直線電機(jī)作為一種機(jī)電傳動(dòng)裝置，使傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單化，并對(duì)其電流、速度和位置控制部分提出了更高的要求。它的最大特點(diǎn)是滿足了人們對(duì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)伺服性能提出的更高要求，即更高的驅(qū)動(dòng)能力、更快的進(jìn)給速度以及更精確的定位精度。近十多年來，隨著精密制造和數(shù)控技術(shù)等先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，高速、高效、高精成為當(dāng)前數(shù)控設(shè)備的發(fā)展方向，直線電機(jī)以其較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力成為人們研究的熱點(diǎn)[1]。在高精度的直線電機(jī)位置控制中，位置檢測是其關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響著控制系統(tǒng)的控制精度。光柵尺是直線電機(jī)位移檢測的關(guān)鍵部件。因此，對(duì)光柵尺輸出信號(hào)進(jìn)行檢測與處理是直線電機(jī)位置閉環(huán)控制的重要組成部分。數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor）DSP2407是TI公司專用于電機(jī)控制的一款微處理器芯片，具有高速的運(yùn)算能力和特別適合于電機(jī)控制的事件管理器模塊（EV），事件管理模塊有一正交編碼脈沖（QEP）電路，可用于獲取直線電機(jī)的位置信息，使得用DSP很容易實(shí)現(xiàn)對(duì)直線電機(jī)的位置控制。本課題研發(fā)的直線電機(jī)要求的定位精度為2μm，響應(yīng)頻率為20HZ，行程范圍為10mm以內(nèi)。 直線電機(jī)位置檢測 在直線電機(jī)的控制系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)對(duì)直線位移的精確控制，就必須通過高精度的檢測裝置對(duì)它進(jìn)行檢測，將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字量反饋給DSP，由DSP對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 隨著光柵的刻制技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，光柵莫爾條紋細(xì)分技術(shù)的不斷改進(jìn)，以及計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的巨大進(jìn)步，光柵技術(shù)得到了快速的發(fā)展。在直線電機(jī)的位置檢測和控制中，利用光柵尺進(jìn)行高速、高精度的位置檢測得到了廣泛的應(yīng)用。 [b]位移檢測 直線光柵傳感器的特點(diǎn)[/b] 使用直線光柵傳感器進(jìn)行電機(jī)位置檢測，具有以下特點(diǎn): 光柵傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，易于與DSP進(jìn)行接口；可以進(jìn)行高精度的位移測量，精密的光刻技術(shù)和電子細(xì)分技術(shù)，以及莫爾條紋所具有的對(duì)局部誤差的消除作用，使得光柵傳感器的測量精度僅次于激光測量，而且成本比其低得多。測量誤差可控制在0.2～0.4μm /m以內(nèi)，精度為0.5～3μm/m，分辨率可做到0.1μm?？蛇M(jìn)行大量程、高分辨率測量，測量量程可達(dá)幾十米。有較強(qiáng)的抗干擾能力。數(shù)字信號(hào)輸出采用RS422TTL。 信號(hào)處理電路簡單、可靠。普通分辨率和精度的光柵傳感器，一般都將信號(hào)處理電路和光柵部件組裝在一起，體積小，輸出接口電路有驅(qū)動(dòng)器，適合長距離傳輸。 光柵檢測及其輸出信號(hào) 由于光柵具有上述優(yōu)點(diǎn)，在此用光柵傳感器來檢測電機(jī)的位移。本課題采用的光柵尺是德國JENA公司生產(chǎn)的JENA LIE5 2PLXFDO型光柵尺，其測量精度為1μm。光柵傳感器是通過將固定光柵和移動(dòng)光柵之間的位移放大為莫爾條紋的移動(dòng)來進(jìn)行檢測的。