基于DSP的多电机协同控制系统设计概要.docx

1、基于DSP的多电机协同控制系统设计概要收稿日期:2009-11-03作者简介:杨士河(1985,男,山东德州人,硕士研究生,主要研究领域为现代电机调速与控制技术;刘景林(1964,男,教授,博士生导师,主要研究领域为电机智能控制及测试技术、运动控制及伺服技术、航天微特电机及驱动技术、交流电机调速技术、稀土永磁电机理论及应用等;张金萍(1984,女,河南南阳人,硕士研究生,主要研究领域为现代交流电机调速技术;王帅夫(1983,男,湖南株洲人,博士研究生,主要研究领域为步进电机驱动与控制技术。基于DSP 的多电机协同控制系统设计杨士河,刘景林,张金萍,王帅夫(西北工业大学自动化学院,陕西西安710

2、072摘要:针对开放式数控系统的要求,以DSP 为主控核心,结合步进电机专用集成驱动芯片L MD18201T,设计了一款基于串行通信(SC I 的新型多电机协同控制系统,该系统集成度高、稳定性好、实时性强、人机接口方便。试验结果表明,该系统完全满足性能指标要求,实现了各项运动控制功能。关键词:DSP;步进电机;串行通信;协同控制中图分类号:T M383.6文献标识码:A 文章编号:1000-8829(201006-0045-03D esi gn of M ulti 2M otor Coord i n a ted Con trol Syste m Ba sed on D SPY ANG Shi

3、2he,L I U J ing 2lin,ZHANG J in 2p ing,WANG Shuai 2fu(School of Aut omati on,North western Polytechnical University,Xi an 710072,China Abstract:According t o the require ments of open NC syste m ,a ne w kind of multi 2mot or coordinated contr ol sys 2te m based on serial communicati on is designed w

4、ith DSP as main contr ol chi p and L MD18201T as integrated driving model .The syste m has the characteristics of high integrati on,good stability,excellent real 2ti m e capabili 2ty and convenient man 2machine conversati on .Experi m ent results indicate that the syste m fully meets the per 2f or m

5、ance require ments and achieves vari ous moti on contr ol functi ons .Key words:DSP;stepper mot or;serial communicati on;coordinated contr ol步进电机作为一种可以开环使用的数字传动装置,具有快速启动与停止、转速与输入时钟频率成正比、能实现精确定位及直接接收数字量等特点1,被广泛应用在各种自动化控制系统中。位置/速度闭环控制电路的应用进一步降低了电机的运行噪声,有效地抑制了转矩波动,避免了步进电机启动失步现象,实现了精度控制。随着微电子和微型计算机技术的发展

6、,DSP 以其强大的计算能力和丰富的I/O 资源,在电机的数字化控制领域获得越来越广泛的应用。本设计是基于32位定点DSP 芯片T MS320F2812的协同控制系统,它能够实时、准确、可靠地控制各电机,具有良好的可行性。1系统原理本项运动控制方案实现了对3台二相混合式步进电机的协同控制,电机数目可进行扩展,系统原理框图如图1所示 。图1系统原理框图DSP 通过RS232总线与上位机进行串行通信,接收3台步进电机的起停、正反转以及细分倍数选择信号,也可以通过拨码进行独立控制。以步进电机1的控制为例,T MS320F2812根据接收的细分倍数信号,读取存储器中给定细分电流的数字控制信号,经过54

7、基于DSP 的多电机协同控制系统设计D /A 芯片转化为模拟电压信号,与电机绕组中的电流经过采样电阻转换成的电压信号进行比较,产生斩波信号,从而达到控制电机相电流的目的;而步进电机的起停、换相信号直接由DSP 的I/O 口给定。步进电机2、3与电机1共用一组8位细分I/O 口及数据总线,通过相应的使能信号实现分时细分电流给定和位置数据读取,控制方式与电机1相同。3台电机的转速及转向可通过SP I 外围电路进行显示。2硬件部分设计系统的硬件部分主要由电源电路、通信模块、电流采样电路、位置反馈电路、细分斩波及驱动部分组成。其中,位置反馈、细分斩波和驱动部分是控制步进电机运行的核心。2.1细分、斩波

