0 引言

　　交流伺服系統作為現代工業生產設備的重要驅動源之一，是工業自動化不可缺少的執行組件。目前，國內外交流伺服數控設備普遍采用獨立的通用CNC(Computer Numerical Contr01)系統作為指令系統。在研究領域，基于PC的開放式CNC系統和基于高性能處理芯片的嵌入式CNC系統是現階段的兩個重要研究方向。前者使用戶可以對CNC系統進行二次開發，后者在設備的宏觀結構上表現為嵌入式的CNC系統，其內部是把CNC系統功能在一個集成于伺服系統內的高性能芯片實現。目前，CNC系統和伺服系統仍處于獨立開發狀態，兩者硬件結構分離，NC(Numerical Control)指令依靠設備間或芯片間的通信傳遞，通信頻率高會降低可靠性，指令周期和指令精度難以同時保證，影響控制性能。在數控機床行業，通信協議和接口是影響高速加工的核心技術之一。此外，現行的數控系統硬件成本高，較低的性價比使其難以應用于中低檔設備，影響了制造業的整體水平。本文提出在伺服控制數控軟件中內置NC指令模塊的解決方案，即在同一塊控制芯片上實現NC指令生成和伺服控制。這樣可以簡化設備的硬件結構，提高系統的集成度和可靠性；NC指令在數控軟件內部通過變量賦值的方式傳遞，不存在通信問題，可以大幅度縮短指令周期，提高控制精度；降低硬件成本，使高性能數控系統廣泛應用于中低檔設備中。

1 系統數控軟件構成

　　在伺服控制程序中內置邏輯功能模塊和NC指令模塊。外部指令輸入邏輯功能模塊，轉換成電機運動指令，即目標速度和目標位置，輸入NC指令模塊，經處理，生成每個指令周期可供伺服控制系統直接執行的位置和速度指令；伺服控制模塊執行指令，做機械和電流的閉環控制，驅動電機按指令運轉。

　　盡量簡化NC指令模塊處理算法和縮短處理時間可以實現與伺服控制模塊同周期運行。與通用CNC系統相比，指令周期大幅度縮短，指令平滑性顯著提高，相同指令精度下，控制效果會有所改善。

　　單軸或者多軸無聯動的工業生產設備，運行中每個軸的動作獨立、簡單，可單獨控制，因此電機的工作狀態也很有限，可分為加減速、勻速、停轉定位等。有些設備需要一個外部調速器，如旋鈕、踏板等，實時地控制轉速，需要NC模塊把調速器發出的與速度或位置相對應的模擬或者數字信號實時地轉化成可供電機執行的速度和位置指令。

　　綜合以上功能，如圖1所示，整個NC指令模塊的功能分為：停轉定位模式、調速器實時速度控制模式、自動變速模式。電機需要完成某個單一動作，只要切換NC模塊的工作模式即可。

2 NC指令模塊

　　2.1 停轉定位模式

　　為實現NC指令模塊與伺服控制模塊同周期運行，本文采用勻減速方式停轉定位。電機定位精度取決于控制精度；而對于指令系統來說，高速運行中快速定位的精度還需要平滑的速度指令以及準確的定位起始點。

　　具體步驟為：NC模塊接收到邏輯功能模塊發出的停轉指令和目標位置指令，由其他工作模式切換到停轉定位模式，實時地根據當前速度和減速、加速度計算定位行程，并根據該定位行程及定位點反求減速起始點，從起始點以勻減速規律生成位置和速度指令，速度為零時，位置指令正好在給定的目標位置上。具體實現過程如下。

　　第一次進人定位循環，進行定位初始化；估算定位行程，先計算按照定位加速度αp。從當前速度v移減速至零的時間：

　　2.2 調速器實時速度控制模式

　　有些設備需要外部實時調速，配有調速器件，伺服電機的轉速可以通過操作調速器實時地改變。調速器發出對應速度的數字量或者模擬信號，模擬信號經過伺服系統內部A／D器件轉換成與之對應的數字量；在調速器控制模式下，NC指令模塊根據以上數字量，生成速度指令，伺服控制模塊執行指令驅動伺服電機跟隨目標速度運動。具體處理步驟如下。

