0 引言

　　伺服驅動采用全數字化控制技術，硬件結構簡單，參數調整方便，產品的一致性和可靠性高，在所有自動化產品中發展最快。伺服驅動廣泛應用于數控機床、機械設備、電子制造機械、武器裝備等設備，具有非常廣闊的市場前景。

　　多年來，伺服驅動產品的研究與開發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、直線電機等研發對應的伺服驅動產品。這種做法雖然有利于提高驅動與電機成套性、匹配性、性能綜合優化，但也帶來伺服驅動重復研發，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、全功能伺服驅動軟件結構，在一個系統平臺下，通過參數設置，實現系統的變結構，能夠達到驅動不同電機的目的，實現最大限度的資源重用。

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

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

1 伺服驅動軟件及組件技術

　　1.1 伺服驅動軟件特征

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

　　閉環控制功能，同時輔以一些工藝相關的功能。各功能根據用戶需要，在現場利用伺服驅動內的參數進行定制和調整。

　　(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，但控制結構原理相似。

　　(3)包含大量工藝相關的功能模塊。

　　(4)多個控制環節(扭矩、速度和位置)，不同環節有不同的控制周期。

　　(5)控制結構和實現功能由用戶參數定制。

　　1.2 嵌入式組件

　　組件是基于組件構建的系統中的最小組成單位，組件的基本體系結構應該包含基本組件結構，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，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)之間通過數據的共享實現組件之間的數據流連接。

　　PF(x)是組件x的服務接口集合，每一個服務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)表示服務接口中包含的數據參數。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據參數。

2 可重構伺服驅動軟件設計

　　2.1 軟件體系結構設計

　　根據上述的組件模型，采用層次化和模塊化的設計思想，對伺服驅動軟件的體系結構進行設計。

　　整個軟件分為三個層次，驅動層、控制層和應用層，硬件層為外部被控對象(電機)和伺服驅動硬件。驅動層是在硬件層上的第一層軟件，實現對硬件層的抽象和封裝，并為上層提供服務支持。這樣可以使上層編程不用關注硬件的實現細節，同時當硬件發生變化時，只要修改驅動層的程序，而不改變驅動層的服務接口，就不用改變上層軟件，從而保證上層軟件的穩定性。驅動層主要包括編碼器驅動組件模塊(QEP)、模數轉換組件模塊(ADc)、脈寬調制組件模塊(PwM)和兩個調試接口驅動組件：數模轉換組件模塊(DAC)和USB組件模塊。控制層是實現電機控制算法的核心層，主要包括大量電機控制相關的組件模塊(RC、RG、IPARK等)，這些組件模塊根據現場需要利用參數進行動態連接，從而實現不同控制算法的可重構。控制層的運行要保證實時性。應用層是建構在最上層的非實時性任務，主要用于完成系統的人機交互、通信、參數管理等功能。該層的實現需要底層提供相應的數據支持。

　　分層體系結構，可以使各層次之間相對獨立，在伺服驅動協同開發過程中，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，就無需更多的關注其他層次。一方面使得系統結構清晰，規范了系統的開發方法；另一方面還能實現多層的協同開發，縮短了系統的開發周期。

　　2.2 組件設計

　　2.3 組件規劃

　　將伺服驅動內的功能進行合理劃分，規劃出功能相對獨立的組件模塊。

3 可重構伺服驅動軟件驗證

　　3.1 可重構示例

　　在可重構伺服驅動軟件的設計下，利用功能組件，根據不同需要可以重構出不同的控制系統結構，如開環控制結構、閉環控制結構等。

　　(1)開環結構

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

　　(2)速度閉環

　　采用的是雙環串級控制∽1，重構的磁場定向矢量控制結構。內環為電流環(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組件等環節)，外環為速度環(包括QEP組件、SPEEDFR組件、速度PID SPD組件和電流環等環節)。

　　3.2 測試結果

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

4 結論

　在分析伺服驅動軟件特征的基礎上，首次引入嵌入式組件技術，設計了可重構伺服驅動軟件，包括層次化、模塊化的體系結構、組件設計及規劃。通過開環、閉環重構及測試，驗證了該設計的可行性。在實際開發過程中，通過不斷擴充組件庫，可對伺服驅動軟件進行功能擴展，進而構造多種伺服驅動產品，或通過人機接口實現系統的變結構，完成對不同電機對象的控制。