一種基于DSP的伺服控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、一種基于DSP 的伺服控制器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用吳建昆, 唐小琦, 宋寶(華中科技大學(xué), 湖北武漢430074Design and Application of a Serv o C ontroller Based DSPWU Jiankun , TANG Xiaoqi , SONG B ao(Huazhong University of Science and T echnology ,Wuhan 430074,China 摘要:介紹了一種由專用電機(jī)控制芯片DSPM otionChip 作為核心的伺服控制器, 該伺服控制器可以方便的用于各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中。文章詳細(xì)地介紹了該伺服控制器的硬件組成原理、

2、軟件結(jié)構(gòu)方案, 制的方法。 關(guān)鍵詞; 中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):1001-2257(2003 03-0026-03 Abstract :Thepaper presents a serv o controller with the DSP M otionChip. The serv o controller can be conve 2niently used in many m otion control system. The hardware and s oftware design method of the serv o controller is dis 2cussed in

3、 detail. The method of multi axis m otion control with the serv o controllers is als o introduced in the paper.K ey w ords :DSP; serv o controller ; multi axis m o 2tion control收稿日期:2002-09-030引言在傳統(tǒng)的電機(jī)伺服控制裝置中, 一般采用一個(gè)或多個(gè)單片機(jī)作為伺服控制的核心處理器。這種伺服控制器外圍電路復(fù)雜, 計(jì)算速度慢, 從而導(dǎo)致控制效果不理想。近年來(lái), 許多新的電機(jī)調(diào)速算法被研究并運(yùn)用于電機(jī)控制系統(tǒng)中。如

4、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。隨著這些控制算法的日益復(fù)雜, 必須具備高速運(yùn)算能力的處理器才能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算和控制。為了適應(yīng)這種需要, 國(guó)外許多公司開發(fā)了控制電機(jī)專用的高檔單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP 。現(xiàn)在, 通常使用的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP 和大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷M成。要, , 但是, T ech 2DSP , 設(shè)計(jì)了1種體積小, 使用方便的伺服控制器。1硬件方案設(shè)計(jì)該伺服控制器的簡(jiǎn)化硬件框圖如圖1所示。它圖1伺服控制器硬件框圖由2個(gè)部分組成:電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)部分和以M otionChip芯片為核心的控制部分。由于該伺服控制器是為小功率永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)的, 并且考慮到控制器的體積和成本

5、, 所以電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)電路采用6個(gè)功率MOSFET 管組成逆變橋, 并用IR 公司的三相橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2130驅(qū)動(dòng)MOSFET 管。另外, 為了保護(hù)功率MOSFET 管和驅(qū)動(dòng)芯片, 驅(qū)動(dòng)電路里還設(shè)計(jì)有過(guò)流、過(guò)壓和欠壓等保護(hù)電路。伺服控制器的控制部分以M otionChip 芯片為控制核心; 通過(guò)C AN 總線控制芯片, 可與主機(jī)、及其它伺服控制器構(gòu)成多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng); EEPROM (電可621機(jī)械與電子22003(3編程只讀存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)伺服控制器的配置參數(shù)和運(yùn)動(dòng)控制指令;6路PW M 信號(hào)通過(guò)高速光隔輸出, 控制功率MOSFET 管的導(dǎo)通與關(guān)斷;2路逆變器相電流檢測(cè)信號(hào)IA 、I B 作為伺服

6、控制器的電流環(huán)反饋信號(hào);A 、B 、Z 3組差分信號(hào)為電機(jī)位置檢測(cè)用的碼盤反饋信號(hào); 驅(qū)動(dòng)器保護(hù)信號(hào)用來(lái)向控制器報(bào)告驅(qū)動(dòng)器的報(bào)警信息; 輔助I O 信號(hào)用于監(jiān)視執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)和進(jìn)行輔助控制。1. 1MotionChip 芯片簡(jiǎn)介1M otionChip 是T echnos oft 公司開發(fā)的電機(jī)伺服控制專用芯片。它是基于T MS320C240的DSP (數(shù)字信號(hào)處理器 , 外圍設(shè)置了許多電機(jī)伺服控制專用的可編程配置管腳。T MS320C240是TI 公司推出的電機(jī)控制專用16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器,M otionChip , ; , 可配置不同的控制環(huán)模式(開環(huán), 位置環(huán), 速度環(huán) ; 能實(shí)現(xiàn)獨(dú)

7、立或主從運(yùn)行模式; 執(zhí)行T echnos oft 自行開發(fā)的高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制語(yǔ)言。1. 2反饋信號(hào)處理2增量式碼盤一般輸出的是差分信號(hào), 該信號(hào)具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。而輸入M otionChip 的只能是數(shù)字信號(hào), 所以差分信號(hào)需先通過(guò)三端電容去除高頻干擾, 然后輸入到差分信號(hào)接收芯片中。輸出的信號(hào)就可以直接進(jìn)入M otionChip 中進(jìn)行倍頻鑒相, 然后計(jì)數(shù)作為位置反饋信號(hào)。對(duì)于逆變器相電流檢測(cè)信號(hào)I A 、IB, 通過(guò)高速運(yùn)放組成的電流取樣和濾波電路直接輸入M otionChip 的IA,I B 管腳進(jìn)行A D 轉(zhuǎn)換。1. 3驅(qū)動(dòng)器保護(hù)信號(hào)功率驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)信號(hào)包括逆變電路的過(guò)流、過(guò)壓報(bào)警和

