引 言
运动控制器是数控系统的控制核心，其控制功能的强弱、控制性能的优劣直接关系着数控系统的加工质量与加工效率。国外先进的伺服运动控制器大都采用Tumizuka提出的零相位误差跟踪控制器(ZPETC)，同时，为了克服系统模型不确定和干扰引起的跟踪误差，引入了干扰观测器(DOB)，鉴于国内研发的直流伺服运动控制器尚没有广泛应用上述研究成果，本文针对雕刻机进行2维直流伺服控制器的硬件设计时，在吸收和消化国外技术的基础上，设计了一种结构简单、算法先进的2维直流伺服实时运动控制器，反复实验说明运动控制器具有运行稳定、跟踪精度高、加工速度快的特点，投人生产后将大幅提高国产雕刻机的性价比和市场竞争力。
1 雕刻机用直流伺服控制器硬件设计
1.1 直流伺服雕刻机系统结构
所研发的直流伺服雕刻机系统结构图如图1所示。上位机(根据插补算法的复杂程度选用相应的处理芯片，如51系列单片机或DSP)根据雕刻软件生成的轨迹坐标按照一定插补算法给出离散参考速度信号，并通过串口实时传送给直流伺服运动控制器。运动控制器根据给定的 轴和y轴参考速度信号(通过离散积分即可得到参考位移信号)，结合编码器反馈回的X轴和y轴实际位移输出，经ZPETC控制器、PD控制器和干扰观测器于一体的直流电动机伺服控制算法算出X轴和y轴两组PWM信号。这两组PWM信分别用来触发X轴和Y，轴电机的功率驱动模块(L6203)，控制雕刻机的X轴和Y轴电机运行来完成实际加工任务。
1.2 控制芯片选择
针对2维雕刻机加工平台的特点，上位机一次刻绘复杂图形轮廓经插补算法将生成数据总量达几十兆甚至更多兆的参考速度信号。如果运动控制器一次性接收完所有的参考速度信号再生成PWM信号后驱动电机开始雕刻加工，不但需要外扩相当容量的RAM来保存临时数据，而且也增加了系统硬件成本和复杂程度，同时，接收数据也会消耗数分钟甚至更长的时间，从而降低了系统的加工效率。
为了降低系统硬件成本，提高加工效率，运动控制芯片必须具备完成实时控制的能力，即在接收参考速度信号的同时就生成PWM信号驱动电机开始雕刻加工任务，这就要求控制芯片在完成复杂运动控制算法的同时还要有足够的时间来接收实时参考速度数据。本文选用TMS320C2812型32位定点DSP作为直流伺服运动控制器的控制芯片。该芯片主频高达150 MHz，内含的128 k×16位Flash存储器可用来存放运动控制程序。片内18 k×16位的SRAM可用来存放少量的实时参考速度信号和控制算法中需要的中问变量。如图1所示的片上异步串口通信(SCI)模块加上外扩的异步串口收发器(MAX3160)可用来实时接收上位机的参考速度信号，传输速率高达1 Mbps。
事件管理器(EV)模块上的正交编码脉冲单元(QEP)可用来实时接收编码器的反馈位移信号。比较器单元可硬件生成驱动电机的PWM信号。综上所述，一片TMS320C2812芯片再加上3片外围器件(电源芯片，异步串口收发器， 电平转换芯片)就可组成一个完整的直流伺服运动控制器，较好地解决了系统的控制性能与硬件成本及复杂程度之间的矛盾。
1.3 反馈位移检测
为实现位置闭环控制算法，运动控制器需实时检测执行电机输出的实际位移信号。TMS320C2812每一个事件管理器模块(EVA/EVB)都有一个正交编码脉冲(QEPA/QEPB)电路[4]。选择引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2作为轴电机编码器信号输入口，引脚CAP3/QEP3和CAP4/QEP4作为l，轴电机编码器信号输入口。正交编码脉冲输入单元(QEP)能对脉冲前后沿进行计数，并可根据两路脉冲的相序关系确定计数方向。内部定时(计数)器12、T4分别用来作为QEPA和QEPB的计数器。和T4的控制寄存器初始值设为0x1870，即其计数模式为定向增/减模式，并由QEP电路生成计数方向信号。由于QEP逻辑为计数器2(或4)产生的时钟频率是每个输入脉冲序列的4倍，而系统所选编码器的脉冲当量为25m，故本系统中计数器的脉冲当量为6.25μm。另外，编码器输出的是5V电平信号，需要经过SN74CBTD3384C芯片转换为3.3V电平信号再送到DSP的编码器输人引脚。
