直線電機作為一種機電傳動裝置，使傳統驅動部件的機械結構簡單化，并對其電流、速度和位置控制部分提出了更高的要求。它的最大特點是滿足了人們對機床進給系統伺服性能提出的更高要求，即更高的驅動能力、更快的進給速度以及更精確的定位精度。近十多年來，隨著精密制造和數控技術等先進制造技術的發展，高速、高效、高精成為當前數控設備的發展方向，直線電機以其較高的動態響應能力成為人們研究的熱點[1]。在高精度的直線電機位置控制中，位置檢測是其關鍵技術之一，直接影響著控制系統的控制精度。光柵尺是直線電機位移檢測的關鍵部件。因此，對光柵尺輸出信號進行檢測與處理是直線電機位置閉環控制的重要組成部分。數字信號處理器（Digital Signal Processor）DSP2407是TI公司專用于電機控制的一款微處理器芯片，具有高速的運算能力和特別適合于電機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的位置信息，使得用DSP很容易實現對直線電機的位置控制。本課題研發的直線電機要求的定位精度為2μm，響應頻率為20HZ，行程范圍為10mm以內。 直線電機位置檢測 在直線電機的控制系統中，要實現對直線位移的精確控制，就必須通過高精度的檢測裝置對它進行檢測，將檢測結果轉換成數字量反饋給DSP，由DSP對這些數據進行處理。 隨著光柵的刻制技術、電子技術的發展，光柵莫爾條紋細分技術的不斷改進，以及計算機處理技術的巨大進步，光柵技術得到了快速的發展。在直線電機的位置檢測和控制中，利用光柵尺進行高速、高精度的位置檢測得到了廣泛的應用。 [b]位移檢測 直線光柵傳感器的特點[/b] 使用直線光柵傳感器進行電機位置檢測，具有以下特點: 光柵傳感器輸出的是數字信號，易于與DSP進行接口；可以進行高精度的位移測量，精密的光刻技術和電子細分技術，以及莫爾條紋所具有的對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，精度為0.5～3μm/m，分辨率可做到0.1μm。可進行大量程、高分辨率測量，測量量程可達幾十米。有較強的抗干擾能力。數字信號輸出采用RS422TTL。 信號處理電路簡單、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，輸出接口電路有驅動器，適合長距離傳輸。 光柵檢測及其輸出信號 由于光柵具有上述優點，在此用光柵傳感器來檢測電機的位移。本課題采用的光柵尺是德國JENA公司生產的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光柵之間的位移放大為莫爾條紋的移動來進行檢測的。其條紋間距B和光柵柵距W及兩光柵刻線夾角 關系為： 當光柵相對移動時，莫爾條紋將沿著刻線方向移動。光柵移動一個柵距，莫爾條紋也移動一個間距B，同時，在指示光柵上的光敏元件接收到一次光脈沖的照射，并相應輸出一個電脈沖。通過計數電脈沖的數目，就可以測量標尺光柵的位移x，即 其中，i為脈沖個數。因此檢測實際上就是對光柵輸出的脈沖個數進行計數。 光敏元件的輸出波形近似于正弦波，經過整形電路將其變為方波。而采用一個光電元件所得到的光柵信號只能計數，為了確定運動方向，在指示光柵上安裝兩個相距 W/4的光敏元件，輸出兩路信號相位差為90o。即為正交編碼脈沖信號。同時，為了提高測量精度，還需對光柵的莫尓條紋進行細分[2]。在光柵尺的輸出中，還有一路基準點信號，用以確定位移零點，它是在兩光柵上有兩個透光孔，只有光能從兩孔中透過時才輸出一個脈沖。圖1為光柵尺輸出信號。圖1中a，b為光柵位移信號，c為基準點信號。 [b]DSP對光柵輸出信號的處理 DSP的特性[/b] 這里所用的TMS320LF2407型DSP芯片集高速運算能力與面向電機的高速控制能力于一體，可以實現用軟件取代模擬器件，方便地修改控制策略和參數，兼具故障監測、自診斷和上下位機管理與通信功能。它的內部總線為哈佛結構，指令執行速度是30MIPS，絕大部分指令可以在單周期內執行完畢，這使得控制系統能夠快速處理相關計算。它具有豐富的資源，特別是具有2個事件管理器模塊（EVA和EVB，它們的結構完全一樣，只是所具有的寄存器名稱不一樣），能夠很方便的對電機進行編程控制。事件管理器具有4個通用定時器Tn（n=1，2，3，4，EVA，EVB各2個，每個定時器還具有一個比較寄存器和周期寄存器），6個全比較單元，6個捕獲單元和2個QEP電路。其中DSP的事件管理器模塊的通用定時器用來產生采樣周期（用T1）和作為QEP電路的時基（用T2），QEP電路用于連接光柵輸出的正交編碼信號，對光柵尺輸出的正交編碼脈沖信號進行計數，CAP模塊用來捕獲通用定時器的計數器中的計數值 [3]。 位移信號的采集和處理 對位移信號進行處理前首先要得到信號，在用光柵傳感器檢測到信號后，用DSP來對信號進行采集。由圖1知光柵傳感器輸出3路信號，將這3路信號中的正交編碼脈沖信號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，它們是以通用定時器T2為時基的，定時器T2對兩個脈沖的每個上升和下降沿都進行計數，每來一個上升沿或下降沿時通用定時器的計數器就加1或減1計數。如圖2中，在對脈沖信號a，b進行計數時，其使用的時鐘源為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脈沖所代表的位移量（即脈沖當量），就可以計算出實際的位移量。