摘 要:簡(jiǎn)要概述了PMAC 的特點(diǎn)，介紹了PMAC 控制下轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行了討論，主要有轉(zhuǎn)臺(tái)單方向漂移、轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)后來(lái)回漂移、PID 調(diào)節(jié)等。 關(guān)鍵詞：PMAC；轉(zhuǎn)臺(tái)；伺服系統(tǒng)；調(diào)試

Debugging of high precision revolving table dual close loop servo system controlled by PMAC

CHEN Dong-sheng

Abstract：It summarizes the characteristic of PMAC，introduces the design of revolving table servosystem controlled by PMAC，discusses some questions about system debugging emphatically，including singledirection excursion of revolving table、excursion back and forth after close loop、PID adjusting and soon. Key words：PMAC；Revolving table；Servo system；Debugging PMAC 是一個(gè)開(kāi)放式的運(yùn)動(dòng)控制器，它有多種型號(hào)，系統(tǒng)使用的是TURBO PMACⅡ型卡，該卡在國(guó)內(nèi)的使用不多。用PMAC控制轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)伺服系統(tǒng)，從理論上來(lái)講，伺服環(huán)內(nèi)各元件誤差以及運(yùn)動(dòng)中造成的誤差都可以得到補(bǔ)償，因而可以達(dá)到很高的跟隨精度和定位精度，但由于受機(jī)械變形、溫度變化、振動(dòng)及其它因素的影響，要實(shí)現(xiàn)高精度、良好的穩(wěn)定性和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試有一定的難度。就PMAC 控制的轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試過(guò)程中遇到的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出解決辦法，以供大家借鑒。 1 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1.1 PMAC 概述 美國(guó)DeltaTau 公司的可編程多軸運(yùn)動(dòng)器（PMAC）是世界上功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器之一，它借助于Motorola 的DSP56001/56002 數(shù)字信號(hào)處理器，可以同時(shí)操縱1～8 個(gè)軸。而且它還可以自動(dòng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先等級(jí)判別，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)的多任務(wù)處理，這使得它在處理時(shí)間和任務(wù)切換這方面大大減輕主機(jī)和編程器的負(fù)擔(dān)，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度和控制精度。PMAC 具有開(kāi)放平臺(tái)，不僅可以用G 代碼，而且可以用C 或BASIC 語(yǔ)言編程，它能夠?qū)Υ鎯?chǔ)在它內(nèi)部的程序進(jìn)行單獨(dú)的運(yùn)算，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序、PLC 程序，并可進(jìn)行伺服環(huán)更新，并以串口、總線(xiàn)兩種方式與主計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。 1.2 轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 該控制系統(tǒng)由PC（上位機(jī)）、PMAC 控制器（下位機(jī)）、Dynaserv驅(qū)動(dòng)器、PARK 的高精度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、測(cè)量與反饋系統(tǒng)組成。其控制原理，如圖1 所示。PARK 的高精度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)與一般工作臺(tái)不同，它的電機(jī)是無(wú)刷直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的臺(tái)面是電機(jī)的轉(zhuǎn)子，沒(méi)有了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，這樣就減少了傳動(dòng)誤差。