其條紋間距B和光柵柵距W及兩光柵刻線夾角 關(guān)系為： 當(dāng)光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著刻線方向移動(dòng)。光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋也移動(dòng)一個(gè)間距B，同時(shí)，在指示光柵上的光敏元件接收到一次光脈沖的照射，并相應(yīng)輸出一個(gè)電脈沖。通過計(jì)數(shù)電脈沖的數(shù)目，就可以測量標(biāo)尺光柵的位移x，即 其中，i為脈沖個(gè)數(shù)。因此檢測實(shí)際上就是對(duì)光柵輸出的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。 光敏元件的輸出波形近似于正弦波，經(jīng)過整形電路將其變?yōu)榉讲?。而采用一個(gè)光電元件所得到的光柵信號(hào)只能計(jì)數(shù)，為了確定運(yùn)動(dòng)方向，在指示光柵上安裝兩個(gè)相距 W/4的光敏元件，輸出兩路信號(hào)相位差為90o。即為正交編碼脈沖信號(hào)。同時(shí)，為了提高測量精度，還需對(duì)光柵的莫尓條紋進(jìn)行細(xì)分[2]。在光柵尺的輸出中，還有一路基準(zhǔn)點(diǎn)信號(hào)，用以確定位移零點(diǎn)，它是在兩光柵上有兩個(gè)透光孔，只有光能從兩孔中透過時(shí)才輸出一個(gè)脈沖。圖1為光柵尺輸出信號(hào)。圖1中a，b為光柵位移信號(hào)，c為基準(zhǔn)點(diǎn)信號(hào)。 [b]DSP對(duì)光柵輸出信號(hào)的處理 DSP的特性[/b] 這里所用的TMS320LF2407型DSP芯片集高速運(yùn)算能力與面向電機(jī)的高速控制能力于一體，可以實(shí)現(xiàn)用軟件取代模擬器件，方便地修改控制策略和參數(shù)，兼具故障監(jiān)測、自診斷和上下位機(jī)管理與通信功能。它的內(nèi)部總線為哈佛結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度是30MIPS，絕大部分指令可以在單周期內(nèi)執(zhí)行完畢，這使得控制系統(tǒng)能夠快速處理相關(guān)計(jì)算。它具有豐富的資源，特別是具有2個(gè)事件管理器模塊（EVA和EVB，它們的結(jié)構(gòu)完全一樣，只是所具有的寄存器名稱不一樣），能夠很方便的對(duì)電機(jī)進(jìn)行編程控制。事件管理器具有4個(gè)通用定時(shí)器Tn（n=1，2，3，4，EVA，EVB各2個(gè)，每個(gè)定時(shí)器還具有一個(gè)比較寄存器和周期寄存器），6個(gè)全比較單元，6個(gè)捕獲單元和2個(gè)QEP電路。其中DSP的事件管理器模塊的通用定時(shí)器用來產(chǎn)生采樣周期（用T1）和作為QEP電路的時(shí)基（用T2），QEP電路用于連接光柵輸出的正交編碼信號(hào)，對(duì)光柵尺輸出的正交編碼脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，CAP模塊用來捕獲通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值 [3]。 位移信號(hào)的采集和處理 對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行處理前首先要得到信號(hào)，在用光柵傳感器檢測到信號(hào)后，用DSP來對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。由圖1知光柵傳感器輸出3路信號(hào)，將這3路信號(hào)中的正交編碼脈沖信號(hào)a，b輸入到DSP的QEP引腳，如圖2所示。其中QEP1和QEP2分別用來接收光柵的a，b兩列脈沖信號(hào)，它們是以通用定時(shí)器T2為時(shí)基的，定時(shí)器T2對(duì)兩個(gè)脈沖的每個(gè)上升和下降沿都進(jìn)行計(jì)數(shù)，每來一個(gè)上升沿或下降沿時(shí)通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)器就加1或減1計(jì)數(shù)。