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

PMAC是一個開放式的運動控制器，它有多種型號，系統(tǒng)使用的是TURBO PMACⅡ型卡，該卡在國內(nèi)的使用不多。用PMAC控制轉(zhuǎn)臺閉環(huán)伺服系統(tǒng)，從理論上來講，伺服環(huán)內(nèi)各元件誤差以及運動中造成的誤差都可以得到補償，因而可以達到很高的跟隨精度和定位精度，但由于受機械變形、溫度變化、振動及其它因素的影響，要實現(xiàn)高精度、良好的穩(wěn)定性和快速的動態(tài)響應特性，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試有一定的難度。就PMAC控制的轉(zhuǎn)臺閉環(huán)系統(tǒng)進行調(diào)試過程中遇到的幾個問題進行分析，并提出解決辦法，以供大家借鑒。

1 伺服系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 PMAC 概述

美國DeltaTau 公司的可編程多軸運動器（PMAC）是世界上功能強大的運動控制器之一，它借助于Motorola 的DSP56001/56002 數(shù)字信號處理器，可以同時操縱1～8 個軸。而且它還可以自動對任務進行優(yōu)先等級判別，從而進行實時的多任務處理，這使得它在處理時間和任務切換這方面大大減輕主機和編程器的負擔，提高了整個控制系統(tǒng)的運行速度和控制精度。PMAC 具有開放平臺，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υ谒鼉?nèi)部的程序進行單獨的運算，執(zhí)行運動程序、PLC 程序，并可進行伺服環(huán)更新，并以串口、總線兩種方式與主計算機進行通訊。

1.2 轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計

該控制系統(tǒng)由PC（上位機）、PMAC 控制器（下位機）、Dynaserv驅(qū)動器、PARK 的高精度旋轉(zhuǎn)工作臺、測量與反饋系統(tǒng)組成。其控制原理，如圖1 所示。PARK 的高精度旋轉(zhuǎn)工作臺與一般工作臺不同，它的電機是無刷直接驅(qū)動電機，回轉(zhuǎn)工作臺的臺面是電機的轉(zhuǎn)子，沒有了傳動機構(gòu)，這樣就減少了傳動誤差。該系統(tǒng)是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)中執(zhí)行機構(gòu)采用的是直接驅(qū)動電機，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，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、位置檢測及位置反饋電路組成。

圖1 轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

由于沒有了傳動機構(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)臺的實際位置，又反映了電機的輸出，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）。反饋信號是增量式A/B 相正交脈沖信號?？刂妻D(zhuǎn)臺的是PMACⅡ型卡，系統(tǒng)中的圓盤光柵尺精度高，可達655360 線/轉(zhuǎn)，當PMAC 四倍頻后，其分辨率可達到2621440 脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)調(diào)試

對雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)試，不但要對控制卡進行參數(shù)設(shè)置，而且要對驅(qū)動器進行參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)調(diào)試中會遇到很多問題，本節(jié)只就其中幾個問題進行分析討論。

2.1 轉(zhuǎn)臺單方向漂移的問題

在完成系統(tǒng)連接后，我們用PMAC 的調(diào)試軟件Pewin32 進行調(diào)試，上電后，轉(zhuǎn)臺開始出現(xiàn)單方向漂移的現(xiàn)象：轉(zhuǎn)臺沿順時針方向以很小的速度移動。在設(shè)置了常用的PMAC 參數(shù)后，單方向漂移問題仍然存在。

為解決這個問題，我們對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)動器的設(shè)置有問題，由于在出廠前其驅(qū)動器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進行調(diào)試，上電后，轉(zhuǎn)臺沒有出現(xiàn)單方向漂移的現(xiàn)象。由此可以推斷出不是驅(qū)動器參數(shù)設(shè)置的問題，而確定為PMAC 與轉(zhuǎn)臺之間的匹配或PMAC 參數(shù)設(shè)置的問題。經(jīng)仔細查找，發(fā)現(xiàn)編碼器I 變量I7mn6（轉(zhuǎn)臺軸對于伺服卡號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 的命令輸出信號線的輸出模式，該變量的值可?。?～3），默認值是0，表示第n 通道編碼器信號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 相輸入信號要經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出，其對應的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)臺漂移問題

