DSP在闭环伺服系统中的应用.docx
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DSP在闭环伺服系统中的应用
DSP在闭环伺服系统中的应用
本文主要描述了基于伺服电机控制产生的位置闭环伺服驱动器的数字信号处理器（DSP）技术，该技术也可用于先进制造技术的应用，如机器人，数控机床和其他机械定位系统。
无论DSP或者智能伺服控制都不是其凭借自己实力创造的新技术。
然而，依靠着其分布式控制结构在设计计算机控制生产设备方面具有的巨大潜力，斯温伯尔尼科技大学（霍桑，维多利亚，澳大利亚）设计了一种将两者结合应用的新系统结构。
由此产生的技术，已经被澳大利亚softronics公司命名为CIM驱动并且商业化。
智能伺服系统设计的关键性因素是一种可以用于规定跨伺服通信和监控的实时局域网络。
在研究过程中开发了一个相对简单的组网方案（命名为“软网”）。
本文强调了在CIM中心一些新的，商业上可用的作为CAN总线、现场总线与LON总线的替代品,展现出了对于当前发展道路的追求。
1.引言
麻省理工学院在1948年第一次概念化了数控伺服电机，在现代制造系统和最基础的现代机器人和数控机床之中，它是使用最为大量的组成元件。
一个典型的机器人使用5到9个伺服驱动器，而数控机床中甚至使用多达13个电机和驱动器。
该伺服驱动系统的设计，提供了加工技术和电力电子技术以精确地使一个交流或直流电动机旋转，以最终决定机器人、数控机床、柔性制造系统（FMS）的整体设计。
这是令人惊讶的，因此，我们发现伺服驱动系统的设计通常用在隔离他们的预期应用和围绕设计伺服驱动器的应用（机器人，等）。
几年前，随着需要兼容现代制造控制系统，在斯温伯尔尼科技大学（霍桑，维多利亚，澳大利亚）的研究项目开始用来研究和开发的伺服驱动系统。
本文的目的在于提供这方面的研究概况，并说明研究开发方法在研究计划中的益处。
为了开展在斯温伯尔尼大学的研究工作，首先要理解现代机床控制的基础知识。
如图1所示，从文献[1]中提取出来。
图1的模型曾经需要很多年制造，因为其前提基于处理器的技术昂贵并需要很谨慎的使用。
当然现在不再是这种情况,因此需要审查基本架构,检验模型,使其更贴近未来先进自动化设备的需求。
我们尤其注重其重要性，因此，其问题是伺服驱动控制器是否应该拥有或多或少的智能性，以及监督控制器（或主机调度器）是否应该或多或少的控制伺服的活动程度。
图1机器人和数控机床的传统闭环控制
基本上存在两种思想流派可用来取代传统的伺服控制系统。
第一种是更为严格的集中讨论的分层控制，在我们所采用的文献[2]中取代传统的数控系统。
在这种形式的控制下，我们认为快速提升“单位处理成本”将导致这种情况下，多轴机床伺服控制可以通过一个额外的小硬件组合在单处理器上。
如图2中所示，此体系结构在斯温伯尔尼大学的CIM中心开发测试，一个单一的工作站（基于英特尔486）使用大量低成本驱动功率电子产品可以准确地控制多达4个轴（在生产效率上）。
图2基于伺服驱动器的集成到系统控制器的多轴控制结构。
图2系统具有低成本和提高性能的潜能以及提高控制轴数的处理器性能等优点。
但这种方法的缺点是，在接下来的五年里可以推断出处理器性能发展的趋势，这样的系统被会限制在小到中等数量的伺服轴中（3-15轴）。
这比传统生产的机器多的多，但无法使用这种体系结构到大规模生产线，以及构成许多控制轴。
另一种选择，也是本文所研究的，是在斯温伯尔尼大学的另一个研究计划产生的结果，由奥维马斯[3]提供，是一种基于一个两级分布式控制的结构。
这种方法与紧耦合层次上介绍的方法截然相反，但有许多优点超过其他系统。
两层分布式理念如图3所示。
图3两层分布式多轴控制机床。
在图3中，每个伺服驱动控制器（简称CIM驱动）是一种由数字信号处理器（DSP）控制的拥有自我智能的设备。
每个CIM驱动在装置里提供了通过执行一个比例积分微分（PID）控制策略来关闭电机的位置闭环控制。
该系统（机器人，数控或FMS）是由一个主机的调度，调度命令通过实时定位网络协调每个驱动器。
与图2所示的递阶控制相比，这种做法不符合小数量轴的成本效益。
它做到了，然而，对智能伺服驱动器（CIM驱动）使低功率工作站控制（进度）多轴是因为密集型处理器已经决定让位置控制回路远离工作站分布。
