PMAC控制下的高精度转台双闭环伺服系统设计与调试

   PMAC 是一个开放式的运动控制器，它有多种型号，系统使用的是TURBO PMACⅡ型卡，该卡在国内的使用不多。用PMAC控制转台闭环伺服系统，从理论上来讲，伺服环内各元件误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，因而可以达到很高的跟随精度和定位精度，但由于受机械变形、温度变化、振动及其它因素的影响，要实现高精度、良好的稳定性和快速的动态响应特性，闭环系统的调试有一定的难度。就PMAC 控制的转台闭环系统进行调试过程中遇到的几个问题进行分析，并提出解决办法，以供大家借鉴。

1 伺服系统的设计

    1.1 PMAC 概述

    美国DeltaTau 公司的可编程多轴运动器（PMAC）是世界上功能强大的运动控制器之一，它借助于Motorola 的DSP56001/56002 数字信号处理器，可以同时操纵1～8 个轴。而且它还可以自动对任务进行优先等级判别，从而进行实时的多任务处理，这使得它在处理时间和任务切换这方面大大减轻主机和编程器的负担，提高了整个控制系统的运行速度和控制精度。PMAC 具有开放平台，不仅可以用G 代码，而且可以用C 或BASIC 语言编程，它能够对存储在它内部的程序进行单独的运算，执行运动程序、PLC 程序，并可进行伺服环更新，并以串口、总线两种方式与主计算机进行通讯。

    1.2 转台控制系统设计

    该控制系统由PC（上位机）、PMAC 控制器（下位机）、Dynaserv驱动器、PARK 的高精度旋转工作台、测量与反馈系统组成。其控制原理，如图1 所示。PARK 的高精度旋转工作台与一般工作台不同，它的电机是无刷直接驱动电机，回转工作台的台面是电机的转子，没有了传动机构，这样就减少了传动误差。该系统是一个双闭环系统，由于该系统中执行机构采用的是直接驱动电机，其双闭环系统不同于通常的双闭环，其速度环和位置环共用圆光栅位置反馈信号，内环是速度环，外环是位置环。速度环由速度控制单元、F/V 转换、速度反馈电路组成，它可以实现速度恒值控制。位置环由PMAC 中位置控制模块、速度控制单元、位置检测及位置反馈电路组成。

图1 转台伺服系统结构原理图

    由于没有了传动机构，因此安装在转子上的圆光栅所反馈的值既反映了转台的实际位置，又反映了电机的输出，速度环中该值通过F/V 转换成速度量，F/V 转换是通过计数的频率来转换成模拟电压（一般是以25kHZ/V 的速率转换）。反馈信号是增量式A/B 相正交脉冲信号。控制转台的是PMACⅡ型卡，系统中的圆盘光栅尺精度高，可达655360 线/转，当PMAC 四倍频后，其分辨率可达到2621440 脉冲数/转。

2 系统调试

    对双闭环系统的调试，不但要对控制卡进行参数设置，而且要对驱动器进行参数设置，系统调试中会遇到很多问题，本节只就其中几个问题进行分析讨论。

    2.1 转台单方向漂移的问题

    在完成系统连接后，我们用PMAC 的调试软件Pewin32 进行调试，上电后，转台开始出现单方向漂移的现象：转台沿顺时针方向以很小的速度移动。在设置了常用的PMAC 参数后，单方向漂移问题仍然存在。

    为解决这个问题，我们对有可能的原因一一分析。首先我们怀疑是硬件系统连接引起的，在核对控制线路图、重新检查硬件连线后该现象仍然存在。然后我们怀疑是驱动器的设置有问题，由于在出厂前其驱动器dynaserv 可能设置了一些参数，为此，我们用park 自带的调试软件DRVGⅡ进行调试，上电后，转台没有出现单方向漂移的现象。由此可以推断出不是驱动器参数设置的问题，而确定为PMAC 与转台之间的匹配或PMAC 参数设置的问题。经仔细查找，发现编码器I 变量I7mn6（转台轴对于伺服卡号m 为2，通道数n 为4，即为I7246）的设置有可能不正确，I7mn6是控制TURBOPMACⅡ型卡中编码器接口通道n 的命令输出信号线的输出模式，该变量的值可取（0～3），默认值是0，表示第n 通道编码器信号A、B 和C 是三相直流PWM（脉宽调制）格式输出。而该系统的编码器A&B 相输入信号要经数模转换后输出，其对应的I7246 设置为3，z 重新设置后，单方向漂移问题得到了解决。

    2.2 闭环后转台漂移问题

    在Pewin32 中让转台闭环手动运行，用“j/”结束运行后，转台不能完全停止，而是沿着某个位置来回的漂动，通过编码器反馈显示，其漂动值在±100 个脉冲左右。执行“HM”命令使转台回零，回零运动也不能完成，出现同样的现象。将手放在转台上能够感知到转台在左右抖动。在开环运行时没有这种情况出现。

