松下ＭＩＮＡＳ Ａ系列交流伺服电机驱动器在位置控制中的应用
在某些传动领域内，需要对被控对象实现高精度的位置控制，而实现精确位置控制的一个基本条件是需要有高精度的执行机构。当脉冲当量和进给速度都要求太高时，传统的步进电机或直流伺服电机将面临一系列问题，且实现起来难度大，成本较高。而近些年兴起的交流伺服电机传动技术却能以较低的成本获取极高的位置控制精度，世界上许多知名电机制造商如松下，三洋，西门子等公司纷纷推出自己的交流伺服电机和伺服驱动器。日本松下公司的ＭＩＮＡＳ Ａ系列为比较典型的一种。结合笔者使用该伺服电机驱动器的体会，将对该伺服电机驱动器作简要介绍。
１ 位置控制及伺服驱动方框图
在位置控制方式下，伺服驱动器接收数控主机发出的位置指令信号脉冲／方向，送入脉冲列形态，经电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲数，经四倍频后产生的。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号与位置检测装置相同比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由ＳＰＷＭ输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。位置控制精度由光电编码器每转产生的脉冲数控制。它分增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式编码器构造简单，易于掌握，平均寿命长，分辨率高，实际应用较多。本系统采用的是增量式光电编码器。绝对式光电编码器按二进制编码输出，信号线多，由于精度取决于位数，所以高分辨率不易得到。但是这种编码器即使不动时也能输出绝对角度信息，主要用于全闭环高级数控机床中。增量式光电编码器伺服电机驱动器方框图如图１所示：
２ 基于ＭＩＮＡＳ Ａ的位置控制传动系统
激光内雕机控制系统是一个典型的位置控制系统。它的工作原理为：伺服电机在数控主机控制下，带动三维工作台在空间内作轨迹运动，将出头光固定在三维工作台上，通过数控主机控制激光设备出光。将工件固定在工作台打标范围内。这样，在数控主机控制下，可在水晶等玻璃制品工件内打印出各种立体文字、图形、图像等标记。系统原理框图如图２所示：
采用ＰＣ机作为数控主机，通过研华公司ＰＣＬ－７２０多功能卡构成计算机并行数据输出方式，它的内部具有三个设备端口：数据寄存器，控制寄存器和状态寄存器。ＣＰＵ通过对它们的访问，可实现对系统的各种操作。接口模板将计算机与系统相连，其结构如图３所示：
由计算机输出的六位数据信号经缓冲器，光电隔离后送入伺服驱动器中。它们分别是Ｘ轴脉冲信号，Ｘ轴方向信号。Ｙ轴脉冲信号，Ｙ轴方向信号。Ｚ轴脉冲信号，Ｚ轴方向信号。其中，脉冲信号控制电机所走的步数，方向信号控制电机正反转，以完成各轴的位置控制。Ｘ轴到位信号检测，Ｙ轴到位信号检测，Ｚ轴到位信号检测是三组机械开关，通过开关的闭合，可使系统每次复位时进入参考坐标原点。三位状态信号经逻辑电平整形电路，光电信号隔离电路后送入计算机状态寄存器中，由ＣＰＵ随时读出。ＧＡＬ逻辑电路由可编程逻辑器件构成，该逻辑电路生成ＲＳ锁存器，计算机通过ＲＳ锁存器，光电隔离电路控制激光电源产生高压脉冲串，由高压脉冲串控制光路形成激光束，从而使打标头出光。三组线性电源中，二组用来对光电隔离前、后芯片供电，另一组线性电源供伺服电机处于激磁状态，以便伺服电机接收到指令脉冲就能运行。由于模板采用了隔离措施，这样，既隔离了外界对数字信号的干扰，又能有效地防止过电压、过电流等外界突发事件对计算机系统的损坏，大大提高了系统的控制精度和可靠性。