值得注意的是在系统初始化时或每个控制周期读取计数寄存器(T2CNT或T4CNT)值后需要将其复位到0xTFFF。这样做的目的有两个：一是防止系统启动时计数器溢出(如T2CNT设为0而计数方向为减)，二是防止系统连续单向运行时累计的位移脉冲当量超过计数器计数范围而溢出。将计数器复位到0x7FFF后，只需要满足每个控制周期的脉冲增(减)量不超过0x7FFF即可保证计数器不溢出，降低了计数器对 X—y轴运动范围的限制。系统的当前位移可通过软件将每个控制周期检测出的位移增(减)量累加得到。
1.4 功率驱动和保护
雕刻机的直流伺服执行元件选用9234C130一R5系列直流伺服电机，其额定电压为19.1V，电枢电阻为1.89Q，最大转速可达6000r/min，最大工作电流约为10A。选用L6203作为电机功率驱动模块，其最大工作电压48V，峰值电流可达5A。该芯片及其外围电路图见图2。
直流电机的传递函数可简化为：
式(1)可表示为：
式中，J为等效转动惯量，B为等效粘性摩擦系数。
以X轴为研究对象，根据系统的阶跃响应实验测得：Js =3.35×10-4V/(mm/sec2 )，B =1.5×10-2(mm/sec2)，正向启动电压约为2.8 V。当系统直流电源提供最大电压20 V且系统达到稳态时，实测出电机稳态速度约为1320 mm/s，验证了的正确性。升速时峰值电枢电流实测为ia≈ 4.6 A，稳态时ia≈ 0.52 A， 上升时间г≈ 0.8 S，此时系统提供最大加速度约为1.68 g。为保证系统跟踪及时性且模块L6203及电机工作电流正常，实际设定系统加速度为1.2 g。当电机运行加速度超出一定范围时(电机赌转或被人为加速超出一定范围)，可通过反馈速度测量出电机实际输出加速度。系统软件设计限制加速度a<2g，实际单轴加速度a>2g时作为故障处理，以保护执行电机与L6203芯片工作在正常电流范围。
L6203的5脚7脚分别为H桥的两路PWM脉冲控制信号的输入接口。两路脉冲信号相互补。即当5脚脉冲信号为高电平时，7脚则为低电平，此时电机电枢电压为正，反之为负。1脚为L6203使能工作信号。当1脚接入逻辑高电平时，L6203为使能工作状态。为实现该雕刻机控制系统故障保护功能，此系统的复位信号包括手动复位和软件复位且都与DSP的复位引脚相连，从而实现对DSP的复位操作，保证系统的正常工作。软件复位(通过向特定地址写低电平经译码后送复位端)，当系统数据传送错误或雕刻机刀具碰到架台的左右限位器，复位信号以逻辑低电平形式输给1脚使得H桥置于续流态，执行电机迅速停机。
2 实验结果及分析
为设计的雕刻机直流伺服系统，干扰观测器采用3阶低通滤波器，选取г=0.004，PD控制器参数经仿真和实验反复校核取为Kp=110和Td=0.29214。非线性摩擦补偿模型经反复实验选取参数为：Uc+ =2.8 V、Uc一= 一1.7 V，设计的ZPETC为：
虽然控制器中各个模块的参数仅示出了X轴电机的控制器参数，轴电机控制器的设计过程和方法完全相同。
以雕刻机加工半径为10 mm圆的 轴参考位移信号为例，见图3。图4的实验结果表明，传统仅含PID控制的控制器跟踪误差最大达75 m。所设计的集ZPETC控制器、PD控制器和干扰观测器于一体的2维直流伺服实时运动控制器最大跟踪误差已实现控制在20 Ixm以内，见图5。
图5 二维直流伺服运动控制器X轴实验跟踪误差
3 结 论
本文将集ZPETC控制器、PD控制器和干扰观测器于一体的运动控制算法应用到雕刻机2维直流伺服实时运动控制器中，采用TMS320C2812型32位定点DSP作为控制核心，实时承担接收数据，检测反馈位移，完成复杂运动控制算法，生成PWM信号和保护信号等功能，并结合专用直流电机功率驱动模块L6203完成了运动控制系统的硬件设计。实验结果表明，设计的2维直流伺服实时运动控制器具有结构简单、实时性强、跟踪性能良好的特点，有望在高档数控雕刻机产品中得到广泛应用。