該系統(tǒng)是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用的是直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其雙閉環(huán)系統(tǒng)不同于通常的雙閉環(huán)，其速度環(huán)和位置環(huán)共用圓光柵位置反饋信號(hào)，內(nèi)環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)由速度控制單元、F/V 轉(zhuǎn)換、速度反饋電路組成，它可以實(shí)現(xiàn)速度恒值控制。位置環(huán)由PMAC 中位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測(cè)及位置反饋電路組成。 由于沒(méi)有了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此安裝在轉(zhuǎn)子上的圓光柵所反饋的值既反映了轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際位置，又反映了電機(jī)的輸出，速度環(huán)中該值通過(guò)F/V 轉(zhuǎn)換成速度量，F(xiàn)/V 轉(zhuǎn)換是通過(guò)計(jì)數(shù)的頻率來(lái)轉(zhuǎn)換成模擬電壓（一般是以25kHZ/V 的速率轉(zhuǎn)換）。反饋信號(hào)是增量式A/B 相正交脈沖信號(hào)。控制轉(zhuǎn)臺(tái)的是PMACⅡ型卡，系統(tǒng)中的圓盤(pán)光柵尺精度高，可達(dá)655360 線(xiàn)/轉(zhuǎn)，當(dāng)PMAC 四倍頻后，其分辨率可達(dá)到2621440 脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)。 2 系統(tǒng)調(diào)試 對(duì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試，不但要對(duì)控制卡進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，而且要對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)調(diào)試中會(huì)遇到很多問(wèn)題，本節(jié)只就其中幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析討論。 2.1 轉(zhuǎn)臺(tái)單方向漂移的問(wèn)題 在完成系統(tǒng)連接后，我們用PMAC 的調(diào)試軟件Pewin32 進(jìn)行調(diào)試，上電后，轉(zhuǎn)臺(tái)開(kāi)始出現(xiàn)單方向漂移的現(xiàn)象：轉(zhuǎn)臺(tái)沿順時(shí)針?lè)较蛞院苄〉乃俣纫苿?dòng)。在設(shè)置了常用的PMAC 參數(shù)后，單方向漂移問(wèn)題仍然存在。 為解決這個(gè)問(wèn)題，我們對(duì)有可能的原因一一分析。首先我們懷疑是硬件系統(tǒng)連接引起的，在核對(duì)控制線(xiàn)路圖、重新檢查硬件連線(xiàn)后該現(xiàn)象仍然存在。然后我們懷疑是驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置有問(wèn)題，由于在出廠(chǎng)前其驅(qū)動(dòng)器dynaserv 可能設(shè)置了一些參數(shù)，為此，我們用park 自帶的調(diào)試軟件DRVGⅡ進(jìn)行調(diào)試，上電后，轉(zhuǎn)臺(tái)沒(méi)有出現(xiàn)單方向漂移的現(xiàn)象。由此可以推斷出不是驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置的問(wèn)題，而確定為PMAC 與轉(zhuǎn)臺(tái)之間的匹配或PMAC 參數(shù)設(shè)置的問(wèn)題。經(jīng)仔細(xì)查找，發(fā)現(xiàn)編碼器I 變量I7mn6（轉(zhuǎn)臺(tái)軸對(duì)于伺服卡號(hào)m 為2，通道數(shù)n 為4，即為I7246）的設(shè)置有可能不正確，I7mn6是控制TURBOPMACⅡ型卡中編碼器接口通道n 的命令輸出信號(hào)線(xiàn)的輸出模式，該變量的值可取（0～3），默認(rèn)值是0，表示第n 通道編碼器信號(hào)A、B 和C 是三相直流PWM（脈寬調(diào)制）格式輸出。而該系統(tǒng)的編碼器A&B 相輸入信號(hào)要經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出，其對(duì)應(yīng)的I7246 設(shè)置為3，z 重新設(shè)置后，單方向漂移問(wèn)題得到了解決。 