在伺服驱动器中，ＰＵＬＳ１与接口板脉冲信号相连，ＰＵＬＳ２接＋５Ｖ信号，ＳＩＧＮ１接方向信号，ＳＩＧＮ２接＋５Ｖ信号，ＣＯＭ＋，ＣＯＭ－分别接＋１５Ｖ电源正负端。ＳＲＶ－ＯＮ与ＣＯＭ－相连。这样，就完成了位置控制模式下的基本连线。其它连线可根据系统的需要进行适当连接。参数设置通过触摸面板进行，控制方式选择置为位置控制，转矩限制置为输入无效，驱动禁止置为输入无效，指令脉冲输入方式选择置为脉冲／符号方式，指令脉冲禁止置为输入无效。每转输出脉冲数置为２５００。电子齿轮比可根据实际需要进行设置。由于伺服电机通过联轴器与工作台的滚株丝杠相连，机械刚性高，将自动增益调整时，机械刚性置为９。增益参数采用自动调整方式：按照预定内部设定的模式使电机加速和减速，从所需转矩计算负荷的惯量，然后根据惯量，自动地决定适当的增益。其它参数按出厂时的缺省设置。由于传动机构采用了半闭环交流伺服驱动，控制精度和运行速度得到极大的提高，大大提高了产品的性价比。
３ 系统软件的设计
软件是控制系统的核心，在计算机中用软件实现各种插补运算是很方便的。软件采用面向对象编程方式，具体编程环境为ＶＣ＋＋６．０。
计算机通过插补计算，不断地向伺服驱动系统提供位置指令。数控系统采用２．５轴联动方式。其中Ｘ，Ｙ轴采用数字积分法ＤＤＡ实现二轴联动。Ｚ轴采用点位控制，以形成空间曲线运动轨迹。数字积分法具有运算速度快、脉冲分配均匀，易于实现多坐标轴联动及描绘平面各种函数曲线的特点，应用比较广泛。本系统采用ＤＤＡ圆弧插补器：平面圆弧插补器由两个数字积分器组成，每个坐标的积分器由累加器和被积函数寄存器所组成。ＪＲＸ，ＪＲＹ为累加寄存器寄存余数。动点坐标值Ｘ存入被积函数寄存器ＪＶＹ中，而动点坐标值Ｙ存入被积函数寄存器ＪＶＸ中。在插补过程中，根据动点位置的变化来改变ＪＶＸ和ＪＶＹ中的内容。在起点时，ＪＶＸ，ＪＶＹ分别寄存起点坐标值ｙ０ｘ０；在插补过程中，如果是进行逆时针圆弧插补，则ＪＲＹ每溢出一个Δｙ脉冲，ＪＶＸ加１，ＪＲＸ每溢出一个Δｘ脉冲，ＪＶＹ减１。如果是进行顺时针圆弧插补，则ＪＲＹ每溢出一个Δｙ脉冲，ＪＶＸ减１，ＪＲＸ每溢出一个Δｘ脉冲，ＪＶＹ加１。ＤＤＡ圆弧插补方框图如下图４所示。
Δｔ为一个插补迭代脉冲。ＤＤＡ圆弧插补的终点判别采用两个终点减法计数器，把Ｘ，Ｙ坐标所需输出的脉冲数｜ｘｅ－ｘｏ｜和｜ｙｅ－ｙ０｜分别存入这两个计数器中，Ｘ或Ｙ积分器每输出一个脉冲，相应的减少法数器减１，当某一坐标计数器为零时，该坐标达到终点，这时，该坐标停止迭代。当两个计数器均为零时，圆弧插补结束。
１ 位置控制及伺服驱动方框图
在位置控制方式下，伺服驱动器接收数控主机发出的位置指令信号脉冲／方向，送入脉冲列形态，经电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。反馈脉冲是由光电编码器检测到电机实际所产生的脉冲数，经四倍频后产生的。位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。速度指令信号与速度反馈信号与位置检测装置相同比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由ＳＰＷＭ输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。位置控制精度由光电编码器每转产生的脉冲数控制。它分增量式光电编码器和绝对式光电编码器。增量式编码器构造简单，易于掌握，平均寿命长，分辨率高，实际应用较多。本系统采用的是增量式光电编码器。绝对式光电编码器按二进制编码输出，信号线多，由于精度取决于位数，所以高分辨率不易得到。但是这种编码器即使不动时也能输出绝对角度信息，主要用于全闭环高级数控机床中。增量式光电编码器伺服电机驱动器方框图如图１所示：
２ 基于ＭＩＮＡＳ Ａ的位置控制传动系统
激光内雕机控制系统是一个典型的位置控制系统。它的工作原理为：伺服电机在数控主机控制下，带动三维工作台在空间内作轨迹运动，将出头光固定在三维工作台上，通过数控主机控制激光设备出光。将工件固定在工作台打标范围内。这样，在数控主机控制下，可在水晶等玻璃制品工件内打印出各种立体文字、图形、图像等标记。系统原理框图如图２所示：
