开放式结构数字永磁同步电机伺服控制

一种实时开放式铣床轴控制系统包括铣削过程中发生的振动声信号。一个实验台架用场定向控制算法演示电机位置。提出了一种动态振动和声压信号的数字信号处理技术，以补偿控制铣削过程的非线性。使用现场可编程门阵列(FPGA)技术提高了与常用解决方案相关的控制信号采样率，从而改善了定位。电机位置读数通过绝对编码器确保提供最佳的测量分辨率。试验台的模块化和灵活性保证了高质量。

大多数用于工业计算机数控(CNC)机床的电进给驱动控制回路是封闭结构系统。这意味着它们的设计方式阻止用户改变设备的控制算法。用于数控系统的电进给驱动的传统级联位置控制环具有限制，减缓了新解决方案的发展。

最近，一些CNC系统生产商已经提供了准开放式架构的机器，尽管这些仍然没有满足最终用户的期望。实时开放式体系结构控制系统允许用户修改部件算法，将数控机床的工作参数提高到其功能模型的顶级水平。出于这些原因，有很多关于这个主题的研究。这里描述的全新和原始的方法实现了铣床进给驱动模块的数字伺服驱动器控制回路中的测量和数字预处理信号。

实验室站

综合试验台是基于美国国家仪器公司的硬件和软件解决方案。控制、测量和数字信号处理算法在配备专用模块的PXI平台上实现。电机的位置测量通过EnDat 2.1编码器模块与EnDat 2.1接口(由Heidenhain开发);采用NI 9234模块，以高采样率获得振动和声压信号。在FPGA靶标(NI PXI 7854R)上实现了面向场的控制算法，保证了代码的高效率。电机由NI 9502电机驱动模块控制，能够以4a连续电流输出驱动三相永磁同步电机(PMSM)。控制和测量系统与自主单轴进给驱动连接，执行一系列测试。

进给驱动控制回路的声音、振动

振动是每一个动力系统的组成部分。它们出现在进给驱动的原因有很多，例如:伺服驱动器的转速，结构振动等。进给驱动器用于将携带刀具和工件的机床组件定位到所需位置;因此，它们的定位精度和速度决定了机床的质量和生产率。由于这些原因，诊断它们形成的时刻和原因是至关重要的。振动监测由于其相对较低的成本和简单的实现，是机械诊断中最常用的方法之一。

设备的机械能在接触空气时转化为声能。在机器附近测量的声音信号揭示了正在执行的过程状态的信息。为了获取声压信号，最常用的是定向麦克风。由于与轴进给驱动相关的频带相对较低，声音信号可以很容易地测量，即使是非专门的设备。

声音和振动测量常用于工业数控机床的监控系统。它们的主要优点是与这些信号中包含的诊断信息相关的成本。识别产生的振动有助于提高进给驱动器的定位精度;声压信号可以诊断设备功能异常。

电动进给驱动的诊断信号

在馈给驱动算法的传统串级位置控制回路中加入数字信号处理(DSP)块，其任务是为一个/几个/每个调节器或设定值计算额外的转向信号。采用DSP方法对装置运行过程中的测量数据进行处理，并进行时域和频域的计算。由于轴进给驱动的参数和行为的前识别，异常条件和不想要的工作状态是已知的。基于这些知识，一种特殊的算法监测来自设备的声音和振动信号，并在需要时为调节器计算额外的控制信号。

在FPGA模块中实现了算法，以确定的方式和尽可能快的速度执行控制循环，从而创建了实时系统。针对伺服驱动器的场定向控制(FOC)算法用于这一高端应用。FOC在宽工作范围内保持高效率，并允许精确的速度和扭矩动态控制。基于均方根(RMS)计算和快速傅里叶变换(FFT)和功率谱密度(PSD)算法对声音和振动量的模拟测量形成校正信号。足够的加性信号被及时地输入到每个控制器中以控制循环的执行。

未来工作:系统健壮性

与传统解决方案相比，一种实时开放式铣床轴控制系统包括铣削过程中发生的振动声信号，以测试改善控制回路执行的可能性。额外的信号是根据声音和振动测量来计算的，以帮助保持高质量的调节。基于fpga的算法执行提供了高采样率和确定性。该综合试验台的目的是为了证明修正块实施对传统解决方案的有用性。未来的工作将在提高系统的鲁棒性方面进行。

- Krzysztof Pietrusewicz, DSc，西波美拉尼亚科技大学助理教授。他的工作包括基于数控进给驱动PMSM/ pmmlm模块的鲁棒数字控制。paweowwaszczuk，理学硕士，是那里的博士生。他的博士论文研究了数字伺服驱动器鲁棒控制集成校正功能的问题。两者都有助于控制工程波兰。由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程、mhoske@cfemedia.com。

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读者对开放性的疑问和作者的回答2月5日新增

一位读者问国家仪器的硬件和软件是否可以被认为是“开放的”。作者之一Krzysztof Pietrusewicz回答说，在某种程度上，对于大量的铣床来说，目前，机器制造商似乎不太可能使用国家仪器公司的控制系统架构。然而，“作为一名研究人员，我认为NI系统是开放的，因为:

1)可以自由编程(当然使用NI LabVIEW)。

2)在运动控制系统中集成在线DSP和状态监测，可以简单地实现创新解决方案。(我们已经为这种方法申请了专利。)

3)任何人都可以开发硬件(这个选项可能很昂贵，但你可以简单地开发自己的NI CompactRIO测量模块)。”

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