如圖2中，在對(duì)脈沖信號(hào)a，b進(jìn)行計(jì)數(shù)時(shí)，其使用的時(shí)鐘源為CLK，頻率為正交編碼脈沖的4倍，只要我們知道檢測到的每一個(gè)脈沖所代表的位移量（即脈沖當(dāng)量），就可以計(jì)算出實(shí)際的位移量。計(jì)數(shù)的方向由兩列脈沖的接法決定：如果QEP1接的是兩列脈沖的先導(dǎo)波形，就進(jìn)行加計(jì)數(shù)，反之則減計(jì)數(shù)，如圖1的DIR信號(hào)。CAP3用來捕獲脈沖的個(gè)數(shù)，它和捕獲驅(qū)動(dòng)信號(hào)T1PWM連接，用DSP的通用定時(shí)器T1來產(chǎn)生采樣周期，經(jīng)過一個(gè)周期的時(shí)間間隔后在T1PWM引腳上輸出一個(gè)跳變，在檢測到 CAP3引腳上出現(xiàn)跳變的時(shí)候，就將這一時(shí)刻的T2定時(shí)器的計(jì)數(shù)器中的數(shù)值裝入一個(gè)寄存器中，也就是這一時(shí)刻的位移量。得到某一時(shí)刻的脈沖個(gè)數(shù)后，可以和總的脈沖個(gè)數(shù)（為預(yù)定位移量和脈沖當(dāng)量之商）進(jìn)行比較，這就是這一時(shí)刻的位移偏差。將偏差代入PID算法計(jì)算出需要輸出的電壓量，以此電壓來驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。圖2中的信號(hào)c是光柵傳感器的兩個(gè)光柵尺的參考點(diǎn)信號(hào)，可以作為測量位移的零點(diǎn)。 [b]直線電機(jī)的位置控制 控制方案[/b] 直線電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。在直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，光柵傳感器不斷的檢測直線電機(jī)的位移，產(chǎn)生的正交編碼脈沖信號(hào)作為位置反饋輸入到DSP中， DSP將直線電機(jī)預(yù)定位移和檢測到的當(dāng)前位移進(jìn)行比較，由PID算法來給出相應(yīng)電壓到功率放大器以驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)。這就是電機(jī)的控制方案，其框圖如圖3 所示。在直線電機(jī)的控制過程中，需要實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的精確定位和一定范圍內(nèi)的響應(yīng)頻率。對(duì)前者而言，需要選擇合適的控制算法。PID控制是控制系統(tǒng)中技術(shù)比較成熟且應(yīng)用最廣泛的方法。其結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)容易調(diào)整，不一定需要知道系統(tǒng)的確切模型。因此，本控制方案采用它作為控制算法。對(duì)后者而言，則需要選擇適當(dāng)?shù)牟蓸又芷?。采樣周期短，兩次采樣間電機(jī)的位移量就小，就能夠?qū)崿F(xiàn)更加精確的位移檢測，但同時(shí)會(huì)使直線電機(jī)的響應(yīng)頻率變小。相應(yīng)的控制系統(tǒng)軟件由主程序和中斷子程序組成。主程序完成芯片與各變量的初始化、等待中斷的出現(xiàn)等工作；子程序則包括捕獲中斷、PDPINT保護(hù)中斷、PID算法實(shí)現(xiàn)等。 PID算法及其控制參數(shù)的確定 控制算法采用增量式數(shù)字PID算法，PID算法即將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量。將模擬PID控制器的控制規(guī)律按式（3）數(shù)字化，以位移偏差作為輸入，即可得到公式（4）。 將預(yù)定位移量和光柵尺每次所測得的位移量相減，所得偏差代入ek，ek-1和ek-2即可計(jì)算出所需輸出的控制電壓量改變量[4]。 PID控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是控制參數(shù) KP、TI、TD的確定。在對(duì)電機(jī)控制中，首先要求系統(tǒng)是穩(wěn)定的，在給定值變化時(shí)，被控量應(yīng)能迅速、平穩(wěn)地跟蹤，超調(diào)量要小。在各種干擾下，被控量應(yīng)能保持在給定值附近。PID參數(shù)的選擇有兩種可用方法：理論設(shè)計(jì)法和實(shí)驗(yàn)確定法。