　　1)處理調速器信號

　　調速器發出的信號往往跳動很大，需要通過低通濾波使其平滑。低通濾波器表達式為：

　　2)換算目標速度

　　3)生成NC指令

　　以上兩個步驟的處理得出了目標速度。接下來NC模塊根據目標速度每個控制周期生成供伺服模塊執行的速度指令。

　　調速器發出的信號可能會有很大跳變，對應的速度變化很大，即加速度過大，很可能超過伺服系統的驅動范圍，因此要對加速度進行限制。具體處理如下：

　　這樣，即使調速器發出的信號是很大的階躍信號，經過以上處理，也會變得平緩連續，如圖3(a)。從圖中看，速度指令有滯后，但最大加速時間(靜止到最高速)通?？梢愿鶕撦d情況控制在一百毫秒之內，操作者不會有滯后感。經過加速度限制后的加速度有很大的階躍變化，如圖3(b)。交流伺服系統采用矢量控制。加速度正比于轉矩，轉矩正比于g相電流。在電機線圈(感性負載)中產生這樣的電流突變，需要極高的電壓。

　　加速度曲線對應的加加速度曲線如圖3(c)。加加速度與電壓成正比。這樣的加加速度曲線，對應幅值很大的脈沖電壓，伺服系統不可能實現。

　　所以單純用加速度限制得出的速度指令曲線不可能真正實現，有可能導致控制發散，甚至損壞系統硬件，所以必須在限制加速度的基礎上，對加加速度進行限制。

　　如果直接限制加加速度，算法比較復雜，計算量很大，會使整體運算時間大大加長，不能實現NC指令可控制的同周期運行。需要設法簡化處理方式。

　　參照通用伺服系統加速時的S形速度指令曲線形狀，對做過加速度限制的速度指令曲線做低通濾波，生成成類似S型的速度指令曲線，如圖4(a)。提速時間略有延長，但不會造成明顯滯后感。對應的指令加速度就變得連續，如圖4(b)。相應的加加速度曲線如圖4(c)。不存在大脈沖，保證了系統穩定、快速地跟蹤調速器目標速度，操作者可以在一定范圍內隨心所欲地進行速度控制。

　　2.3 自動變速模式

　　在自動運行的情況下，一經觸發，系統就要變速到目標速度。自動變速，不存在人的感覺問題，對變速快慢要求不高，可以用較小的加速度進行變速，減少不必要的電氣和機械沖擊。與調速器實時控制模式不同點在于，到達目標速度后返回標志位，轉入勻速控制。整個指令處理過程與調速器控制模式下目標速度階躍輸入的情況相同，不再贅述。

3 實驗結果

　　試驗系統選用32位微控制器(MCU)作為主控芯片，內部集成整數乘法器，工作主頻64 MHz。設計各個程序模塊，指令周期和控制周期均為60us。系統配有手操器，可做外部控制。

　　外部手操器控制快速提速，勻速運行一段時間后迅速減速并觸發停轉定位。此過程中，把速度指令通過D／A器件變成電壓信號，用示波器采集，從示波器上可以看到速度指令曲線，如圖5所示。示波器視窗上半部分為采集窗口，顯示整個采集過程，每一橫格對應時間為l 8；下半部分為時間軸放大窗口，每一橫格對應時間為50嘲。

　　加速過程速度指令曲線連續而且平滑，有效地限制了加速度和加加速度。減速和高速運行中停轉定位的速度指令連續、平滑。到了停轉定位模式下，勻速運行到定位起始點，勻減速定位。

　　以上實驗波形說明該伺服系中的內置NC指令模塊實現了預期功能。經測試，定位精度為0.20，沒有累計誤差，可滿足大多數普通設備的定位要求。

4 結語

　　數控系統研究中普遍存在指令通信可靠性和指令周期相互制約的問題。本文提出在伺服控制數控軟件中內置NC指令模塊的解決方案，可使NC指令生成和伺服控制在一個控制周期內完成，指令周期大幅度縮短，指令更平滑;對于獨立的控制對象，內置式邏輯功能模塊和NC指令模塊在功能和性能上可以取代通用CNC系統。因此，對于單驅動軸或者每個'c動軸獨立控制的工業設備，如車床、普通銑床、普通磨床、電火花加工設備、工業縫紉機等，內置式邏輯功能模塊和NC指令模塊的成功應用使一種高集成度、高可靠性和高性價比的CNC系統與伺服系統一體化的數控系統解決方案成為可能。

　　隨著工業微控制器性能的不斷提高和數值算法的發展，NC指令生成和伺服控制在同一塊控制芯片上融合的高性能工控系統解決方案將成為工控系統的一個發展方向。