在Pewin32 中讓轉(zhuǎn)臺閉環(huán)手動運行，用“j/”結(jié)束運行后，轉(zhuǎn)臺不能完全停止，而是沿著某個位置來回的漂動，通過編碼器反饋顯示，其漂動值在±100 個脈沖左右。執(zhí)行“HM”命令使轉(zhuǎn)臺回零，回零運動也不能完成，出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。將手放在轉(zhuǎn)臺上能夠感知到轉(zhuǎn)臺在左右抖動。在開環(huán)運行時沒有這種情況出現(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)不準確，從而使得伺服系統(tǒng)驅(qū)動轉(zhuǎn)臺一直在目標位置左右來回移動。但我們在沒有給電機使能時，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，則電機沒有使能時，編碼器反饋顯示應不穩(wěn)定，故排除了環(huán)境影響引起故障。在尋求技術(shù)支持時，產(chǎn)品供方提出有可能是驅(qū)動器內(nèi)硬件濾波器引起。但經(jīng)分析，因為濾波器應該是必須的，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)臺之間的匹配沒有設(shè)置正確。經(jīng)過認真的分析排除，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 號為m，通道數(shù)為n 上的編碼器輸入信號如何譯碼成脈沖數(shù)。轉(zhuǎn)臺對應的是變量是I7240：伺服IC2、4 通道編碼器譯碼，其值可取0～15，默認設(shè)置是7，指四倍頻反時針譯碼。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周期提供四個脈沖數(shù)，我們一直認為設(shè)置為7 沒有錯，因為需要四倍頻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)生一個假想的閉環(huán)來驅(qū)動開環(huán)步進系統(tǒng)。我們分析如果將轉(zhuǎn)臺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)臺閉環(huán)后，來回漂動現(xiàn)象消除了，用“j＝10000”運行（手動走到絕對位置為10000counts 處）后編碼器反饋顯示為10000counts，沒有了抖動，并且在設(shè)置為內(nèi)部脈沖＋方向后，根據(jù)運行結(jié)果看，其編碼器反饋進入PMAC 后也進行了四倍頻，分辨率達到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)特性和動態(tài)特性，需要對系統(tǒng)的控制環(huán)進行校正和調(diào)整，所以當系統(tǒng)的基本特性（包括機械傳動、電機選型等）確立后，就需要對系統(tǒng)的控制環(huán)進行調(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。

圖2 典型PID伺服環(huán)

Pewin32 提供了兩種信號源（脈沖和正弦波信號）進行PID調(diào)整，脈沖響應過程主要是用來調(diào)整系統(tǒng)的P、I、D 等參數(shù)，而正弦波響應主要是用來調(diào)整系統(tǒng)的動態(tài)特性。PID 調(diào)整過程首先將所有運行的運動程序和PLC 程序停止，然后下載自己一段小程序，讓電機轉(zhuǎn)動，實時采集數(shù)據(jù)，繪制出脈沖或正弦響應曲線，讓用戶通過響應曲線來判斷系統(tǒng)的特性。

PID 調(diào)整必須在了解各參數(shù)的具體作用，并不斷的實驗，最好是先作脈沖響應調(diào)整，主要調(diào)整比例、積分、微分增益，在脈沖響應曲線調(diào)整最好的狀態(tài)下，不要更改比例、積分、微分增益，作正弦響應調(diào)整，正弦響應調(diào)整主要調(diào)整速度、加速度前饋和摩擦增益等參數(shù)，以下對轉(zhuǎn)臺空載的PID 進行調(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

在該參數(shù)下，得出脈沖響應和正弦響應曲線，如圖3 所示。從圖中可以看出，脈沖響應曲線中，命令位置和實際位置基本重合，正弦響應曲線中指令速度曲線和時間速度曲線已經(jīng)完全重合，速度跟隨誤差很下，幅值只有±4 個脈沖。在該種調(diào)試狀態(tài)下，我們用數(shù)控程序運行轉(zhuǎn)臺時其跟隨誤差只有1 個脈沖計數(shù)，相當在圓周上0.5s 角度的誤差，其動態(tài)響應已經(jīng)相當快了。

圖3 PID調(diào)整曲線

3 結(jié) 論

對轉(zhuǎn)臺的調(diào)試過程中，一般會遇到許多的問題，總結(jié)起來在調(diào)試時應注意：

（1）硬件連線：仔細檢查驅(qū)動器與轉(zhuǎn)臺、驅(qū)動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、電磁干擾都可能影響到系統(tǒng)的精度與動態(tài)特性，調(diào)試時應有良好的環(huán)境。

（3）PMAC 參數(shù)的設(shè)置：對于PMAC 卡，由于其型號較多，不同的型號參數(shù)設(shè)置不太一樣，調(diào)試過程中需要仔細研究其參數(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，不斷的實驗，找到一個最佳的參數(shù)配置。