采用ＰＣ机作为数控主机，通过研华公司ＰＣＬ－７２０多功能卡构成计算机并行数据输出方式，它的内部具有三个设备端口：数据寄存器，控制寄存器和状态寄存器。ＣＰＵ通过对它们的访问，可实现对系统的各种操作。接口模板将计算机与系统相连，其结构如图３所示：
由计算机输出的六位数据信号经缓冲器，光电隔离后送入伺服驱动器中。它们分别是Ｘ轴脉冲信号，Ｘ轴方向信号。Ｙ轴脉冲信号，Ｙ轴方向信号。Ｚ轴脉冲信号，Ｚ轴方向信号。其中，脉冲信号控制电机所走的步数，方向信号控制电机正反转，以完成各轴的位置控制。Ｘ轴到位信号检测，Ｙ轴到位信号检测，Ｚ轴到位信号检测是三组机械开关，通过开关的闭合，可使系统每次复位时进入参考坐标原点。三位状态信号经逻辑电平整形电路，光电信号隔离电路后送入计算机状态寄存器中，由ＣＰＵ随时读出。ＧＡＬ逻辑电路由可编程逻辑器件构成，该逻辑电路生成ＲＳ锁存器，计算机通过ＲＳ锁存器，光电隔离电路控制激光电源产生高压脉冲串，由高压脉冲串控制光路形成激光束，从而使打标头出光。三组线性电源中，二组用来对光电隔离前、后芯片供电，另一组线性电源供伺服电机处于激磁状态，以便伺服电机接收到指令脉冲就能运行。由于模板采用了隔离措施，这样，既隔离了外界对数字信号的干扰，又能有效地防止过电压、过电流等外界突发事件对计算机系统的损坏，大大提高了系统的控制精度和可靠性。
在伺服驱动器中，ＰＵＬＳ１与接口板脉冲信号相连，ＰＵＬＳ２接＋５Ｖ信号，ＳＩＧＮ１接方向信号，ＳＩＧＮ２接＋５Ｖ信号，ＣＯＭ＋，ＣＯＭ－分别接＋１５Ｖ电源正负端。ＳＲＶ－ＯＮ与ＣＯＭ－相连。这样，就完成了位置控制模式下的基本连线。其它连线可根据系统的需要进行适当连接。参数设置通过触摸面板进行，控制方式选择置为位置控制，转矩限制置为输入无效，驱动禁止置为输入无效，指令脉冲输入方式选择置为脉冲／符号方式，指令脉冲禁止置为输入无效。每转输出脉冲数置为２５００。电子齿轮比可根据实际需要进行设置。由于伺服电机通过联轴器与工作台的滚株丝杠相连，机械刚性高，将自动增益调整时，机械刚性置为９。增益参数采用自动调整方式：按照预定内部设定的模式使电机加速和减速，从所需转矩计算负荷的惯量，然后根据惯量，自动地决定适当的增益。其它参数按出厂时的缺省设置。由于传动机构采用了半闭环交流伺服驱动，控制精度和运行速度得到极大的提高，大大提高了产品的性价比。
３ 系统软件的设计
软件是控制系统的核心，在计算机中用软件实现各种插补运算是很方便的。软件采用面向对象编程方式，具体编程环境为ＶＣ＋＋６．０。
计算机通过插补计算，不断地向伺服驱动系统提供位置指令。数控系统采用２．５轴联动方式。其中Ｘ，Ｙ轴采用数字积分法ＤＤＡ实现二轴联动。Ｚ轴采用点位控制，以形成空间曲线运动轨迹。数字积分法具有运算速度快、脉冲分配均匀，易于实现多坐标轴联动及描绘平面各种函数曲线的特点，应用比较广泛。本系统采用ＤＤＡ圆弧插补器：平面圆弧插补器由两个数字积分器组成，每个坐标的积分器由累加器和被积函数寄存器所组成。ＪＲＸ，ＪＲＹ为累加寄存器寄存余数。动点坐标值Ｘ存入被积函数寄存器ＪＶＹ中，而动点坐标值Ｙ存入被积函数寄存器ＪＶＸ中。在插补过程中，根据动点位置的变化来改变ＪＶＸ和ＪＶＹ中的内容。在起点时，ＪＶＸ，ＪＶＹ分别寄存起点坐标值ｙ０ｘ０；在插补过程中，如果是进行逆时针圆弧插补，则ＪＲＹ每溢出一个Δｙ脉冲，ＪＶＸ加１，ＪＲＸ每溢出一个Δｘ脉冲，ＪＶＹ减１。如果是进行顺时针圆弧插补，则ＪＲＹ每溢出一个Δｙ脉冲，ＪＶＸ减１，ＪＲＸ每溢出一个Δｘ脉冲，ＪＶＹ加１。ＤＤＡ圆弧插补方框图如下图４所示。
Δｔ为一个插补迭代脉冲。ＤＤＡ圆弧插补的终点判别采用两个终点减法计数器，把Ｘ，Ｙ坐标所需输出的脉冲数｜ｘｅ－ｘｏ｜和｜ｙｅ－ｙ０｜分别存入这两个计数器中，Ｘ或Ｙ积分器每输出一个脉冲，相应的减少法数器减１，当某一坐标计数器为零时，该坐标达到终点，这时，该坐标停止迭代。当两个计数器均为零时，圆弧插补结束。
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