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PMAC控制的轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試問題及解決方案

電子設(shè)計(jì) ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2019-06-25 08:10 ? 次閱讀

PMAC是一個(gè)開放式的運(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)試過程中遇到的幾個(gè)問題進(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 具有開放平臺(tái),不僅可以用G 代碼,而且可以用C 或BASIC 語言編程,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。

PMAC控制的轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試問題及解決方案

圖1 轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

由于沒有了傳動(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F/V 轉(zhuǎn)換成速度量,F(xiàn)/V 轉(zhuǎn)換是通過計(jì)數(shù)的頻率來轉(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)??刂妻D(zhuǎn)臺(tái)的是PMACⅡ型卡,系統(tǒng)中的圓盤光柵尺精度高,可達(dá)655360 線/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)遇到很多問題,本節(jié)只就其中幾個(gè)問題進(jìn)行分析討論。

2.1 轉(zhuǎn)臺(tái)單方向漂移的問題

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)開始出現(xiàn)單方向漂移的現(xiàn)象:轉(zhuǎn)臺(tái)沿順時(shí)針方向以很小的速度移動(dòng)。在設(shè)置了常用的PMAC 參數(shù)后,單方向漂移問題仍然存在。

為解決這個(gè)問題,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)控制線路圖、重新檢查硬件連線后該現(xiàn)象仍然存在。然后我們懷疑是驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置有問題,由于在出廠前其驅(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,單方向漂移問題得到了解決。

2.2 閉環(huán)后轉(zhuǎn)臺(tái)漂移問題

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)位置來回的漂動(dòng),通過編碼器反饋顯示,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)。在開環(huán)運(yùn)行時(shí)沒有這種情況出現(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)位置左右來回移動(dòng)。但我們?cè)跊]有給電機(jī)使能時(shí),通過Pewin32 觀察編碼器反饋顯示,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 控制上來考慮,PMAC 與轉(zhuǎn)臺(tái)之間的匹配沒有設(shè)置正確。經(jīng)過認(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)來驅(qū)動(dòng)開環(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。

PMAC控制的轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試問題及解決方案

圖2 典型PID伺服環(huán)

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)過程主要是用來調(diào)整系統(tǒng)的P、I、D 等參數(shù),而正弦波響應(yīng)主要是用來調(diào)整系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。PID 調(diào)整過程首先將所有運(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,讓用戶通過響應(yīng)曲線來判斷系統(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。

表1 PID調(diào)節(jié)參數(shù)意義及設(shè)定值

PMAC控制的轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試問題及解決方案

在該參數(shù)下,得出脈沖響應(yīng)和正弦響應(yīng)曲線,如圖3 所示。從圖中可以看出,脈沖響應(yīng)曲線中,命令位置和實(shí)際位置基本重合,正弦響應(yīng)曲線中指令速度曲線和時(shí)間速度曲線已經(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。

PMAC控制的轉(zhuǎn)臺(tái)閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試問題及解決方案

圖3 PID調(diào)整曲線

3 結(jié) 論

對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)試過程中,一般會(huì)遇到許多的問題,總結(jié)起來在調(diào)試時(shí)應(yīng)注意:

(1)硬件連線: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。

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    發(fā)表于 11-09 21:04 ?0次下載
    APM32F407VGT6_<b class='flag-5'>調(diào)試問</b>題_使用IAR<b class='flag-5'>調(diào)試</b>時(shí)無法運(yùn)行