多年来，已经有许多人尝试为一系列先进的自动信息功能提出一个或更多的控制架构（分层，分散/分布式，等等）。
这些包括jones和mclean文献[4]还有Duffle和Piper文献[5]在制造系统的发展贡献和在Weston工作的等人。
文献[6]在拉夫堡大学进行元素分类的机器控制壳。
然而，在本文中，我们不在乎谁的推广策略最好，而是像文献[2]描述那样在传统（数控机床，机器人）系统和紧密耦合的机械控制系统上评价具有相对优势劣势的分布式伺服控制系统。
2.CIM驱动硬件设计
CIM驱动系统的硬件设计有一些重要元素。
这些措施包括：
（1）DSP。
（2）电力电子驱动电动机。
（3）网络和网络接口。
（4）主机系统硬件要求。
硬件需要着重考虑的主要问题是驱动器是否应面向不是太昂贵的交流（感应）或直流电动机。
三相感应电机传统上一直优于直流电机因为他们是不太昂贵的，更强大（在他们的鼠笼式格式上），以及它们是无刷的，因此不用维护。
感应电机一直以来的问题是速度变化和位置控制的现有机制。
基本上，对于应用不同的感应电机转速的伺服的唯一途径是改变交流电源的频率。
位置控制涉及到复杂的磁通矢量数学建模和移调交流电机为直流电机域。
由于现代电力电子技术和微处理器技术的发展，这些复杂的任务在最近成为可能。
它是通过平均电压端的变化来更容易的控制直流电机，而且这些电机的高成本一般是对于较低驱动控制技术的成本补偿。
在研究早期（1990），交流伺服系统在未来几年内必然赶超直流系统。
然而，尽管如此，一个伺服控制结构被认为应以模块化的形式开发，它可以在直流驱动器上启动，然后在后期转移到交流系统上。
事实上，交流伺服控制系统的研究工作（基于DSP技术）已经在CIM中心进行了近一年的时间。
CIM驱动硬件的整体概念示意图如图4所示。
所有这些元素都在一个单一的尺寸150×100毫米（欧元大小）的印刷电路板上实现。
小驱动卡是基于标准功率晶体管脉宽调制放大器和额定功率高达100W的可控制直流电动机实现的，一个基于NMOSFETs的更大版本也已在一个100×100×100的变压器上实现，可以驱动一个2.4千瓦的直流电机。
由两个半桥组成标准H桥拓扑结构，如图4的基本配置，可以很容易地适用于交流电机的另一半桥。
采用数字信号处理器（DSP）的思想来控制伺服电机设备与传统的处理器芯片相比较为新颖。
然而，一些已经尝试应用在设备的经典控制应用中[7-18]。
特别是，亨塞尔曼文献[8]发现在实时控制上DSP器件比传统的微处理器的性能上更有优势，因此伺服设备提供了相当大的潜在应用。
对于应用选择特定的DSP器件是德克萨斯仪器EL4处理器，这仅仅是一个中低档性能的设备在25.6MHz下提供6.4MIPS但仍然比直流电动机控制能力好。
图4DSP伺服控制系统的硬件配置。
图4中系统的基本理念是，DSP从网络接收位置命令，再反馈位置给电机的编码器。
然后该DSP产生一个输出信号给数字功率放大器，再然后提供一个脉冲宽度调制（PWM）信号给直流电动机的电枢终端。
直流电机PWM控制是比较普遍和有效的运作方式，因为当电枢电压是脉冲波形时，电机电枢电流的电感是平滑的。
在图1中，我们说明了经典机器控制结构，与两个闭环系统-一个闭环速度环伺服驱动系统和一个闭合位置环控制系统。
然而，在图4中显示的硬件提供了如图3所示的分布式结构和减轻高处理功能主机系统的需求。
在这样做时，大量的精力花费在确保选择任务的处理器能够复制传统的闭合速度回路驱动的性能属性。
特别是，比例积分微分（PID）控制算法是在处理器端的实现。
这个产品遵从Astrom和Steingrimsson[19]公司，他们已经试图对同类的DSP设备使用PID算法。
经典的PID控制表格也如图5所示。
图5传统的PID实现数字控制系统。
u=控制变量e=
-
=控制误差
=设定点
y=过程输出
=增益
=积分时间
=微分时间
ASTROM/Steingrimsson公司修改PID实现形式以应用于伺服驱动器。
由DSP产生的驱动力信号，在对应用程序使用PID控制后，由一个数字输出，包括制动信号，方向信号和PWM驱动信号。
这是显示器通过一些基本的数字逻辑门到电机驱动电路。
整个系统的示意图如图6所示。
图6从DSP到电机的CIM驱动硬件总体布局。
