基于DSP的直驱转塔刀架控制系统设计
2018-11-05杨洋张秋菊
杨洋，张秋菊
(1. 江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122； 2. 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室，江苏 无锡 214122)
0 引言
数控直驱转塔刀架是一种采用直接驱动技术的新型转塔刀架[1]，通过电机直接驱动负载，实现了机构的零传动，具有输出转矩大、精度高、使用寿命长等诸多优点[2]。国内对直驱转塔刀架的研究还是空白，能够做直驱转塔刀架的厂家很少，有烟台环球、常州宏达、沈阳精诚数控等少数几家[3]。如何自主研发直驱转塔刀架有着重要意义。
直驱转塔刀架的研究中，伺服驱动控制系统是其中主要的研究部分。20世纪80年代初至今，伺服驱动系统已经从直流伺服控制转变为交流伺服控制阶段，交流电机凭借其转动惯量小、负载能力强、动态性能优越等优点得到了广泛应用[4-6]。随着电力电子技术的发展，伺服驱动技术也有了长远的发展，从1947年第一个晶体管的问世，电力电子元器件经过增大容量、提高性能、降低成本，如今已经发展到了第四代功率集成电路(简称IPM)，使得系统控制性能大为提高[7-8]。主芯片上，DSP的应用使得控制系统在控制精度和处理速度上有了很大的进步，TMS320F28335DSP是德州仪器推出的32位浮点数字控制处理器，主频150 MHz，外设丰富，性价比高，广泛应用于电机控制行业[9]。
在实际使用过程中，发现目前市面上的一些通用型驱动器普遍存在一些问题。如：伺服驱动器I/O口不足，无法满足直驱转塔刀架的需求；驱动器不够智能化，控制算法不够先进；驱动器的体积过大，无法满足小型化和高度集成化的要求；驱动器的价格普遍过高。针对这些问题，拟设计一款直驱转塔刀架的智能控制系统，本文主要对控制系统的硬件和软件部分设计进行介绍。
1 系统整体方案
直驱转塔刀架控制系统主要包含以DSP芯片为核心的控制板、以IPM为核心的功率驱动板、直驱转塔刀架部分、CNC机床信息交互部分以及上位机部分。
CNC机床通过I/O与DSP进行信息交互，发送换刀指令以及报警信息等。DSP接受到换刀信息后发出PWM波，通过功率板驱动直驱转塔刀架的电机转动。旋转变压器返回电机的位置信息。当到达目标刀位时，停止转动，完成换刀工作。系统主电路采用220 V交流电经过整流滤波驱动IPM。
直驱转塔刀架控制系统的整体框图如图1所示。
图1 系统总体框图
2 系统硬件设计
2.1 旋变解码模块设计
直驱转塔刀架采用旋转变压器TS2620N21E11，非常适合直驱转塔刀架伺服系统，可以获得刀盘的绝对位置信息。由于旋转变压器的输出是包含着位置信息的模拟信号，需要对其进行处理并且将其转换为相对应的包含着位置信息的数字量，才能与DSP控制芯片接口。AD2S83芯片是一款专用的旋转变压器-数字转换器(R/D转换器)，其具有功能强、可靠性高、使用方便等优点。通过AD2S83实现电机位置信号实时检测的数字化(图2)。AD2S83提供有10位、12位、14位或16位分辨率，通过控制芯片引脚SC1和SC2的高低电平逻辑选择不同的分辨率，如表1所示。本课题选用旋变解码模块能达到14位分辨率。
表1 AD2S83分辨率对应引脚接线表
图2 旋变解码电路
2.2 ADC采集模块设计
ADC采集模块为8通道同步采集，采用AD7606芯片。AD7606为16位8通道同步采样数据采集系统，采用5 V单电源供电，可以处理±5 V和±10 V双极性输入信号，采样速率能达到200 kSPS。分别设计采样电路对直驱转塔刀架的母线电压采集、交流电压采集、U相电流采集、V相电流采集、速度反馈采集等。电路原理图如图3所示。
图3 ADC采集模块图
2.3 功率驱动模块设计
功率驱动模块采用三菱的IPM PS21865的智能功率模块。6路PWM波经过光电耦合隔离输入IPM，输出点则直接连接直驱转塔刀架的电机模块。IPM功率模块将保护、驱动、功率开关集成到一个模块上。符合当前伺服驱动器高度集成化的发展趋势[10]。功率驱动模块如图4所示。
