1　引　言

　　近年來，隨著制造業(yè)的不斷進步，現(xiàn)代制造業(yè)對精密化、化、高速化、自動化發(fā)展的要求越來越高，傳統(tǒng)的運動控制器大部分采用8051系列的8位單片機，這種單片機雖然節(jié)省了開發(fā)周期，但缺乏靈活性，且運算能力有限，難以勝任高要求運作設備。 target="_blank">DSP的數(shù)據(jù)運算和處理功能十分強大，即使在很復雜的控制系統(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與單片機各自優(yōu)勢相結合將是高性能數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 本文針對數(shù)控系統(tǒng)的要求，開發(fā)了以TI公司的高性能浮點DSP和ATMEL公司的AT89C51為主控芯片的運動控制器。 它以嵌入式工業(yè)PC作為基本平臺，通過PCI接口與嵌入式工業(yè)PC協(xié)調(diào)并進行數(shù)據(jù)交換，并以DSP高速運動控制卡作細插補和伺服控制的，來對永磁同步電動機的運動進行控制，取得了良好的應用效果。

　　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、運動控制模塊、彩顯、輸入/輸出模塊、數(shù)控鍵盤、DNC模塊幾部分。為實現(xiàn)高速、高度曲面輪廓精加工，必須提高微段輪廓線的解釋執(zhí)行能力和伺服驅(qū)動特性，為了保證零件程序的傳送、插補、加減速控制等的連續(xù)處理， CNC應具備足夠高的數(shù)據(jù)處理能力。 但普通的PC機在工業(yè)現(xiàn)場控制中，存在體積大、功耗高、可靠性差等缺點。 基于這種情況， 嵌入式工業(yè)微機———PCl04總線模塊應運而生。

　　圖1 HANUC CNC2000i數(shù)控系統(tǒng)結構框圖

　　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)加工時的快速性和性。 運動控制模塊是本系統(tǒng)的，它以智能功率模塊為開關器件，以TMSLF2407 +AT89C51為硬件控制，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后發(fā)出指令控制交流永磁伺服電機，編碼器將實際工作情況通過伺服放大器返回給運動控制模塊，這種閉環(huán)控制模式充分保證了加工度。 通過正、負限位開關防止“飛車”、失控等危險事故發(fā)生。 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的結構如圖2所示。

　　圖2 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)結構圖

　　TMSLF2407是用來實現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、SVP2WM信號發(fā)生、故障檢測、保護、信號處理及實時性比較高的矢量控制和閉環(huán)控制。 用單片機完成實時性要求比較低的管理任務，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、脈沖輸入及通過上位機進行控制等功能。

　　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)動系統(tǒng)中，通常采用數(shù)字脈寬調(diào)制方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬脈寬調(diào)制。而在眾多的脈寬調(diào)制技術中，空間電壓矢量是一種優(yōu)化的PWM技術，能明顯減小逆變器輸出電流的諧波成分及電動機的諧波損耗，降低脈動轉(zhuǎn)矩，且其控制簡單，數(shù)字化實現(xiàn)方便，電壓利用率高，已有取代傳統(tǒng)SPWM的趨勢。

　　脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

　　脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有（ON），要么完全無（OFF）。電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。

　　PWM控制技術以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限，結合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關技術將會成為PWM控制技術發(fā)展的主要方向之一。

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

　　在一個完整的調(diào)制周期Ts 內(nèi)， 除了Tk 和Tk+1的導通時間外， 其余為0 狀態(tài)時間。 0 狀態(tài)時間T0 由兩個自由輪換狀態(tài)時間T7 和T8 用等式表示為

　　T0 =T7+T8 =Ts-Tk-Tk+1 （2）

　　由于0狀態(tài)存在于每一個區(qū)域內(nèi)，一般發(fā)生在每個調(diào)制周期的開始和結束時， 總的0狀態(tài)時間一般分成兩個相同的0狀態(tài)時間，即

　　T7 = T8 =T0/2（3）

　　以便獲得對稱的空間矢量脈寬調(diào)制信號。依據(jù)式（ 1 ） ～ （ 3 ） 可得到對應電壓空間矢量

　　V*Sref在0 <θ<π/3

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

　　類似的方法可以計算出電壓參考信號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時間，如表1所示。

　　圖5 數(shù)據(jù)處理模塊子程序框圖

　　5　實驗研究

　　伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，伺服系統(tǒng)的性能，在很大程度上決定了數(shù)控機床的性能。 本文在一臺HANUC CNC2000 i系統(tǒng)中進行了實驗研究， 給出了其中一軸的伺服性能波形圖。圖8和圖9給出了CNC2000 i系統(tǒng)的加工程序的X 軸交流伺服系統(tǒng)的性能波形， 5個通道分別為速度指令n （單位： r /min） , 反饋速度n （單位： r /min） ,轉(zhuǎn)矩圖形誤差e （% ） ,零偏差U （單位： V） ,定位完成信號S （單位：V） .從實測波形圖中可以看出，該伺服系統(tǒng)具有良好的位置跟蹤性和準確的定位控制度。

　　圖6 總線控制模塊流程圖

　　圖7 參數(shù)管理模塊流程圖

　　6　結　語

　　由于采用單片機與DSP配合，系統(tǒng)的運算和實時處理的能力大大增強，可以適應多坐標軸、高速度、高度的數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)單處理器系統(tǒng)難以實現(xiàn)的功能。 與由單處理器完成所有任務的情況相比，該方法允許較短的插補周期，實現(xiàn)更高的進給和伺服控制度。 并經(jīng)實驗證明該伺服運動控制器反向速度快、定位時間短、轉(zhuǎn)矩恒定，具有良好的線性調(diào)速特性及動態(tài)性能。