0 引言

　　伺服驅(qū)動采用全數(shù)字化控制技術(shù)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)整方便，產(chǎn)品的一致性和可靠性高，在所有自動化產(chǎn)品中發(fā)展最快。伺服驅(qū)動廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機械設(shè)備、電子制造機械、武器裝備等設(shè)備，具有非常廣闊的市場前景。

　　多年來，伺服驅(qū)動產(chǎn)品的研究與開發(fā)一直圍繞特定的被控對象而展開，如針對永磁同步電機、異步電機、直線電機等研發(fā)對應(yīng)的伺服驅(qū)動產(chǎn)品。這種做法雖然有利于提高驅(qū)動與電機成套性、匹配性、性能綜合優(yōu)化，但也帶來伺服驅(qū)動重復(fù)研發(fā)，通用性和擴展性差的問題。而這些電機類的被控制對象雖然類別不同，但在控制方法、實現(xiàn)部件上有很多相同或相似之處，因此采用模塊化、全功能伺服驅(qū)動軟件結(jié)構(gòu)，在一個系統(tǒng)平臺下，通過參數(shù)設(shè)置，實現(xiàn)系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)，能夠達(dá)到驅(qū)動不同電機的目的，實現(xiàn)最大限度的資源重用。

　　目前國際主流的伺服驅(qū)動都有軟件化的技術(shù)發(fā)展趨勢，即在相同的硬件支持下，由軟件來不斷提高和豐富產(chǎn)品功能，如科爾摩根的S700可通過參數(shù)配置驅(qū)動多種電機，西門子的S120可以自由組裝不同的工藝相關(guān)模塊。

　　因此，基于控制芯片性能的提高，實時操作系統(tǒng)和嵌入式組件技術(shù)的引入，本文設(shè)計了可重構(gòu)的伺服驅(qū)動軟件，實現(xiàn)功能模塊的重用，從而解決不同電機及不同用戶的控制需求。

1 伺服驅(qū)動軟件及組件技術(shù)

　　1.1 伺服驅(qū)動軟件特征

　　伺服驅(qū)動的作用在于接受來自其它裝置的指令信號，驅(qū)動電機跟隨指令運動，并保證動作的快速和準(zhǔn)確，這就要求高質(zhì)量的轉(zhuǎn)矩、速度和位置控制‘41。伺服驅(qū)動一般實現(xiàn)高性能的扭矩、速度和位置

　　閉環(huán)控制功能，同時輔以一些工藝相關(guān)的功能。各功能根據(jù)用戶需要，在現(xiàn)場利用伺服驅(qū)動內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行定制和調(diào)整。

　　(1)可控制多種被控制對象(永磁同步電機、異步電機、直線電機、力矩電機等)。

　　(2)不同對象的控制方法不同，但控制結(jié)構(gòu)原理相似。

　　(3)包含大量工藝相關(guān)的功能模塊。

　　(4)多個控制環(huán)節(jié)(扭矩、速度和位置)，不同環(huán)節(jié)有不同的控制周期。

　　(5)控制結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)功能由用戶參數(shù)定制。

　　1.2 嵌入式組件

　　組件是基于組件構(gòu)建的系統(tǒng)中的最小組成單位，組件的基本體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含基本組件結(jié)構(gòu)，組件屬性以及組件接口幾個部分。

　　組件x是一個四元組<P(x)，C(x)，PF(x)，尺F(x)>，其中P(x)是組件x的屬性集合，c(x)={C0，C1，.....，Cn}表示組件x包含的子組件集合，PF(x)是服務(wù)接口集合，尺F(x)是請求接口集合。

　　P(x)是組件x的屬性集合，是一個四元組<N(x)，PM(x)，，N(x)，OUT(x)>，其中N(x)={N0，N1，...，Nn}是組件x的標(biāo)識，可能有一個或多個，比如組件名，組件佃，組件描述等。PM(x)是組件x的參數(shù)，用來修改組件x的配置。刪(x)表示組件x的輸入，Dur(x)表示組件x的輸出，IN(x)和OUT(x)之間通過數(shù)據(jù)的共享實現(xiàn)組件之間的數(shù)據(jù)流連接。

　　PF(x)是組件x的服務(wù)接口集合，每一個服務(wù)接口都是一個二元組<FP(x)，Dp(x)>，其中FP(x)={f0，f1，...，fn}表示接口中包含的操作，Dp(x)表示服務(wù)接口中包含的數(shù)據(jù)參數(shù)。DPF(x)是組件x的請求接口集合，每一個請求接口都是一個二元組<Fr(x)，Dr(x)>，其中Fr(X)={扣，月，...。廠凡}表示接口中包含的操作，Dr(x)表示請求接口中包含的數(shù)據(jù)參數(shù)。