8、电路在适当的控制下,步进电机的运行步数与输入脉冲严格对应,其进给分辨率取决于细分驱动技术。细分驱动技术是一种电流波形控制技术,基本思想是控制每相绕组电流的波形,使其阶梯上升或下降,即在0和最大值之间给定多个稳定的中间状态2。给定电流细分波形预先存储在DSP 内部存储器中,如图2所示。DSP 通过控制A /B 使能信号,将八位电流细分值经公共数据总线分别输入到AD7528JN 芯片中的A 、B 相数据寄存器中保存,直到下一步细分值输入时改变。AD7528JN 输出电流型模拟信号,经过LM358运放转换为电压型模拟信号,输入到SG3525引脚2的同相输入端,而反馈回来的绕组采样信号加到引脚1的反相

9、输入端,两者通过误差放大器进行比较,产生两路占空比相等、相位相差180的信号,进行“或运算”后,最终生成一相绕组的斩波信号,从而实现控制相绕组电流为给定值 。图2细分、斩波电路2.2驱动、采样电路采用分立元件搭建H 桥组成的P WM 脉宽调制电路,由于各个元件特性存在差异,调速性能并不太好,而且电路稳定性不是很高;相比而言,采用美国国家半导体公司(NS 推出的专用于运动控制的H 桥组件L MD18201T 有一定优越性。该芯片上集成有C MOS 控制电路和DMOS 功率器件,峰值输出电流高达6A,连续输出电流达3A,工作电压高达55V,并且还具有温度报警、过热与短路保护功能3,其连接电路如图3

10、所示 。图3驱动、采样电路芯片控制信号包括方向、斩波和制动信号,分别控制相电流的方向、幅值和电机的起停。采样电阻R 串接H 桥和地之间,所以不论相电流方向怎样改变,其在采样电阻上的压降U 方向不变,始终为正。采样电压U 经过线性光耦电路隔离放大,形成U R 2/R 1电压信号,反馈到前级,形成电流闭环控制。2.3位置反馈电路位置检测部分是数控系统的一个重要组成部分,能有效保证步进精度,实时地监控步进电机的运行状态。本设计采用光电式脉冲编码器作为位置检测装置。脉冲编码器是一种旋转式的脉冲发生器,其输出信号为方波,共有3对差动脉冲信号A 、A,B 、B ,Z 、Z,其中A 、B 信号相位相差90,

11、利用其相位关系可判断位移或速度的方向,零脉冲信号Z 每转一周出现一次,用于调整电气和机械的零点。采用HCT L2016芯片来实现正交解码与可逆计数,其输入部分有Schm itt 触发器与数字滤波,因此具有高抗噪声能力;具有4倍频正交解码器,提高了位置反馈精度;其总线接口部分包括一个8-16多路复用器和一个8位三态输出缓冲器,允许用户独立地读出位置数据寄存器的高、低字节。如图4所示,系统中包含3台电机,因此需采用3片HCT L2016来完成位置量的反馈,反馈回来的数据量通过DSP 外设总线扩展接口映射到I/O 空间中。因DSP 有16位数据总线,而HCT L2016有8位数据总线,所以在取得位置

12、反馈64测控技术2010年第29卷第6期量时,需要高字节与低字节分别取值。 DSP 运算时,需要进行移位合并组合成16位数值4 。图4位置解码电路3软件部分设计3.1DSP 与上位机串行通信程序串行通信接口(SC I 是采用双线制通信的异步串行通信接口(UART 。为减小串口通信时CP U 的开销,T MS320F2812的串口支持16级接收和发送F I F O 。为保证数据完整,SC I 模块对接收到的数据进行间断、极性、超限和帧错误的检测。通过对16位的波特率控制寄存器进行编程,来配置不同的SC I 通信速率。采用可视化窗口开发软件VB 编写上位机通信界面,利用其中的MSComm 通信控件

