調(diào)制方法來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬脈寬調(diào)制.而在眾多的脈寬調(diào)制技術(shù)中,空間電壓矢量是一種優(yōu)化的PWM技術(shù),能明顯減小逆變器輸出電流的諧波成分及電動(dòng)機(jī)的諧波損耗,降低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩,且其控制簡(jiǎn)單,數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方便,電壓利用率高,已有取代傳統(tǒng)SPWM的趨勢(shì).

　　在本文中, Tk 和Tk+1分別為在逆變器相鄰兩個(gè)工作狀態(tài)Vsk和Vsk+1下的導(dǎo)通時(shí)間,表示為

　　在一個(gè)完整的調(diào)制周期Ts 內(nèi), 除了Tk 和Tk+1的導(dǎo)通時(shí)間外, 其余為0 狀態(tài)時(shí)間. 0 狀態(tài)時(shí)間T0 由兩個(gè)自由輪換狀態(tài)時(shí)間T7 和T8 用等式表示為

　　T0 =T7+T8 =Ts-Tk-Tk+1 (2)

　　由于0狀態(tài)存在于每一個(gè)區(qū)域內(nèi),一般發(fā)生在每個(gè)調(diào)制周期的開始和結(jié)束時(shí), 總的0狀態(tài)時(shí)間一般分成兩個(gè)相同的0狀態(tài)時(shí)間,即

　　T7 = T8 =T0/2(3)

　　以便獲得對(duì)稱的空間矢量脈寬調(diào)制信號(hào).依據(jù)式( 1 ) ～ ( 3 ) 可得到對(duì)應(yīng)電壓空間矢量

　　V*Sref在0 <θ<π/3

　　扇區(qū)內(nèi)雙邊空間矢量脈寬調(diào)制的逆變器開關(guān)信號(hào),如圖3所示.

　　類似的方法可以計(jì)算出電壓參考信號(hào)V*Sref在其他5區(qū)域內(nèi)雙邊空間矢量脈寬調(diào)制的三相逆變器開關(guān)時(shí)間,如表1所示.