2 可重構(gòu)伺服驅(qū)動軟件設(shè)計

　　2.1 軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　根據(jù)上述的組件模型，采用層次化和模塊化的設(shè)計思想，對伺服驅(qū)動軟件的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。　　整個軟件分為三個層次，驅(qū)動層、控制層和應(yīng)用層，硬件層為外部被控對象(電機)和伺服驅(qū)動硬件。驅(qū)動層是在硬件層上的第一層軟件，實現(xiàn)對硬件層的抽象和封裝，并為上層提供服務(wù)支持。這樣可以使上層編程不用關(guān)注硬件的實現(xiàn)細(xì)節(jié)，同時當(dāng)硬件發(fā)生變化時，只要修改驅(qū)動層的程序，而不改變驅(qū)動層的服務(wù)接口，就不用改變上層軟件，從而保證上層軟件的穩(wěn)定性。驅(qū)動層主要包括編碼器驅(qū)動組件模塊(QEP)、模數(shù)轉(zhuǎn)換組件模塊(ADc)、脈寬調(diào)制組件模塊(PwM)和兩個調(diào)試接口驅(qū)動組件：數(shù)模轉(zhuǎn)換組件模塊(DAC)和USB組件模塊。控制層是實現(xiàn)電機控制算法的核心層，主要包括大量電機控制相關(guān)的組件模塊(RC、RG、IPARK等)，這些組件模塊根據(jù)現(xiàn)場需要利用參數(shù)進(jìn)行動態(tài)連接，從而實現(xiàn)不同控制算法的可重構(gòu)?？刂茖拥倪\行要保證實時性。應(yīng)用層是建構(gòu)在最上層的非實時性任務(wù)，主要用于完成系統(tǒng)的人機交互、通信、參數(shù)管理等功能。該層的實現(xiàn)需要底層提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

　　分層體系結(jié)構(gòu)，可以使各層次之間相對獨立，在伺服驅(qū)動協(xié)同開發(fā)過程中，把每一層作為有機整體理解，只需要保持各層之間的接口不變，就無需更多的關(guān)注其他層次。一方面使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，規(guī)范了系統(tǒng)的開發(fā)方法；另一方面還能實現(xiàn)多層的協(xié)同開發(fā)，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。

　　2.2 組件設(shè)計

　　開發(fā)過程中，組件的定義形式如下邊偽代碼段所示(以軟件示波器OSCI組件為例)：

　　2.3 組件規(guī)劃

　　將伺服驅(qū)動內(nèi)的功能進(jìn)行合理劃分，規(guī)劃出功能相對獨立的組件模塊。

　　3.1 可重構(gòu)示例

　　在可重構(gòu)伺服驅(qū)動軟件的設(shè)計下，利用功能組件，根據(jù)不同需要可以重構(gòu)出不同的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如開環(huán)控制結(jié)構(gòu)、閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)等。

　　(1)開環(huán)結(jié)構(gòu)

　　為了驗證伺服驅(qū)動硬件和電機，可以利用RC、RG、IPARK、SVGEN、PwM等模塊構(gòu)建開環(huán)控制系統(tǒng)。目示給定值為轉(zhuǎn)速指令，通過RC組件進(jìn)行加減速控制后，由RG組件產(chǎn)生相關(guān)的轉(zhuǎn)動角度。D軸電壓、Q軸電壓和轉(zhuǎn)動角度經(jīng)IPARK組件后形成旋轉(zhuǎn)電壓矢量，再由SVGEN組件產(chǎn)生三相壓值，送給PwM硬件驅(qū)動組件以產(chǎn)生六組脈沖，驅(qū)動三相逆器工作形成三相正弦波電壓，控制電機旋轉(zhuǎn)。其旋轉(zhuǎn)的速度取決于目標(biāo)給定值的大小。

　　(2)速度閉環(huán)

　　采用的是雙環(huán)串級控制∽1，重構(gòu)的磁場定向矢量控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)(包括ADC組件、CLARKE組件、PARK組件、電流PID IQ組件、電流PID ID組件、PARK組件、SVGEN組件、PWM組件等環(huán)節(jié))，外環(huán)為速度環(huán)(包括QEP組件、SPEEDFR組件、速度PID SPD組件和電流環(huán)等環(huán)節(jié))。

　　3.2 測試結(jié)果

　　為了方便調(diào)試，在伺服驅(qū)動軟件平臺中建立了OSCI測試組件，0ScI組件是內(nèi)部示波器組件，可以根據(jù)需要實時抓取四路任意指定的組件輸出信息，數(shù)據(jù)暫存在硬件內(nèi)存中，然后由USB接口傳送到上位機的調(diào)試工具軟件中。

　　4 結(jié)論

　在分析伺服驅(qū)動軟件特征的基礎(chǔ)上，首次引入嵌入式組件技術(shù)，設(shè)計了可重構(gòu)伺服驅(qū)動軟件，包括層次化、模塊化的體系結(jié)構(gòu)、組件設(shè)計及規(guī)劃。通過開環(huán)、閉環(huán)重構(gòu)及測試，驗證了該設(shè)計的可行性。在實際開發(fā)過程中，通過不斷擴充組件庫，可對伺服驅(qū)動軟件進(jìn)行功能擴展，進(jìn)而構(gòu)造多種伺服驅(qū)動產(chǎn)品，或通過人機接口實現(xiàn)系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)，完成對不同電機對象的控制。