13、,完成串行通信。其通信界面如图5所示 。图5系统通信界面3.2DSP 主程序DSP 主程序可实现3台步进电机的协同控制,如正反转、起制动、加减速、速度显示、细分及定位功能。系统主程序流程图如图6所示,系统首先进行各项初始化,然后等待中断,各项控制功能就是在调用中断子程序后实现的。以定位功能实现为例,其程序流程图如图7所示 。图6 主程序流程图图7定位程序流程图该程序通过给定步进电机要走的步数,与给定值进行比较,判断电机运行方式,最终实现定位。其中加减速的实现是通过改变定时器周期寄存器值的大小来实现的,即给定速度表,按设定实现加速和减速。步进电机的运行可根据距离长短分为两种情况:中、短距离:只有

14、加减速过程,没有恒速过程;中、长距离:不仅有加减速过程,还有恒速过程。为了达到准确的定位,两种情况都要考虑。4试验结果及分析以步进电机1试验为例,采样电阻值取0.1,线性光耦放大倍数设置为10,这样流经采样电阻的相绕组电流与采样信号(如图3所示等值,分别测量四细分、八细分时的相绕组电流波形,如图8、图9所示。试验结果证明,基于DSP 的运动控制方案可实现多台电机的协同控制,性能稳定,集成度高,可移植性好,在精密数控领域具有良好的应用前景。(下转第53页74基于DSP 的多电机协同控制系统设计 (c 负载压力控制曲线(d 负载流量控制曲线图6调试结果系统油温在85左右,如图6(b 所示,在温度和

15、转速达到要求后,关闭比例节流阀,开始做压力和流量控制试验。压力控制试验:目标压力为频率为0.1Hz,幅值为29MPa (129MPa 正弦,得到如图6(c 所示的目标和实际值的控制曲线。流量控制试验:目标压力为频率为0.2Hz,幅值为80L /m in (080L /m in 正弦,得到如图6(d 所示的目标和实际值的控制曲线。5结束语从调试结果看,通过合适的参数配置,流量压力负载模拟子系统可以模拟各个飞机液压子系统;温度控制子系统可以较好地实现飞机能源系统对温度(稳态精度2指标的要求;调速子系统实现了对电机转速的控制;总控台实现了本试验系统各个子模块的控制和指挥作用,同时监视飞机液压附件和管

16、路的工作状态;此系统的设计完全满足试验要求,为设计论证提供了可靠的试验依据。由于各型飞机液压能源系统具有本质相似,因此可以通过对此试验系统进行改造,为其他型号飞机的液压能源系统提供试验平台。所以说,该系统具有广泛的工程价值。参考文献:1李艳军.飞机液压传动与控制M .北京:科学出版社,2009202.2颜建峰.飞机液压试验台监控系统的设计与实现D .南京:南京航空航天大学,2007204.3王占林.飞机高压液压能源系统M .北京:北京航空航天大学出版社,2004211:1-2.4肖文键,朱庆友,潘陆原.某型飞机液压能源系统频域特性分析J .空军工程大学学报(自然科学版,2000,1(4:9-1

17、2.5李永堂,雷步芳,高雨茁.液压系统建模与仿真M .北京:冶金工业出版社,2003202:2-3.6王正林,郭阳宽.过程控制与Si m ulink 应用M .北京:电子工业出版社,2006207. ( 上接第47页图8四细分采样电流波形图9八细分时采样电流波形参考文献:1郭成,翁盛隆,谈士力.DSP 和P BL3717A 构成的步进电机的控制系统J .单片机与嵌入式系统应用,2004,(7:63-67.2史敬灼.步进电机伺服控制技术M .北京:科学出版社,2006.3王磊,艾晓庸,朱齐丹.基于L MD18200组件的直流电机驱动器的设计J .自动化与仪表,2004,19(1:26-27.4徐鸿书.基于DSP 的多轴运动控制器的研究D .大连:大连理工大学,2005.35某型飞机液压能源系统原理验证试验系统设计