史家雄 惠亮 曹兴冈
中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 陕西西安 710065
摘要：随着经济和科技水平的快速发展，微型化智能伺服驱动器作为智能机器中的核心部件，具有可编程功能，能够通过伺服驱动技术对梯形图进行编程，主要适用于木工机械领域。微型化智能伺服驱动器凭借强大的全数字化驱动器，可通过特有的运动控制指令，利用数据运算对多轴电机进行同步控制。在我国，针对微型化智能伺服驱动器的设计主要包括功率板、三相正弦PWM以及内核程序3部分。但传统的微型化智能伺服驱动器在实际应用过程中，往往存在响应速度慢、稳定性低的问题，因此对微型化智能伺服驱动器进行优化设计势在必行。本文以此为目标，开展微型化智能伺服驱动器设计，致力于设计出满足发展趋势的新型微型化智能伺服驱动器。
关键词：驱动器；功能项目；自动测试设备；驱动接口
引言
气动软体驱动器为柔性手部康复机器人的核心部件，直接影响手部康复机器人的康复效果．设计一款贴合人手手指外骨骼结构的气动柔性驱动器，成为柔性机器人研究的最新方向．在各种定制化测试设备中，由于很多仪器驱动不符合现有的标准，从而降低了测试软件的开发效率和质量。为此，提出了一种面向功能的测试设备驱动器的设计与实现方法。通过对特定类别测试设备所需实现功能的分析，获得了脱离硬件环境的功能项目集合，并建立了规范化的设备驱动接口。在驱动组件的内部，封装了对硬件仪器的控制，并描述了实际测试设备的功能实现。测试设备驱动器为上层软件提供了统一的开发和运行基础，便于测试程序针对这些虚拟化的功能接口进行开发，避免了硬件的差异性对业务逻辑的影响。
1测试设备驱动器的设计原理
以用于实现电子产品功能和性能检测的测试设备为例，该类设备的内部集成了各种测试仪器和板卡，是测试功能的实现载体。这些仪器和板卡的种类、形式多样，包括了ＰＣＩ、ＣＰＣＩ、ＰＸＩ等形式的模块化板卡、外置的组合仪器、标准的台式仪器等；实现的功能也各不相同，其中很多仪器都是针对特定需求而单独开发的。在设计测试设备驱动器时，目前经常使用的是以测试仪器为中心的设计方式，即直接针对各种测试仪器和板卡的驱动程序进行测试程序的开发。此时，上层应用软件直接控制底层的硬件资源，当测试程序在不同设备之间移植或测试仪器改变时，测试程序需要进行大量改动，可移植性和重用性较差，显然无法满足定制化设备的软件开发要求。为此，本文采用了针对功能的驱动器设计方式，其关注点不是各种异构的仪器或板卡，而是更高一层的设备层面。通过对测试设备硬件功能的分析，抽象出该类设备的各种测试功能。测试设备驱动器针对的是该类设备需要实现的系统级测试功能，而不再是各种异构的仪器或板卡。这种以功能为中心的设计方式，有效屏蔽了底层硬件的差异性内容，使得驱动器具有更好的稳定性和扩展性。
2测试设备驱动器的设计
2.1电路设计
对输入信号进行采集，调节输出脉冲宽度调制（PWM）信号的占空比，PWM信号经过隔离驱动隔离放大后控制DC-DC隔离电路中金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的栅极电压来实现输出电压的调节。DSP在对输入信号采集的同时输出按输入信号变化的PWM信号，控制并联式主电路，使其输出按输入小信号变化的高压信号以驱动压电陶瓷。反馈电路包括采样网络和A/D芯片，采样网络对压电陶瓷上的电压和电流进行采集。A/D芯片将采样网络输出的模拟信号转换为数字信号并输出给DSP。DSP将采集的数字信号与预设值做差后结合比例-积分-微分（PID）控制进一步调整输出的PWM信号来对DC-DC隔离电路和并联式主电路来实现闭环控制，以使放大增益闭环和提供驱动器的动态性能。实现增益100倍的闭环控制，需要实时采集输出电压的值作为反馈。
