1　引言

　　进给伺服系统是CNC控制器与机械传动的接口部件，直接决定数控机床的生产效率、加工精度等重要指标。用于机床数控的伺服系统要求具有调速范围宽、速度稳定性高、随动快、定位精度高、重复定位误差小等指标。
　　传统的交、直流伺服控制一般到速度环为止，而在数控机床的进给坐标轴中，最终要控制的不仅有速度、加速度，更重要的却是位置量，所以位置环的实现成为数控系统的重要任务，位置环控制的品质也成为衡量其性能的一个重要指标。适用于机床配套和改造的系统，一般采用典型的速度内环和位置外环构成P-PI位置调节系统，如图1所示。本文主要对位置环控制进行研究与设计，选择HCTL-1100芯片作为其控制核心。

图1　数控系统采用的位置调节系统

2　HCTL-1100芯片性能简介

　　HCTL-1100是美国HP公司新推出的通用型、高性能电机运动控制芯片，其内部原理如图2所示。

图2　HCTL-1100的结构原理图

2.1　HCTL-1100的主要性能特点
　　(1)可控制多种电机，包括无刷电机、伺服电机、步进电机。
　　(2)可给用户提供位置控制、速度控制等四种控制方式。
　　(3)内部有可编程的数字补偿网络，对闭环系统的传递函数能提供一定的校正作用，使之在所需的系统带宽内，具有合适的相角裕度和幅值裕度。
　　(4)和CPU的接口是8位双向总线，其中6位采用地址/数据复用方式工作，另外2位只传递数据信号。对于CPU，HCTL相当于64个控制寄存器，按照一定的格式读、写寄存器，可以启动相应的控制操作。
　　(5)具有SYNC同步引脚，易于实现多轴联动。
　　(6)具有光电编码器的反馈输入CHA、CHB、/INDEX。

2.2　HCTL-1100的控制寄存器
　　HCTL的工作由64个8位内部寄存器控制，这些寄存器包含了正确控制HCTL的命令和配置信息，例如：
　　(1)电机命令寄存器(R08H)：此寄存器的值即为电机命令端口的输出，HCTL在控制模式下根据控制规律控制此寄存器。
　　(2)数字补偿寄存器：它包括零点寄存器(R20H)，极点寄存器(R21H)，增益寄存器(R22H)。由于HCTL构成的控制系统多为闭环，为满足闭环系统工作稳定性要求，HCTL内部设计了数字补偿功能环节，其传递函数为：

（K、A、B∈［0，256］的单字节)

只要适当地选取三个寄存器的值，就能满足大部分控制的需要。
　　(3)采样时间计数器(R0FH)：HCTL实质上是一个数字采样系统，在每一周期中，根据采样值和当前值计算输出，采样周期由R0FH中的数决定，其关系为：

t＝16（T＋1）／f_clk

式中　f_clk――HCTL工作时钟频率
　　　T――采样周期，R0FH中的值

3　硬件接口电路

　　利用HCTL-1100设计的位置环控制系统，其总体结构如图3所示。需要注意的是，由于HCTL-1100本身也包含一个微处理器，它的读写控制逻辑有其特殊性，不能简单地用/IOR、/IOW实现读写控制，必须有读写控制逻辑电路接口。

图3　位置伺服控制总体结构框图

　　通过仔细研究HCTL的控制时序，可以发现HCTL一方面要求用/CS的上升沿(地址信号无效时刻)锁存有效数据，另一方面要求/CS的上升沿必须对应于R/W信号的有效部分。而PC机的地址信号在整个周期内基本上全有效，待其无效时，已不存在有效数据，如图4所示CPU是利用/IOW的上升沿锁存有效数据。因此可以用地址片选信号(/CS)和/IOW的“与”逻辑来控制HCTL-1100的片选信号(/CS)实现，以保证/CS不仅起到选通作用，而且可以利用其上升沿锁存有效数据。把/IOW延时后再接至HCTL-1100的R/W，以使其落后于HCTL-1100的片选信号(/CS)一段时间，保证/CS的上升沿对应于R/W信号的有效部分。

图4　PC写操作示意图

4　位置调节环参数设计和性能分析

　　位置调节环的作用是使进给驱动系统输出的实际位置跟随输入指令。机床控制对位置调节的要求是输出以尽可能小的误差跟随输入，并且不产生超调。对于图1所示结构的半闭环系统，速度环按电流型矢量控制，可以简化为比例环节，位置环采用HCTL实现，得到系统的数字模型如图5所示。

图5　电流型矢量控制下伺服系统数学模型框图

　　其开环传递函数为：

式中　K_s＝K_D^.K_A^.K_MC^.N／2π
　　　N――编码器刻线数
　　　K_MC――电机增益常数
　　　K_MC＝K_T／（J_m＋J_L）（rad／A^.s²）
　　　J_m――电机惯量
　　　J_L――负载惯量
　　　K_T――电机电气时间常数，Nm/A
　　采用时间为T。
　　用HCTL-1100设计的位置环控制卡，配合日本东荣电气公司的伺服电机VLBSE-07512，伺服驱动器VLBSE-020P，构成位置伺服控制系统。各参数为：K_D＝20／256，K_A＝10，N＝1000，K_T＝99Nm／A，J_m＝0．016，J_L＝2Nm，经仿真计算在T＝4ms，A＝218，B＝254，K＝44参数控制下，其单位阶跃(一个脉冲当量)函数响应如图6所示。实验证明，系统定位精度和随动性都能满足机床控制要求。

图6　单位阶跃响应