計數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波形，就進行加計數，反之則減計數，如圖1的DIR信號。CAP3用來捕獲脈沖的個數，它和捕獲驅動信號T1PWM連接，用DSP的通用定時器T1來產生采樣周期，經過一個周期的時間間隔后在T1PWM引腳上輸出一個跳變，在檢測到 CAP3引腳上出現跳變的時候，就將這一時刻的T2定時器的計數器中的數值裝入一個寄存器中，也就是這一時刻的位移量。得到某一時刻的脈沖個數后，可以和總的脈沖個數（為預定位移量和脈沖當量之商）進行比較，這就是這一時刻的位移偏差。將偏差代入PID算法計算出需要輸出的電壓量，以此電壓來驅動電機運動。圖2中的信號c是光柵傳感器的兩個光柵尺的參考點信號，可以作為測量位移的零點。 [b]直線電機的位置控制 控制方案[/b] 直線電機的伺服控制系統是一個閉環系統。在直線電機運動時，光柵傳感器不斷的檢測直線電機的位移，產生的正交編碼脈沖信號作為位置反饋輸入到DSP中， DSP將直線電機預定位移和檢測到的當前位移進行比較，由PID算法來給出相應電壓到功率放大器以驅動直線電機運動。這就是電機的控制方案，其框圖如圖3 所示。在直線電機的控制過程中，需要實現直線電機的精確定位和一定范圍內的響應頻率。對前者而言，需要選擇合適的控制算法。PID控制是控制系統中技術比較成熟且應用最廣泛的方法。其結構簡單，參數容易調整，不一定需要知道系統的確切模型。因此，本控制方案采用它作為控制算法。對后者而言，則需要選擇適當的采樣周期。采樣周期短，兩次采樣間電機的位移量就小，就能夠實現更加精確的位移檢測，但同時會使直線電機的響應頻率變小。相應的控制系統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、等待中斷的出現等工作；子程序則包括捕獲中斷、PDPINT保護中斷、PID算法實現等。 PID算法及其控制參數的確定 控制算法采用增量式數字PID算法，PID算法即將偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構成控制量。將模擬PID控制器的控制規律按式（3）數字化，以位移偏差作為輸入，即可得到公式（4）。 將預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即可計算出所需輸出的控制電壓量改變量[4]。 PID控制的一個重要環節是控制參數 KP、TI、TD的確定。在對電機控制中，首先要求系統是穩定的，在給定值變化時，被控量應能迅速、平穩地跟蹤，超調量要小。在各種干擾下，被控量應能保持在給定值附近。PID參數的選擇有兩種可用方法：理論設計法和實驗確定法。理論設計法確定PID控制參數的前提，是要有被控對象的準確的數學模型，這在電動機控制中往往是很難的。因此，采用實驗確定法來選擇PID控制參數。湊試法是一種行之有效的實驗法，它是通過模擬或閉環運行系統來觀察系統的響應曲線，然后根據各控制參數對系統響應的大致影響，來改變參數，反復湊試，直到認為得到滿意的響應為止。經過反復湊試，得到KP、=6.0，TI= 0.2，TD=1.2。仿真曲線如圖4所示。使用這些參數可以使系統響應迅速，能很快就達到穩定，超調量小，很好的滿足了系統要求。在式（4）中ek， ek-1和ek-2 為預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定位精度和響應頻率。采樣周期越小，數字控制效果就越接近連續控制，控制精度就越高，但同時會加大DSP的計算量，減慢電機的運行速度而影響其響應頻率。因此在實際選擇采樣周期時，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： 從調節品質和數字PID算法要求方面考慮，采樣周期應取得短些。否則，采樣信號無法反映系統的瞬變過程。 從控制系統的動態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生較大的延遲。此外，對低頻擾動，采用短的采樣周期可以迅速加以校正。 從響應頻率來考慮，采樣周期則應該取的長些，這樣可以減少DSP的計算量，減少電機運動的步數,從而提高電機運行的速度和頻率。 從DSP在一個采樣周期內要完成的運算工作量來考慮，要求采樣周期取得長些，以保證DSP有充分的實時運算時間和處理時間[4]。 從上述分析可以看到，各種因素對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。因為在電機從起始位置運動的一段時間里，可以采用長的采樣周期，這時是遠離預定位置，可以重點考慮速度方面的因素。等到電機運動到了一定的位置，再將采樣周期減小，重點考慮定位精度。這樣可以做到二者兼顧，既保證了定位精度，又提高了電機的響應頻率。而且，這對于DSP來說也是很容易做到的。實現方法為：在通用定時器T2的比較中斷中來改變采樣周期，而在周期中斷中恢復原來的采樣周期。前者是在電機運動到需要改變采樣周期位置時（即T2計數器之值等于比較寄存器時）發生，后者是在電機運動到預定位置時（即T2計數器之值等于周期寄存器之值）出現。 結論 研究開發的直線電機，采用高精度的直線光柵尺檢測其位移，并以TI公司生產的DSP作為控制器，在運動中使用DSP來對光柵尺輸出的位移信號進行采樣，采用PID控制算法來控制電機的運動，達到了預期的位移精度和頻率響應，而且運行可靠，程序編制靈活。