实际电机驱动器是由一个“H桥”电力电子电路组成，包含四个晶体管，如图7所示。
该电路负责通过电力晶体管电源开关将能量从供电轨道输送到电机的电枢端子。
对于小电路，H桥可以购买一个单片机装置和较大的驱动电路，电路可以由离散功率晶体管器件组建。
图7“H桥”的配置
基于桥电路系统的PWM，提供了一种高效节能的电机驱动系统，不同于用现代开关模式的电源。
在非线性区域的晶体管上使用的系统，在那里供应损耗是唯一的能源要求。
对于基于传统的CIM驱动反馈电路，两相光学编码器的数字反馈已经被广泛使用于一定数量的电机。
在CIM驱动系统实现了原有网络系统是一个简单基本协议的多点RS-485排列，这在下面的第4节中有所描述。
3.CIM模型驱动的软件体系结构
CIM驱动系统的软件结构分为两部分。
这些组件一部分在CIM驱动上由DSP执行，而另一部分则由主机系统执行。
完整的主机和驱动系统总体结构示意图如图8所示。
DSP芯片的软件是由特定的汇编语言编码，它主要分成三个模块：
1．网络通信。
2．编码器反馈。
3．PID输出控制。
图8CIM驱动两级分布式控制架构的主机和DSP软件结构。
这三个模块提供了一个能够通过网络与外部世界的交流的智能控制系统，以及由进入的网络命令指定进行一个伺服电机的位置闭环控制来实现给定的电机定位。
更详细的DSP软件结构示意图如图9所示，其中三个硬件元件用来与外界通信（UART，编码器和PWM电路）同时也被用来说明程序的总体结构。
主机系统软件实际上是相对传统的，它由一个标准的高级语言（C++）编码以及已被开发的两种形式组成。
两种形式第一个是完全可操作可执行的方式，通过下拉菜单驱动，它可以在DOS，Windows或WindowsNT环境下运行。
软件的第二种形式是图书馆形式，其中的一组例程可以供研究人员开发期望的专门控制算法。
一个更有趣的方面在于CIM驱动架构提出了由伺服驱动采用实际的控制策略改变一些机制：
在DSP上执行的控制算法可由PID成比例的改变（或任何其他可行的控制策略）。
在PID控制策略上，控制参数（如稳态误差，比例常数，等）可以动态地下载到主机系统的网络驱动器来改变系统的性能。
图9详细DSP软件结构。
4.网络问题
一个分布式控制体系中最关键的环节是设备与另一个设备实时通讯的能力。
许多开放系统互连（OSI）网络通常是不适合于实时应用的，所以开发了一个简单的，低层次的网络。
它包括一般微地图2型½层[t]标准的电动机启动和一系列其他的专有系统。
这个问题一直缺乏标准，更合适以及广泛应用的不同标准。
保持着与模块化结构的CIM驱动哲学的连接，基本系统被设计成被不同的网络结构来操作，包括在研究项目的过程中诞生的专为测试简单网络系统的“编程”。
可编程系统在网络领域设计成为有效的提供最低共同标准：
●在研究计划中为了方便CIM驱动测试提供了一个简单的网络架构。
●有效地测试和突出实时网络的局限性。
该系统是基于RS-485多点布置，可以连接到一个具有转换插头和专用软件的主机的RS-232端口来提高端口性能。
硬件方案示意图如图10所示。
网络可以运行在相对高的传输速率（115.2千位/秒），而且不会被相对简单的软件协议编程形式大大抑制。
组网方案提供了一种可以允许一个主机调度控制多达255个CIM驱动轴的结构。
一个创新的RS-232接口使用方式，在更高的传输速度和使用操作系统中传统的奇偶校验位的链路控制部分的情况下使用正常的低比特率端口操作。
这使一个标准的PC工作站可以运行一个网络驱动器。
图10RS-485多点网络布局-“软网”的骨干。
从最初开始研究CIM驱动，一些商业上可用的网络开始出现增长趋势，其可作为合适的可编程系统替代品。
这些包括所谓的控制器局域网总线或CAN总线，系统描述于文献[20]中，埃施朗/摩托罗拉公司的LON总线和现场总线的体系结构（文献[21]）。
在智能伺服控制和其他低级别的设备上，网络的主要问题之一是找到一个系统，其通信协议已经可以在一个简单的硬件包中使用。
这主要是由于低级别的设备是由传统的编码装配语言，使得系统架构师在测试代码和软件协议时困难费时。
CAN总线系统已经在汽车工业中汽车传感器间通讯上实现，具有（到目前为止）在硬件形式上遵循传统网络方法的较低的网络层，从而需要大量的系统设计软件开发。
