王秋平，張熹彥

(1.常州亞美柯寶馬電機有限公司，江蘇 常州 213072;2.上海瀾起科技有限公司，上海 200012)

0 引言

自整角機在自動化設(shè)備中是用作同角度旋轉(zhuǎn)的電機，不過它并非用機械軸連接兩電機，而是通過電傳動。通常一個電機作為發(fā)送機發(fā)送電信號，另一個成為接收機，按接收的信號旋轉(zhuǎn)相應(yīng)機械角度，從而達到驅(qū)動控制目的。隨著高速處理器的不斷進步，可采用DSP進行角度檢測和電機轉(zhuǎn)子信號的發(fā)送，如圖1所示。

采用TMS320F28335 DSP作為控制核心(參見:TMS320F/C24x DSP Controllers Reference Guide，CPU and Instruction Set.Literature Number:SPRU 160C，June1999)，該DSP芯片具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達18路的PWM 輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)，12位16通道 ADC。與前代 DSC 相比，平均性能提升50%，并與定點C28x控制器軟件兼容。

圖1 用DSP為核心的虛擬電機作發(fā)送機示意圖

目前數(shù)控機床存在的問題是:當(dāng)機床斷電后，一旦工作臺被移動，那么開機后就要重新對基準(zhǔn)。即使采用對機械原點的方法再來找基準(zhǔn)，也是間接的，會產(chǎn)生一定的誤差。用DSP進行轉(zhuǎn)子信號的發(fā)送，可以實現(xiàn)數(shù)字信號儲存、記憶。這種能作數(shù)字信號儲存、記憶的自整角機可理解為一種虛擬式自整角機。

1 虛擬自整角機原理

數(shù)控機床中利用自整角機作進給驅(qū)動［1-2］，其中一個是實型自整角機(接收機)，另一個是虛擬自整角機(發(fā)送機)。虛擬自整角機可利用CNC的部分資源來實現(xiàn)。

當(dāng)實型機的相位與虛擬機的相位發(fā)生偏差時(如圖2所示)，虛擬機的三相全橋輸出板與實型機之間就會產(chǎn)生電流，該電流使實型機旋轉(zhuǎn)，直至與虛擬機的相位差回歸為零。在這里，虛擬機相當(dāng)于位置給定，其相位受CNC控制，虛擬機的相位確定了就等于確定了進給位置，機床斷電后，CNC自動將保存的虛擬機相位信息保存到存儲器中，開機后還原并輸出到虛擬機三相全橋輸出板，便可讓進給電機自動回到原來的角度上。

圖2 自整角機的進給系統(tǒng)

2 實現(xiàn)方法

2.1 相位信號存取

隨著機床的運行，將虛擬機轉(zhuǎn)子相位信號隨時記錄在RAM中，并利用TMS320F28335內(nèi)部的多路模擬電子開關(guān)交替接通，再逐個進行A/D變換，得到轉(zhuǎn)子電流的數(shù)字相位信號。斷電時，數(shù)字相位信號保留在存儲器中，下次來電時從存儲器讀取相位信息。

2.2 虛擬機的轉(zhuǎn)子輸出

數(shù)字相位信號通過PWM送到三相全橋輸出板轉(zhuǎn)換成虛擬機的轉(zhuǎn)子信號，實現(xiàn)對實型機的相位校準(zhǔn)。這里最主要的是虛擬機轉(zhuǎn)子輸出的實現(xiàn)問題。可以模仿實型機的輸出，虛擬機轉(zhuǎn)子本質(zhì)上也輸出相應(yīng)的三相正弦電壓，利用TMS320F28335內(nèi)部PWM 來輸出脈沖信號去控制輸出［3-4］，形成等效的虛擬自整角機轉(zhuǎn)子電路如圖3所示。圖3中X、Y、Z為虛擬機轉(zhuǎn)子電路輸出端。

圖3 虛擬自整角機轉(zhuǎn)子電路

圖4 互補式PWM脈沖波形

從圖3可以看出，三相橋路中的上下管在任何時候都不能同時開通，TMS320F28335內(nèi)部的6個互補式PWM脈沖信號正好滿足要求，如圖3所示，上下管之間還有一個死區(qū)時間，該時間可以避免上下管同時開通。在對TMS320F28335內(nèi)部的6個數(shù)字比較器CMP1～CMP6設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)后就可得到相應(yīng)的脈寬信號，達到PWM控制的目的。

