基于DSP快响应虚拟自整角机在机床中的应用研究

王秋平，张熹彦

(1.常州亚美柯宝马电机有限公司，江苏 常州 213072;2.上海澜起科技有限公司，上海 200012)

0 引言

自整角机在自动化设备中是用作同角度旋转的电机，不过它并非用机械轴连接两电机，而是通过电传动。通常一个电机作为发送机发送电信号，另一个成为接收机，按接收的信号旋转相应机械角度，从而达到驱动控制目的。随着高速处理器的不断进步，可采用DSP进行角度检测和电机转子信号的发送，如图1所示。

采用TMS320F28335 DSP作为控制核心(参见:TMS320F/C24x DSP Controllers Reference Guide，CPU and Instruction Set.Literature Number:SPRU 160C，June1999)，该DSP芯片具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM 输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道 ADC。与前代 DSC 相比，平均性能提升50%，并与定点C28x控制器软件兼容。

图1 用DSP为核心的虚拟电机作发送机示意图

目前数控机床存在的问题是:当机床断电后，一旦工作台被移动，那么开机后就要重新对基准。即使采用对机械原点的方法再来找基准，也是间接的，会产生一定的误差。用DSP进行转子信号的发送，可以实现数字信号储存、记忆。这种能作数字信号储存、记忆的自整角机可理解为一种虚拟式自整角机。

1 虚拟自整角机原理

数控机床中利用自整角机作进给驱动［1-2］，其中一个是实型自整角机(接收机)，另一个是虚拟自整角机(发送机)。虚拟自整角机可利用CNC的部分资源来实现。

当实型机的相位与虚拟机的相位发生偏差时(如图2所示)，虚拟机的三相全桥输出板与实型机之间就会产生电流，该电流使实型机旋转，直至与虚拟机的相位差回归为零。在这里，虚拟机相当于位置给定，其相位受CNC控制，虚拟机的相位确定了就等于确定了进给位置，机床断电后，CNC自动将保存的虚拟机相位信息保存到存储器中，开机后还原并输出到虚拟机三相全桥输出板，便可让进给电机自动回到原来的角度上。

图2 自整角机的进给系统

2 实现方法

2.1 相位信号存取

随着机床的运行，将虚拟机转子相位信号随时记录在RAM中，并利用TMS320F28335内部的多路模拟电子开关交替接通，再逐个进行A/D变换，得到转子电流的数字相位信号。断电时，数字相位信号保留在存储器中，下次来电时从存储器读取相位信息。

2.2 虚拟机的转子输出

数字相位信号通过PWM送到三相全桥输出板转换成虚拟机的转子信号，实现对实型机的相位校准。这里最主要的是虚拟机转子输出的实现问题。可以模仿实型机的输出，虚拟机转子本质上也输出相应的三相正弦电压，利用TMS320F28335内部PWM 来输出脉冲信号去控制输出［3-4］，形成等效的虚拟自整角机转子电路如图3所示。图3中X、Y、Z为虚拟机转子电路输出端。

图3 虚拟自整角机转子电路

图4 互补式PWM脉冲波形

从图3可以看出，三相桥路中的上下管在任何时候都不能同时开通，TMS320F28335内部的6个互补式PWM脉冲信号正好满足要求，如图3所示，上下管之间还有一个死区时间，该时间可以避免上下管同时开通。在对TMS320F28335内部的6个数字比较器CMP1～CMP6设置适当的参数后就可得到相应的脉宽信号，达到PWM控制的目的。

3 控制系统的稳定性分析

自整角机的转矩—速度特性曲线有负的斜率，且呈一定的非线性。作为线性化的一种方法，通常把低速部分的线性段延伸到高速范围，用低速直线近似代替非线性特性。［5］此外，也可用小偏差线性化方法。一般，自整角机机械特性的线性化方程可表示为:

其中，ωm为自整角机角速度;CΩ为阻尼系数;Ms为堵转转矩。即:

CM为电机常数;Ua为定子电压有效值。暂不考虑负载转矩，则自整角机输出转矩Mm用来驱动负载并克服机床导轨黏性摩擦，故得转矩平衡方程为:

其中，θm为自整角机转子角位移;Jm和fm分别为折算到自整角机上的总转动惯量和总黏性摩擦系数。

由式(1)、式(2)、式(3)消去中间变量Ms和Mm，并在零初始条件下求拉氏变换，令Ua(s)=，可求得自整角机的传递函数为:

其中，Km=CM/(fm+CΩ)为电机传动系数;Tm=Jm/(fm+CΩ)为电动机时间常数。因Ωm(s)=sθ(s)，由式(4)可推导出:

式(4)和式(5)是自整角机传递函数的两种不同形式，式(4)是以角位移为输出的传递函数，式(5)是以角速度为输出的传递函数。

根据自整角机传递函数，可得出特征方程:

因为Tm＞0，所以此系统是稳定的。

4 系统软件设计

虚拟自整角机的主程序包括程序初始化模块、定时器中断服务、模拟量定时采样模块、相位信号的捕获模块、加速度控制模块、电流调节模块等等。其中，定时器中断服务程序给电流、加速度控制模块提供固定的时钟触发，以此时间作为各个模块的调节基准。当程序运行时，首先关断系统的总中断，完成初始化，接收到运转信号后，开启总中断，进入程序调节的循环体，直到程序运行结束。电流环调节的时间最短，反映最快，其调节时间长短与电流信号滤波参数、DSP采样速度、CPU时钟周期、软件滤波程序等都有关系，一般时间为零点几毫秒。而加速度时间设定为电流调节环的N倍，相位和加速度调节环的调节次数可以现场测定调节时间而确定。系统的主程序流程图如图5所示。

图5 主程序图

5 结论

在控制系统中采用虚拟自整角机，不但能把断电后意外的角移位纠正过来，而且能使误差减小至零。但是一旦意外的移位折合到实型机上的位移超过±π角时，相位控制带来的误差将是自整角机一个周期的误差。为此在床身上加上分辨率较低的绝对光栅，这种较粗的光栅信号使位置初定在自整角机的一个周期范围内(1/2丝杆螺距)，这样就解决了意外移动超过一个周期范围时所造成的影响。

［1］梁启权.基于TMS320F28335电能质量监测装置的设计与实现［D］.北京:北京交通大学，2012.

［2］刘陵顺，高艳丽，张树团，等.TMS320F28335DSP原理及开发编程［M］.北京:电子工业出版社，北京，2012.

［3］刘洋，赵金.基于DSP+CPLD的多轴矢量运动控制器的设计［J］.电气传动，2005(12):15-17.

［4］陈伯时，陈敏逊.交流调速系统［M］.北京:机械工业出版社，1998.

［5］张建生，邹一琴，张燕红.虚拟式自整角机在数控机床进给中应用的研究［J］.电气传动，2005(12):49-50.