2.2 閉環(huán)后轉(zhuǎn)臺(tái)漂移問(wèn)題 在Pewin32 中讓轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)手動(dòng)運(yùn)行，用“j/”結(jié)束運(yùn)行后，轉(zhuǎn)臺(tái)不能完全停止，而是沿著某個(gè)位置來(lái)回的漂動(dòng)，通過(guò)編碼器反饋顯示，其漂動(dòng)值在±100 個(gè)脈沖左右。執(zhí)行“HM”命令使轉(zhuǎn)臺(tái)回零，回零運(yùn)動(dòng)也不能完成，出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。將手放在轉(zhuǎn)臺(tái)上能夠感知到轉(zhuǎn)臺(tái)在左右抖動(dòng)。在開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)沒(méi)有這種情況出現(xiàn)。 根據(jù)以上的現(xiàn)象，排除系統(tǒng)連接引起的故障，初步得出是轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)系反饋引起的漂移。由于我們的調(diào)試環(huán)境不是很好，首先我們想到的是電磁干擾引起編碼器的讀數(shù)不準(zhǔn)確，從而使得伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)一直在目標(biāo)位置左右來(lái)回移動(dòng)。但我們?cè)跊](méi)有給電機(jī)使能時(shí)，通過(guò)Pewin32 觀(guān)察編碼器反饋顯示，其值穩(wěn)定，如果電磁干擾能引起編碼器的輸出不確定，則電機(jī)沒(méi)有使能時(shí)，編碼器反饋顯示應(yīng)不穩(wěn)定，故排除了環(huán)境影響引起故障。在尋求技術(shù)支持時(shí)，產(chǎn)品供方提出有可能是驅(qū)動(dòng)器內(nèi)硬件濾波器引起。但經(jīng)分析，因?yàn)闉V波器應(yīng)該是必須的，覺(jué)得硬件濾波器引起的可能性不大。最后還是回到PMAC 控制上來(lái)考慮，PMAC 與轉(zhuǎn)臺(tái)之間的匹配沒(méi)有設(shè)置正確。經(jīng)過(guò)認(rèn)真的分析排除，最后得出有可能是伺服IC 的I 變量設(shè)置不正確，I7mn0，它是控制在TURBO PMACⅡ型卡中伺服IC 號(hào)為m，通道數(shù)為n 上的編碼器輸入信號(hào)如何譯碼成脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)應(yīng)的是變量是I7240：伺服IC2、4 通道編碼器譯碼，其值可取0～15，默認(rèn)設(shè)置是7，指四倍頻反時(shí)針譯碼。在正交譯碼模式中，PMAC 希望在CHA 和CHB 有兩路波形輸入，每一路能有大約50％的占空比，且彼此之間有大約四分之一周期的相差，四倍頻譯碼使每一個(gè)周期提供四個(gè)脈沖數(shù)，我們一直認(rèn)為設(shè)置為7 沒(méi)有錯(cuò)，因?yàn)樾枰谋额l譯碼后獲得最大的分辨率。 PMACⅡ型卡提供了編碼器譯碼方式可以是內(nèi)部脈沖＋方向，其譯碼器輸出的脈沖＋方向信號(hào)是由n 通道中的脈沖頻率調(diào)節(jié)器（PFM）輸出電路產(chǎn)生的。它可以產(chǎn)生一個(gè)假想的閉環(huán)來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)環(huán)步進(jìn)系統(tǒng)。我們分析如果將轉(zhuǎn)臺(tái)的編碼器譯碼方式設(shè)置為內(nèi)部脈沖＋方向，其譯碼輸出由內(nèi)部脈沖頻率調(diào)節(jié)器（PFM）輸出電路產(chǎn)生，這樣可以避免一些PMAC 與驅(qū)動(dòng)器間的不匹配。在將I7240 設(shè)置為8（內(nèi)部脈沖＋方向）后，我們將轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)后，來(lái)回漂動(dòng)現(xiàn)象消除了，用“j＝10000”運(yùn)行（手動(dòng)走到絕對(duì)位置為10000counts 處）后編碼器反饋顯示為10000counts，沒(méi)有了抖動(dòng)，并且在設(shè)置為內(nèi)部脈沖＋方向后，根據(jù)運(yùn)行結(jié)果看，其編碼器反饋進(jìn)入PMAC 后也進(jìn)行了四倍頻，分辨率達(dá)到2621440 脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)。到此，該故障得以排除。 2.3 PID 調(diào)節(jié) 在系統(tǒng)中，為了獲得良好的穩(wěn)態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，需要對(duì)系統(tǒng)的控制環(huán)進(jìn)行校正和調(diào)整，所以當(dāng)系統(tǒng)的基本特性（包括機(jī)械傳動(dòng)、電機(jī)選型等）確立后，就需要對(duì)系統(tǒng)的控制環(huán)進(jìn)行調(diào)整了。