3 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析

自整角機的轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線有負(fù)的斜率，且呈一定的非線性。作為線性化的一種方法，通常把低速部分的線性段延伸到高速范圍，用低速直線近似代替非線性特性。［5］此外，也可用小偏差線性化方法。一般，自整角機機械特性的線性化方程可表示為:

其中，ωm為自整角機角速度;CΩ為阻尼系數(shù);Ms為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。即:

CM為電機常數(shù);Ua為定子電壓有效值。暫不考慮負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則自整角機輸出轉(zhuǎn)矩Mm用來驅(qū)動負(fù)載并克服機床導(dǎo)軌黏性摩擦，故得轉(zhuǎn)矩平衡方程為:

其中，θm為自整角機轉(zhuǎn)子角位移;Jm和fm分別為折算到自整角機上的總轉(zhuǎn)動慣量和總黏性摩擦系數(shù)。

由式(1)、式(2)、式(3)消去中間變量Ms和Mm，并在零初始條件下求拉氏變換，令Ua(s)=，可求得自整角機的傳遞函數(shù)為:

其中，Km=CM/(fm+CΩ)為電機傳動系數(shù);Tm=Jm/(fm+CΩ)為電動機時間常數(shù)。因Ωm(s)=sθ(s)，由式(4)可推導(dǎo)出:

式(4)和式(5)是自整角機傳遞函數(shù)的兩種不同形式，式(4)是以角位移為輸出的傳遞函數(shù)，式(5)是以角速度為輸出的傳遞函數(shù)。

根據(jù)自整角機傳遞函數(shù)，可得出特征方程:

因為Tm＞0，所以此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

虛擬自整角機的主程序包括程序初始化模塊、定時器中斷服務(wù)、模擬量定時采樣模塊、相位信號的捕獲模塊、加速度控制模塊、電流調(diào)節(jié)模塊等等。其中，定時器中斷服務(wù)程序給電流、加速度控制模塊提供固定的時鐘觸發(fā)，以此時間作為各個模塊的調(diào)節(jié)基準(zhǔn)。當(dāng)程序運行時，首先關(guān)斷系統(tǒng)的總中斷，完成初始化，接收到運轉(zhuǎn)信號后，開啟總中斷，進入程序調(diào)節(jié)的循環(huán)體，直到程序運行結(jié)束。電流環(huán)調(diào)節(jié)的時間最短，反映最快，其調(diào)節(jié)時間長短與電流信號濾波參數(shù)、DSP采樣速度、CPU時鐘周期、軟件濾波程序等都有關(guān)系，一般時間為零點幾毫秒。而加速度時間設(shè)定為電流調(diào)節(jié)環(huán)的N倍，相位和加速度調(diào)節(jié)環(huán)的調(diào)節(jié)次數(shù)可以現(xiàn)場測定調(diào)節(jié)時間而確定。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序圖

5 結(jié)論

在控制系統(tǒng)中采用虛擬自整角機，不但能把斷電后意外的角移位糾正過來，而且能使誤差減小至零。但是一旦意外的移位折合到實型機上的位移超過±π角時，相位控制帶來的誤差將是自整角機一個周期的誤差。為此在床身上加上分辨率較低的絕對光柵，這種較粗的光柵信號使位置初定在自整角機的一個周期范圍內(nèi)(1/2絲桿螺距)，這樣就解決了意外移動超過一個周期范圍時所造成的影響。

［1］梁啟權(quán).基于TMS320F28335電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.北京:北京交通大學(xué)，2012.

［2］劉陵順，高艷麗，張樹團，等.TMS320F28335DSP原理及開發(fā)編程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，北京，2012.

［3］劉洋，趙金.基于DSP+CPLD的多軸矢量運動控制器的設(shè)計［J］.電氣傳動，2005(12):15-17.

［4］陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1998.

［5］張建生，鄒一琴，張燕紅.虛擬式自整角機在數(shù)控機床進給中應(yīng)用的研究［J］.電氣傳動，2005(12):49-50.