鄭 偉，皮佑國

(華南理工大學自動化科學與工程學院，廣州 510640)

0 引言

近年來，交流伺服驅動系統(tǒng)已在數(shù)控機床、機器人、火炮等領域得到十分廣泛的應用［1］。在傳統(tǒng)的機床數(shù)控系統(tǒng)中，CNC與各伺服驅動之間采用點對點連接，CNC向驅動器的設定和驅動器向CNC的反饋多采用脈沖方式，脈沖的數(shù)量代表位置，脈沖的頻率代表速度。由于CNC對各伺服驅動的分時控制和反饋，各進給軸伺服驅動接收到設定信號后自行處理而沒有同步約束，難以滿足高性能系統(tǒng)的同步加工要求。

SERCOS(Serial Real-time Communication System)是由德國主要系統(tǒng)制造商CNC、伺服系統(tǒng)制造商和研究技工共同發(fā)起并建立的一套CNC與數(shù)字伺服系統(tǒng)的總線接口標準［2］，這種總線具有完全開放的通訊結構、嚴格的同步機制和極佳的抗干擾能力，在惡劣的環(huán)境下能夠可靠的實現(xiàn)對多軸運動的實時同步控制［3］。1995年，SERCOS接口協(xié)議被批準為IEC1491 SYST-EM-Interface國際標準，也是迄今為止用于數(shù)字伺服和傳動系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的唯一國際標準［4］。

根據(jù)SERCOS的定義，其實施涉及伺服驅動和運動控制系統(tǒng)，本文專注于伺服驅動控制。首先介紹該控制器的功能設計，然后介紹硬件設計和軟件設計，最后介紹該驅動與運動控制器聯(lián)接在數(shù)控機床上的運行和測試效果。

1 交流伺服驅動系統(tǒng)設計

1.1 功能設計

由于數(shù)控系統(tǒng)通信系統(tǒng)的變化，必然引起系統(tǒng)中相關環(huán)節(jié)功能劃分的變化。傳統(tǒng)機床數(shù)控系統(tǒng)中，進給伺服位置控制功能通常是由CNC去完成的。當采用SERCOS通信系統(tǒng)以后，位置控制由伺服驅動去完成，有助于提高系統(tǒng)的位置控制的實時性。其它的功能與傳統(tǒng)伺服驅動的功能沒有多大變化。主要功能為:

(1)位置、速度、轉矩三閉環(huán)控制

(2)點動(JOG)模式

(3)外部模擬數(shù)字轉速設定

(4)SERCOS現(xiàn)場總線通訊

(5)能耗制動

(6)診斷、報警與保護功能

1.2 性能指標設計

伺服驅動系統(tǒng)的主要性能指標設計如表1所示。

表1 交流伺服驅動器主要技術性能指標

1.3 伺服驅動系統(tǒng)硬件設計

伺服驅動器系統(tǒng)硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 伺服驅動器硬件結構圖

主電路將三相交流電整流、濾波后經(jīng) IPM(PM100RLA060)逆變?yōu)殡妷汉皖l率可變的三相正弦交流電向交流伺服電動機供電。

控制電路主要由 TI公司的 TMS320F2812型DSP作為控制核心，其豐富的外設資源和獨具PWM信號產(chǎn)生模塊非常適合電機控制。同時其外圍還配以FPGA邏輯電路、存儲擴展電路、SERCOS現(xiàn)場總線通訊電路、鍵盤和顯示電路等。

伺服驅動器樣機如圖2所示，內部結構利用散熱器為支架，電路板分為控制板和驅動板上下兩層，各種接口布置在同一側以方便使用。

圖2 伺服驅動器樣機

1.4 伺服驅動器軟件設計

整個伺服驅動器采用磁場定向空間矢量控制(SVPWMW)算法，坐標系為dq旋轉軸系，id=0矢量控制方式。系統(tǒng)中空間矢量算法運算、采樣周期優(yōu)化、載波頻率優(yōu)化、位置/轉速/電流三閉環(huán)控制等都由DSP完成。將脈沖的計數(shù)、變M/T法測速、按鍵和顯示任務由FPGA處理，以節(jié)約DSP的資源，保證伺服驅動器控制系統(tǒng)的實時、高精度等性能。

2 運行及測試效果

運行及測試在某公司XKHL650型立式數(shù)控銑床上進行(如圖3所示)。

圖3 立式銑床

三軸伺服控制硬件整體結構如圖4所示。銑床進給伺服電機采用日本三洋公司的P10B18200BXS型電機，電機額定轉速2000r/min，編碼器分辨率6000pluse/r，額定功率2kW。

在使用該伺服驅動器的數(shù)控機床上精加工了該企業(yè)的標準測試件半球和四極模工件，加工后的工件如圖5和圖6所示。

圖5 加工的半球

圖6 加工的四極模

使用球桿儀和三坐標測量儀對工件進行測量，球桿儀的技術術語有反向躍沖、伺服不匹配誤差和圓度等［5］。其中反向躍沖用于檢測機床和伺服系統(tǒng)整體的動態(tài)特性，反向躍沖越小，則伺服系統(tǒng)的響應速度越快;伺服不匹配誤差用于檢測軸間的聯(lián)動性能，伺服不匹配誤差越小，則說明機床各軸間的聯(lián)動性能越好，對負載的擾動變化響應越一致;圓度則說明機床運行軌跡是半徑為100mm的圓時，正反方向半徑的最大誤差，誤差值越小，表明數(shù)控機床加工工件的性能越高［6］。球桿儀和三坐標儀測試結果如圖7、圖8所示。結果顯示工件的反向躍沖、伺服不匹配、圓度和表面光潔度等重要參數(shù)均達到產(chǎn)品加工要求。

圖7 XZ軸球桿儀測試結果

圖8 三坐標儀測試結果

3 結論

(1)研究的交流永磁同步電機伺服驅動器各項技術指標優(yōu)良、多軸間聯(lián)動性好，驅動器可以應用到多軸(含聯(lián)動)數(shù)控機床上。

(2)研究的驅動器引入SERCOS現(xiàn)場總線通訊，使系統(tǒng)具有較高的實時性、可靠性、軸間同步性能，能滿足高精高速加工要求，同時為將來向更高速、高精發(fā)展提供了條件。

(3)研究的驅動器能達到1μm的加工精度，若采用更高線數(shù)的驅動電機，有助于進一步提高加工精度。

［1］李葉松，宋寶，秦憶.全數(shù)字交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)設計［J］.電力電子技術，2002.6(3):26－28.

［2］郇極.CNC系統(tǒng)數(shù)字伺服接口協(xié)議SERCOS［J］.制造自動化，1997(2):33－35.

［3］方培潘，皮佑國.基于SERCOS-Ⅱ的機床數(shù)控系統(tǒng)實時通信與同步控制研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2012(2):54－57.

［4］郇極，尹旭峰.基于數(shù)字伺服現(xiàn)場總線技術的開放式數(shù)控系統(tǒng)［J］.中國機械工程，1999(10):1132－1234.

［5］陳浩，滿忠雷.基于球桿儀方法的進出口數(shù)控機床檢驗研究［J］.機械管理開發(fā)，2009(2):58－59.

［6］黃鐘，皮佑國.數(shù)控機床進給交流伺服系統(tǒng)的周期優(yōu)化研究［J］.電氣傳動，2012(1):10－13.