在以PMAC 為核心控制器的系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)節(jié)它提供的PID＋速度/加速度前饋調(diào)節(jié)器的參數(shù)能解決大部分的系統(tǒng)特性問(wèn)題，這些參數(shù)包括比例增益（proportional）、積分增益（integral）、微分增益（differential）（即PID 控制）；速度、加速度前饋（feedforward）；摩擦增益等等。典型PID 伺服環(huán)，如圖2 所示。 Pewin32 提供了兩種信號(hào)源（脈沖和正弦波信號(hào)）進(jìn)行PID調(diào)整，脈沖響應(yīng)過(guò)程主要是用來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的P、I、D 等參數(shù)，而正弦波響應(yīng)主要是用來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。PID 調(diào)整過(guò)程首先將所有運(yùn)行的運(yùn)動(dòng)程序和PLC 程序停止，然后下載自己一段小程序，讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，繪制出脈沖或正弦響應(yīng)曲線(xiàn)，讓用戶(hù)通過(guò)響應(yīng)曲線(xiàn)來(lái)判斷系統(tǒng)的特性。 PID 調(diào)整必須在了解各參數(shù)的具體作用，并不斷的實(shí)驗(yàn)，最好是先作脈沖響應(yīng)調(diào)整，主要調(diào)整比例、積分、微分增益，在脈沖響應(yīng)曲線(xiàn)調(diào)整最好的狀態(tài)下，不要更改比例、積分、微分增益，作正弦響應(yīng)調(diào)整，正弦響應(yīng)調(diào)整主要調(diào)整速度、加速度前饋和摩擦增益等參數(shù)，以下對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)空載的PID 進(jìn)行調(diào)整，在經(jīng)多次調(diào)整后我們得出了各參數(shù)的最優(yōu)化設(shè)定值。各參數(shù)意義及設(shè)定值，如表1 所示。 在該參數(shù)下，得出脈沖響應(yīng)和正弦響應(yīng)曲線(xiàn)，如圖3 所示。從圖中可以看出，脈沖響應(yīng)曲線(xiàn)中，命令位置和實(shí)際位置基本重合，正弦響應(yīng)曲線(xiàn)中指令速度曲線(xiàn)和時(shí)間速度曲線(xiàn)已經(jīng)完全重合，速度跟隨誤差很下，幅值只有±4 個(gè)脈沖。在該種調(diào)試狀態(tài)下，我們用數(shù)控程序運(yùn)行轉(zhuǎn)臺(tái)時(shí)其跟隨誤差只有1 個(gè)脈沖計(jì)數(shù)，相當(dāng)在圓周上0.5s 角度的誤差，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)已經(jīng)相當(dāng)快了。 3 結(jié)論 對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)試過(guò)程中，一般會(huì)遇到許多的問(wèn)題，總結(jié)起來(lái)在調(diào)試時(shí)應(yīng)注意： （1）硬件連線(xiàn)：仔細(xì)檢查驅(qū)動(dòng)器與轉(zhuǎn)臺(tái)、驅(qū)動(dòng)器與控制卡之間的連接，編碼器反饋的連接。 （2）環(huán)境干擾：外界溫度、振動(dòng)、電磁干擾都可能影響到系統(tǒng)的精度與動(dòng)態(tài)特性，調(diào)試時(shí)應(yīng)有良好的環(huán)境。 （3）PMAC 參數(shù)的設(shè)置：對(duì)于PMAC 卡，由于其型號(hào)較多，不同的型號(hào)參數(shù)設(shè)置不太一樣，調(diào)試過(guò)程中需要仔細(xì)研究其參數(shù)的設(shè)置。 （4）PID 調(diào)節(jié)：PID 調(diào)節(jié)直接影響到系統(tǒng)特性，PID 參數(shù)調(diào)節(jié)要根據(jù)各參數(shù)的特點(diǎn)，不斷的實(shí)驗(yàn)，找到一個(gè)最佳的參數(shù)配置。 參考文獻(xiàn) 1 趙運(yùn)龍. 數(shù)控機(jī)床及運(yùn)用. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002（2） 2 PMAC 用戶(hù)手冊(cè). 北京元貿(mào)興控制設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司，2000 3 楊更更，葉佩青，楊開(kāi)明. 基于PMAC 的數(shù)控系統(tǒng)PID 參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié). 機(jī)械工程師，2002（4） 4 機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū). 北京元貿(mào)興控制設(shè)備技術(shù)有限責(zé)任公司，2001（11）