另一方面，埃施朗和摩托罗拉公司发展低成本，多处理器“神经元”装置[21]提供实时的局域网以支持低级别的设备，如传感器等。
现在不需要发展协议就可以创建设备之间的高速网络连接。
这两种发展方式（LON）已经成为实际标准，与大多数其他网络的发展相同，几乎可以用一种ISO或另一种IEEE标准识别，因为很少有用户受到任何直接的影响。
通过这些网络总线技术CIM驱动概念正在逐步发展，具有交流和直流驱动器的设计和配置操作的分布式体系结构，通过这个特殊的环境来评估其是否适合作为长期组网策略。
5.系统测试
CIM驱动结构在两个测试中的配置，如图11和12。
图11显示了两层分布式控制系统在其网络上操作，包括2CIM驱动节点，每个驱动一个100瓦的直流电动机。
该测试装置设计来评估网络寻址性能和驱动器通过网络响应主机发起的定位命令的能力。
图11多电机配置
图12显示了第二个测试配置，同时利用两个直流电机。
然而，在这种结构中，一台机器通过CIM控制驱动系统作为伺服电机，而在另一台机器作为一个直流发电机，这就是物理连接到伺服驱动轴。
智能存储示波器是用来捕获发电机的电压输出，相反的是，电压与伺服驱动器的速度成正比。
一旦驱动的瞬时速度时间曲线已经由示波器捕获，就会将图像传输到上位机进行显示。
图12电动发电机配置
在隧道网络内进行大量实验来评估其地址、吞吐量和竞争力等。
虽然网络的吞吐量是足够的，但该协议被认为对于具有大量节点的工业应用过于简单，因为它不能完全解决媒体访问冲突，并不可避免地产生分布结构。
图11的电机配置是用来测试PID算法在CIM驱动板上的性能。
下载许多不同的PID控制参数到驱动来测试有效定位性能，包括稳态误差，极限周期的影响等。
结果得出PID经典通过存储示波器鉴别分析其执行性能。
一个CIM驱动架构的主要好处是PID参数在连续定位命令之间的动态改变能力，从而提供了一种机械化主义来适应主机发展的控制算法。
目前CIM中心正在进行一些较小的研究项目，用来研究潜在的给定电机机械负载的优化控制算法参数，
6.结论
在斯温伯尔尼大学CIM中心开发的CIM驱动结构已为制造业提供了新的控制机制潜力。
特别是，在文献[18]中描述的一个新型柔性制造系统控制结构，现在作为一种新的伺服控制架构发展着。
CIM驱动系统已经被softronics公司在墨尔本和澳大利亚商业化，已经变成了一个大学水平的研究和开发平台，目前已在国际上推销。
该平台已被用于斯温伯尔尼大学的本科生和研究生的课程研究，它已被用来开发小型XY机，数控系统与自适应控制系统。
CIM驱动系统也被应用于一些小的需要低成本和精确定位执行器的商业应用。
可编程网络一直由于教学和研究目的和其开放的体系结构而保留着，以展示其重要的组网原则能力。
CIM驱动系统的商业版本现在正在不断升级以符合商业上应用的网络系统如同埃施朗/摩托罗拉的LON总线和CAN总线的体系结构。
还有许多CIM驱动伺服系统的潜在应用。
最明显的是作为一个开环步进电机的替换，用于定位末端部执行器如摄像机，切削工具等。
更重要的是，然而，CIM驱动使得低成本的控制系统在一个构建块形式内开发发展。
这在FMS控制系统中已提到，并在文献[18]中详细讨论了。
然而，其他的发展计划是想办法利用CIM驱动概念为机器工具提供了一个低成本的计算机控制形式。
一个研究和发展计划，目前在CIM的中心，对CIM驱动概念应用方面特别感兴趣。
它是针对机器的控制系统，可以安装到新机器或者在没有电气和电力技术人员的帮助下仅由钳工和车床工或工具制造商加装到旧机器上。
完整的建筑块系统，由PC工作站，软件，网络，CFM驱动卡和电机组装在一起，无需编程和电子知识。
控制系统的物理机配置的修剪是通过智能，可以被任何只对计算机有轻微理解的人使用互动的WindowsNT软件。
应用单机CIM驱动技术的目的是为了节约自动化三轴机（计算机控制）约50%的成本。
大部分存储通过简单的，低成本的伺服驱动器，低成本的硬件电路和软件控制（由于CIM驱动的星上处理）和明显的低劳动力花费安装产生，尤其是在企业环境中可以利用内部的技术人员来实现自己机器的自动化。
引文出处
国际先进制造技术杂志（1996）第11期:
27-33
1996施普林格伦敦有限公司
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