基于组件技术的可重构伺服驱动软件设计

0 引言

　　伺服驱动采用全数字化控制技术，硬件结构简单，参数调整方便，产品的一致性和可靠性高，在所有自动化产品中发展最快。伺服驱动广泛应用于数控机床、机械设备、电子制造机械、武器装备等设备，具有非常广阔的市场前景。

　　多年来，伺服驱动产品的研究与开发一直围绕特定的被控对象而展开，如针对永磁同步电机、异步电机、直线电机等研发对应的伺服驱动产品。这种做法虽然有利于提高驱动与电机成套性、匹配性、性能综合优化，但也带来伺服驱动重复研发，通用性和扩展性差的问题。而这些电机类的被控制对象虽然类别不同，但在控制方法、实现部件上有很多相同或相似之处，因此采用模块化、全功能伺服驱动软件结构，在一个系统平台下，通过参数设置，实现系统的变结构，能够达到驱动不同电机的目的，实现最大限度的资源重用。

　　目前国际主流的伺服驱动都有软件化的技术发展趋势，即在相同的硬件支持下，由软件来不断提高和丰富产品功能，如科尔摩根的S700可通过参数配置驱动多种电机，西门子的S120可以自由组装不同的工艺相关模块。

　　因此，基于控制芯片性能的提高，实时操作系统和嵌入式组件技术的引入，本文设计了可重构的伺服驱动软件，实现功能模块的重用，从而解决不同电机及不同用户的控制需求。

1 伺服驱动软件及组件技术

　　1.1 伺服驱动软件特征

　　伺服驱动的作用在于接受来自其它装置的指令信号，驱动电机跟随指令运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的转矩、速度和位置控制‘41。伺服驱动一般实现高性能的扭矩、速度和位置

　　闭环控制功能，同时辅以一些工艺相关的功能。各功能根据用户需要，在现场利用伺服驱动内的参数进行定制和调整。

　　(1)可控制多种被控制对象(永磁同步电机、异步电机、直线电机、力矩电机等)。

　　(2)不同对象的控制方法不同，但控制结构原理相似。

　　(3)包含大量工艺相关的功能模块。

　　(4)多个控制环节(扭矩、速度和位置)，不同环节有不同的控制周期。

　　(5)控制结构和实现功能由用户参数定制。

　　1.2 嵌入式组件

　　组件是基于组件构建的系统中的最小组成单位，组件的基本体系结构应该包含基本组件结构，组件属性以及组件接口几个部分。

　　组件x是一个四元组<P(x)，C(x)，PF(x)，尺F(x)>，其中P(x)是组件x的属性集合，c(x)={C0，C1，.....，Cn}表示组件x包含的子组件集合，PF(x)是服务接口集合，尺F(x)是请求接口集合。

　　P(x)是组件x的属性集合，是一个四元组<N(x)，PM(x)，，N(x)，OUT(x)>，其中N(x)={N0，N1，...，Nn}是组件x的标识，可能有一个或多个，比如组件名，组件佃，组件描述等。PM(x)是组件x的参数，用来修改组件x的配置。删(x)表示组件x的输入，Dur(x)表示组件x的输出，IN(x)和OUT(x)之间通过数据的共享实现组件之间的数据流连接。

　　PF(x)是组件x的服务接口集合，每一个服务接口都是一个二元组<FP(x)，Dp(x)>，其中FP(x)={f0，f1，...，fn}表示接口中包含的操作，Dp(x)表示服务接口中包含的数据参数。DPF(x)是组件x的请求接口集合，每一个请求接口都是一个二元组<Fr(x)，Dr(x)>，其中Fr(X)={扣，月，...。厂凡}表示接口中包含的操作，Dr(x)表示请求接口中包含的数据参数。

2 可重构伺服驱动软件设计

　　2.1 软件体系结构设计

　　根据上述的组件模型，采用层次化和模块化的设计思想，对伺服驱动软件的体系结构进行设计。

　　整个软件分为三个层次，驱动层、控制层和应用层，硬件层为外部被控对象(电机)和伺服驱动硬件。驱动层是在硬件层上的第一层软件，实现对硬件层的抽象和封装，并为上层提供服务支持。这样可以使上层编程不用关注硬件的实现细节，同时当硬件发生变化时，只要修改驱动层的程序，而不改变驱动层的服务接口，就不用改变上层软件，从而保证上层软件的稳定性。驱动层主要包括编码器驱动组件模块(QEP)、模数转换组件模块(ADc)、脉宽调制组件模块(PwM)和两个调试接口驱动组件：数模转换组件模块(DAC)和USB组件模块。控制层是实现电机控制算法的核心层，主要包括大量电机控制相关的组件模块(RC、RG、IPARK等)，这些组件模块根据现场需要利用参数进行动态连接，从而实现不同控制算法的可重构。控制层的运行要保证实时性。应用层是建构在最上层的非实时性任务，主要用于完成系统的人机交互、通信、参数管理等功能。该层的实现需要底层提供相应的数据支持。

　　分层体系结构，可以使各层次之间相对独立，在伺服驱动协同开发过程中，把每一层作为有机整体理解，只需要保持各层之间的接口不变，就无需更多的关注其他层次。一方面使得系统结构清晰，规范了系统的开发方法；另一方面还能实现多层的协同开发，缩短了系统的开发周期。

　　2.2 组件设计

　　2.3 组件规划

　　将伺服驱动内的功能进行合理划分，规划出功能相对独立的组件模块。

3 可重构伺服驱动软件验证

　　3.1 可重构示例

　　在可重构伺服驱动软件的设计下，利用功能组件，根据不同需要可以重构出不同的控制系统结构，如开环控制结构、闭环控制结构等。

　　(1)开环结构

　　为了验证伺服驱动硬件和电机，可以利用RC、RG、IPARK、SVGEN、PwM等模块构建开环控制系统。目示给定值为转速指令，通过RC组件进行加减速控制后，由RG组件产生相关的转动角度。D轴电压、Q轴电压和转动角度经IPARK组件后形成旋转电压矢量，再由SVGEN组件产生三相压值，送给PwM硬件驱动组件以产生六组脉冲，驱动三相逆器工作形成三相正弦波电压，控制电机旋转。其旋转的速度取决于目标给定值的大小。

　　(2)速度闭环

　　采用的是双环串级控制∽1，重构的磁场定向矢量控制结构。内环为电流环(包括ADC组件、CLARKE组件、PARK组件、电流PID IQ组件、电流PID ID组件、PARK组件、SVGEN组件、PWM组件等环节)，外环为速度环(包括QEP组件、SPEEDFR组件、速度PID SPD组件和电流环等环节)。

　　3.2 测试结果

　　为了方便调试，在伺服驱动软件平台中建立了OSCI测试组件，0ScI组件是内部示波器组件，可以根据需要实时抓取四路任意指定的组件输出信息，数据暂存在硬件内存中，然后由USB接口传送到上位机的调试工具软件中。

4 结论

　在分析伺服驱动软件特征的基础上，首次引入嵌入式组件技术，设计了可重构伺服驱动软件，包括层次化、模块化的体系结构、组件设计及规划。通过开环、闭环重构及测试，验证了该设计的可行性。在实际开发过程中，通过不断扩充组件库，可对伺服驱动软件进行功能扩展，进而构造多种伺服驱动产品，或通过人机接口实现系统的变结构，完成对不同电机对象的控制。