理論設(shè)計(jì)法確定PID控制參數(shù)的前提，是要有被控對(duì)象的準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，這在電動(dòng)機(jī)控制中往往是很難的。因此，采用實(shí)驗(yàn)確定法來選擇PID控制參數(shù)。湊試法是一種行之有效的實(shí)驗(yàn)法，它是通過模擬或閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)來觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各控制參數(shù)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的大致影響，來改變參數(shù)，反復(fù)湊試，直到認(rèn)為得到滿意的響應(yīng)為止。經(jīng)過反復(fù)湊試，得到KP、=6.0，TI= 0.2，TD=1.2。仿真曲線如圖4所示。使用這些參數(shù)可以使系統(tǒng)響應(yīng)迅速，能很快就達(dá)到穩(wěn)定，超調(diào)量小，很好的滿足了系統(tǒng)要求。在式（4）中ek， ek-1和ek-2 為預(yù)定位移和檢測到的位移的偏差，每采樣一次需要更新一次并存入數(shù)組e[3]中。PID算法的程序流程圖如圖5所示。 采樣周期的確定 采樣周期決定著電機(jī)定位精度和響應(yīng)頻率。采樣周期越小，數(shù)字控制效果就越接近連續(xù)控制，控制精度就越高，但同時(shí)會(huì)加大DSP的計(jì)算量，減慢電機(jī)的運(yùn)行速度而影響其響應(yīng)頻率。因此在實(shí)際選擇采樣周期時(shí)，必須從需要和可能兩方面綜合考慮，一般要考慮的因素如下： 從調(diào)節(jié)品質(zhì)和數(shù)字PID算法要求方面考慮，采樣周期應(yīng)取得短些。否則，采樣信號(hào)無法反映系統(tǒng)的瞬變過程。 從控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能來考慮，也要求采樣周期短些。這樣，給定值的改變可以迅速地通過采樣得到，而不至于在控制中產(chǎn)生較大的延遲。此外，對(duì)低頻擾動(dòng)，采用短的采樣周期可以迅速加以校正。 從響應(yīng)頻率來考慮，采樣周期則應(yīng)該取的長些，這樣可以減少DSP的計(jì)算量，減少電機(jī)運(yùn)動(dòng)的步數(shù),從而提高電機(jī)運(yùn)行的速度和頻率。 從DSP在一個(gè)采樣周期內(nèi)要完成的運(yùn)算工作量來考慮，要求采樣周期取得長些，以保證DSP有充分的實(shí)時(shí)運(yùn)算時(shí)間和處理時(shí)間[4]。 從上述分析可以看到，各種因素對(duì)采樣周期的要求是不同的，甚至是相互矛盾的，因此，必須根據(jù)具體的情況和要求綜合做出選擇。在這里，采用變采樣周期。因?yàn)樵陔姍C(jī)從起始位置運(yùn)動(dòng)的一段時(shí)間里，可以采用長的采樣周期，這時(shí)是遠(yuǎn)離預(yù)定位置，可以重點(diǎn)考慮速度方面的因素。等到電機(jī)運(yùn)動(dòng)到了一定的位置，再將采樣周期減小，重點(diǎn)考慮定位精度。這樣可以做到二者兼顧，既保證了定位精度，又提高了電機(jī)的響應(yīng)頻率。而且，這對(duì)于DSP來說也是很容易做到的。實(shí)現(xiàn)方法為：在通用定時(shí)器T2的比較中斷中來改變采樣周期，而在周期中斷中恢復(fù)原來的采樣周期。前者是在電機(jī)運(yùn)動(dòng)到需要改變采樣周期位置時(shí)（即T2計(jì)數(shù)器之值等于比較寄存器時(shí)）發(fā)生，后者是在電機(jī)運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)（即T2計(jì)數(shù)器之值等于周期寄存器之值）出現(xiàn)。 結(jié)論 研究開發(fā)的直線電機(jī)，采用高精度的直線光柵尺檢測其位移，并以TI公司生產(chǎn)的DSP作為控制器，在運(yùn)動(dòng)中使用DSP來對(duì)光柵尺輸出的位移信號(hào)進(jìn)行采樣，采用PID控制算法來控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到了預(yù)期的位移精度和頻率響應(yīng)，而且運(yùn)行可靠，程序編制靈活。