电压采集通过精度为0.1%的高精度电阻网络分压，将高压输出信号转换为毫伏级信号，再通过隔离运放进行隔离放大后输出到具有4通道、16位数据精度、1MHz采样率的数模转换芯片中。DSP通过串行外设接口与数模转换芯片通信，读取反馈瞬时电压值，进行峰值检测后与期望增益电压值做差，进行PID调节。为防止高频时驱动器输出电流过大损坏驱动器或压电陶瓷需要采集输出电流进行过流保护。电流采集与输出电压采集同理，选用毫欧级的高精度采样电阻，串接到输出回路当中，将电流信号转换为电压信号。经过隔离运放隔离放大后通过数模转换芯片输出到DSP芯片中。
2.2磁路简化
大行程宏微驱动器主要有外壳、环形磁铁、隔磁筒、宏动线圈、宏动线圈骨架、内磁轭筒、微动线圈骨架、导磁块、微动线圈、GMM棒、输出杆、端盖、碟簧、导磁筒、磁轭套筒等组成。在有限元分析时，碟簧在磁场分析过程中影响特别小，可以省略。因为大行程宏微驱动器的结构沿GMM轴线对称，所以大行程宏微驱动器的有限元分析可利用ANSYSMaxwell软件在平面上进行分析仿真。选取大行程宏微驱动器沿轴向的任何一个截面作为分析仿真的平面，但为进一步简化驱动器模型，减少使用计算机运行内存。
2.3测试功能项目的开发
对于驱动接口列表中的每项内容，都需要在驱动器组件开发时一一予以实现。每个功能项目最终都要落实到硬件仪器上，因而驱动器组件是和自动测试设备紧密耦合在一起的。在驱动器组件内部，通过调用各种异构的驱动程序，实现该测试设备的设计要求，从而将对外提供的各种虚拟测试项目转换为真实的测试功能。测试功能项目的开发步骤如下：1）测试路径的查询。从右至左，获得从产品端口Ｊ１映射到测试板卡Ｒ２通道的测试路径，并以该板卡为真正的硬件执行单元，利用通道Ｒ２进行信号的发送和采集。2）仪器的操作。对于非标仪器，使用硬件厂商提供的ＡＰＩ函数，或者经过二次开发而形成的封装库；对于标准仪器，可直接调用ＩＶＩ类驱动或专用驱动组件。在驱动器组件开发和调试完毕后，除非硬件发生变化，否则不会修改该组件。3）功能的实现。功能项目面向的是测试设备的系统级功能，不仅仅是对仪器的简单操作。以模拟量采集为例，当使用数字万用表时，测量数值已经由仪器处理，可以直接读取；但使用ＰＣＩ板卡时，需要对高速采集的多组连续数值进行必要的信号处理（如平滑、去除野点等），才可以得到比较准确的数据。
结语
利用音圈电机和超磁致伸缩驱动器原理设计出一种大行程宏微驱动器，研究发现宏动位移过程中磁力线分布合理，且磁路完整，同时微动过程中微动线圈周围形成闭合磁路，闭合磁路几乎没有漏磁现象，且磁力线主要分布在磁路区域，验证了大行程宏微驱动器磁路结构设计的合理性。设计了一款气动柔性多腔体驱动器，利用生产比倒数法对产品装配投产顺序进行了优化，实现了最终产品混流生产线装配投产均衡化，并进一步基于工程深度指示。电机控制系统的响应速度以及跟踪效果都得到了提升，特别在负载情况下，电机在减小转速误差方面效果更加显著。
参考文献：
[1]徐建萍,罗妤.面向大规模定制的生产计划研究[J].现代管理技术,2020,37(1):59-62.
[2]翟丽丽,王欢,祁凯,吴飞.面向大规模定制的柔性生产计划研究[J].计算机应用研究,2020,29(7):2544-2548.
[3]张泽华,韩永生.面向大规模定制下的生产计划管控[J].计算机系统应用,2018,24(12):1-9.
[4]孙德广,史海波,彭慧.面向订单装配的客车生产计划系统建模与设计[J].制造业自动化,2020,32(11):9-11.
[5]刘艳梅,任佳,江支柱,刘曦泽,祁国宁.大规模定制下按订单装配产品同步生产计划方法[J].计算机集成制造系统,2018,20(6):1352-1358.