图4 功率驱动模块图
2.4 驱动板主电路设计
驱动板主电路部分如图5所示。主电路为220 V交流电压输入，经过单相整流桥整流后变为直流电，输入到智能功率模块IPM中，IPM内部结构可以看成三相桥式逆变电路。经过IPM逆变电路逆变后输出U、V、W三相驱动直驱电机转动，实现电机驱动功能。
图5 驱动板主电路
2.5 母线电压采集
电压采集通过对直流母线电压进行采集。使用线性光耦HCNR2000进行隔离传送，线性光耦隔离的原理和普通光耦没有差别，区别是线性光耦非常适合用于模拟信号隔离，而普通的光耦隔离由于输入输出的线形较差，并且随着温度变化较大，限制了其在模拟信号隔离的应用。母线电压采集的量经过处理后传送给ADC采集芯片进行AD转换，最终传送给DSP。
3 系统软件设计
控制系统的软件设计主要包含两大部分：主程序和中断子程序。系统的主程序主要完成系统的初始化和变量初始化，对系统所需的外设环境进行配置等简单任务。中断程序则主要完成电机控制算法以及换刀等主要任务。
3.1 主程序设计
控制系统主要完成系统的初始化；变量及各功能模块的初始化；直驱转塔刀架的电机参数初始化；开中断以及DSP的外设初始化等。通过设计的死循环，使得系统能够实时更新串口信息；更新电压值；更新LCD的显示信息以及按键信息等。采用中断的方式编程，将电机控制算法以及直驱转塔刀架换刀的规划等放入中断程序中。当中断来临时，系统跳入中断程序。主程序框图如图6所示。
图6 主程序框图
3.2 中断程序设计
中断程序完成控制系统的核心电机控制算法功能以及直驱转塔刀架的换刀规划等算法。主要包含以下的功能模块：读取按键信息，通过按键的方式模拟CNC发送换刀信息；读取旋转变压器绝对位置；转速计量模块；电流采样模块；Clarke和Park变换；读取换刀信息；最优换刀路径规划；速度曲线规划；电流环PI控制器；速度环PI控制器；位置环PI控制器；Park逆变换；SVPWM矢量控制。中断程序框图如图7所示。
图7 中断程序框图
1) 与CNC机床信息交互
通用型的CNC机床都是通过I/O接口与控制系统进行信息交互。CNC机床发送刀位信息指令、刀架锁紧到位信号等开关量给智能驱动控制系统，控制系统接受到指令后驱动转塔刀架电机完成换刀工作。控制系统完成换刀工作后将刀位信息、刀架锁紧信息以及报警信息等反馈给CNC机床，实现与CNC机床的信息交互。如图8所示，CNC机床与控制系统交互图。
图8 CNC机床与控制系统交互图
2) AD采集
AD采样模块是控制系统常用的模块。主要用于模拟量和数字量之间的相互转化。本文使用AD采样芯片AD7606，实现对伺服系统U相电流采集、V相电流采集、母线电压采集等。AD采集流程图如图9所示。
图9 AD采集流程
3) 最优换刀路径规划
直驱转塔刀架在换刀过程中要保证换刀的快速性，要使刀盘走过最小的角度值，需要进行最优换刀路径的规划。当刀位差>0时，顺时针刀位差为刀位差，逆时针刀位差为65536-刀位差，通过比较顺时针刀位差和逆时针刀位差的大小来旋转顺时针旋转或者逆时针旋转。同理得出刀位差<0时，应顺时针转动或者逆时针转动。最优换刀路径图如图10所示。
图10 最优换刀路径规划
4 实验平台搭建
本文以直驱转塔刀架为研究对象，控制系统的硬件平台为以DSP为核心的控制板和以IPM为核心的功率驱动板，通过按键模拟CNC发送换刀信息，实验平台如图11所示。通过示波器测得单路PWM波形图，如图12所示，可以看出PWM波的频率为10 kHz，占空比为50%与设定值相吻合，与仿真得到的结果一致。实验表明，直驱转塔刀架控制系统可以很好地完成换刀工作。
图11 直驱转塔刀架控制系统实验平台
图12 PWM波形示意图
5 结语
本文设计了一款直驱转塔刀架专用控制系统。它是以DSP为核心的控制系统和以IPM为核心的功率驱动系统。详细地阐述了该控制系统的硬件设计方法以及软件模块的设计。最后搭建实物平台进行验证，实验表明该控制系统可以满足直驱转塔刀架的基本功能需求，实现快速换刀。在后期的工作中，将对控制系统的控制算法智能化进行研究，实现控制系统的智能化。