    根据以上的现象，排除系统连接引起的故障，初步得出是转台闭环系反馈引起的漂移。由于我们的调试环境不是很好，首先我们想到的是电磁干扰引起编码器的读数不准确，从而使得伺服系统驱动转台一直在目标位置左右来回移动。但我们在没有给电机使能时，通过Pewin32 观察编码器反馈显示，其值稳定，如果电磁干扰能引起编码器的输出不确定，则电机没有使能时，编码器反馈显示应不稳定，故排除了环境影响引起故障。在寻求技术支持时，产品供方提出有可能是驱动器内硬件滤波器引起。但经分析，因为滤波器应该是必须的，觉得硬件滤波器引起的可能性不大。最后还是回到PMAC 控制上来考虑，PMAC 与转台之间的匹配没有设置正确。经过认真的分析排除，最后得出有可能是伺服IC 的I 变量设置不正确，I7mn0，它是控制在TURBO PMACⅡ型卡中伺服IC 号为m，通道数为n 上的编码器输入信号如何译码成脉冲数。转台对应的是变量是I7240：伺服IC2、4 通道编码器译码，其值可取0～15，默认设置是7，指四倍频反时针译码。在正交译码模式中，PMAC 希望在CHA 和CHB 有两路波形输入，每一路能有大约50％的占空比，且彼此之间有大约四分之一周期的相差，四倍频译码使每一个周期提供四个脉冲数，我们一直认为设置为7 没有错，因为需要四倍频译码后获得最大的分辨率。

    PMACⅡ型卡提供了编码器译码方式可以是内部脉冲＋方向，其译码器输出的脉冲＋方向信号是由n 通道中的脉冲频率调节器（PFM）输出电路产生的。它可以产生一个假想的闭环来驱动开环步进系统。我们分析如果将转台的编码器译码方式设置为内部脉冲＋方向，其译码输出由内部脉冲频率调节器（PFM）输出电路产生，这样可以避免一些PMAC 与驱动器间的不匹配。在将I7240 设置为8（内部脉冲＋方向）后，我们将转台闭环后，来回漂动现象消除了，用“j＝10000”运行（手动走到绝对位置为10000counts 处）后编码器反馈显示为10000counts，没有了抖动，并且在设置为内部脉冲＋方向后，根据运行结果看，其编码器反馈进入PMAC 后也进行了四倍频，分辨率达到2621440 脉冲数/转。到此，该故障得以排除。

    2.3 PID 调节

    在系统中，为了获得良好的稳态特性和动态特性，需要对系统的控制环进行校正和调整，所以当系统的基本特性（包括机械传动、电机选型等）确立后，就需要对系统的控制环进行调整了。在以PMAC 为核心控制器的系统中，通过调节它提供的PID＋速度/加速度前馈调节器的参数能解决大部分的系统特性问题，这些参数包括比例增益（proportional）、积分增益（integral）、微分增益（differential）（即PID 控制）；速度、加速度前馈（feedforward）；摩擦增益等等。典型PID 伺服环，如图2 所示。

图2 典型PID伺服环

    Pewin32 提供了两种信号源（脉冲和正弦波信号）进行PID调整，脉冲响应过程主要是用来调整系统的P、I、D 等参数，而正弦波响应主要是用来调整系统的动态特性。PID 调整过程首先将所有运行的运动程序和PLC 程序停止，然后下载自己一段小程序，让电机转动，实时采集数据，绘制出脉冲或正弦响应曲线，让用户通过响应曲线来判断系统的特性。

    PID 调整必须在了解各参数的具体作用，并不断的实验，最好是先作脉冲响应调整，主要调整比例、积分、微分增益，在脉冲响应曲线调整最好的状态下，不要更改比例、积分、微分增益，作正弦响应调整，正弦响应调整主要调整速度、加速度前馈和摩擦增益等参数，以下对转台空载的PID 进行调整，在经多次调整后我们得出了各参数的最优化设定值。各参数意义及设定值，如表1 所示。

表1 PID调节参数意义及设定值

    在该参数下，得出脉冲响应和正弦响应曲线，如图3 所示。从图中可以看出，脉冲响应曲线中，命令位置和实际位置基本重合，正弦响应曲线中指令速度曲线和时间速度曲线已经完全重合，速度跟随误差很下，幅值只有±4 个脉冲。在该种调试状态下，我们用数控程序运行转台时其跟随误差只有1 个脉冲计数，相当在圆周上0.5s 角度的误差，其动态响应已经相当快了。

图3 PID调整曲线

3 结 论

    对转台的调试过程中，一般会遇到许多的问题，总结起来在调试时应注意：

    （1）硬件连线：仔细检查驱动器与转台、驱动器与控制卡之间的连接，编码器反馈的连接。
    （2）环境干扰：外界温度、振动、电磁干扰都可能影响到系统的精度与动态特性，调试时应有良好的环境。
    （3）PMAC 参数的设置：对于PMAC 卡，由于其型号较多，不同的型号参数设置不太一样，调试过程中需要仔细研究其参数的设置。
    （4）PID 调节：PID 调节直接影响到系统特性，PID 参数调节要根据各参数的特点，不断的实验，找到一个最佳的参数配置。