8、驅(qū)動(dòng)芯片的欠壓保護(hù)。當(dāng)有報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生時(shí), 為了保護(hù)功率管和驅(qū)動(dòng)芯片, 應(yīng)立即關(guān)斷功率管, 即停止PW M 信號(hào)的輸出。所以驅(qū)動(dòng)器保護(hù)信號(hào)通過(guò)光隔向M otionChip 進(jìn)行報(bào)警, 以關(guān)閉PW M 信號(hào)。1. 4輔助I O 信號(hào)3輔助I O 信號(hào)包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)視和輔助控制。對(duì)于狀態(tài)監(jiān)視信號(hào),M otionChip 有專門的管腳可以捕獲限位和回零這樣的狀態(tài)信號(hào), 沒有的狀態(tài)信號(hào)也可通過(guò)編程使用空閑的I O 管腳進(jìn)行檢測(cè)。 設(shè)置輔助控制信號(hào)是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制中需要根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)和操作過(guò)程進(jìn)行開關(guān)量的控制。這些信號(hào)都需通過(guò)光隔和M otionChip 連接。2軟件方案設(shè)計(jì)2. 1MotionC

9、hip 的基本軟件結(jié)構(gòu)1M otionChip 的基本軟件結(jié)構(gòu)包括控制器的結(jié)構(gòu)配置及其參數(shù)化和運(yùn)動(dòng)指令序列2部分?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)配置及其參數(shù)化包括電機(jī)參數(shù)、功率驅(qū)動(dòng)器參數(shù)、反饋信號(hào)參數(shù)和控制環(huán)的配置。M otionChip 的控制環(huán)采用電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的三環(huán)結(jié)構(gòu)。,制(、PI D , PI 調(diào)節(jié)器。對(duì)于交流電機(jī)內(nèi)環(huán)可以, 并使用2個(gè)PI 調(diào)節(jié)器,1個(gè)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩,1個(gè)調(diào)節(jié)電流。根據(jù)控制需要, 通過(guò)合理的配置這些控制環(huán)的各參數(shù), 可以構(gòu)成性能優(yōu)良的伺服控制器。運(yùn)動(dòng)指令序列是指由T echnos oft 公司自己開發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制指令所構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制程序。這些指令包括以下幾種基本類型:運(yùn)行模式設(shè)置、停

10、止模式設(shè)置、事件觸發(fā)管理(如位置事件、時(shí)間事件等 、I O 管理、中斷管理和算術(shù)及邏輯指令。通過(guò)對(duì)這些指令的編輯可以實(shí)現(xiàn)該伺服控制器的基本運(yùn)動(dòng)控制。2. 2伺服控制器控制軟件的編制由上述可知, 該伺服控制器控制軟件編制時(shí)也由2部分組成:a . 控制器的結(jié)構(gòu)配置及其參數(shù)化。這些程序可以在進(jìn)行電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)測(cè)試時(shí)通過(guò)T echnos oft 公司提供的開發(fā)軟件合理配置參數(shù)后自動(dòng)生成。b . 運(yùn)動(dòng)控制序列編制。在實(shí)際應(yīng)用時(shí), 可以把運(yùn)動(dòng)控制序列分為主程序、功能子程序和中斷處理子程序3部分。主程序中首先進(jìn)行變量和寄存器的初始化, 然后進(jìn)入功能子程序的循環(huán)調(diào)用或無(wú)限等待之中。功能子程序封裝了伺服控制器的某個(gè)操

11、作過(guò)程, 這樣既可以實(shí)現(xiàn)操作的模塊化, 又可以在多軸運(yùn)動(dòng)控制中讓主機(jī)方便地調(diào)用某個(gè)操作過(guò)程。伺服控制器通過(guò)接收主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的參數(shù)和功能子程序的調(diào)用指令就可以完成基本的操作過(guò)程。721機(jī)械與電子22003(3中斷處理子程序是對(duì)由中斷源觸發(fā)的緊急事件進(jìn)行處理。例如對(duì)于如驅(qū)動(dòng)器報(bào)警這樣的中斷, 在處理程序中立刻停止PW M 的信號(hào)輸出, 并置出錯(cuò)標(biāo)志。對(duì)于限位開關(guān)到這樣的中斷處理, 要根據(jù)情況設(shè)置合適的停止模式以緩沖減速時(shí)大負(fù)載對(duì)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的影響。3主機(jī)和多伺服控制器的連接在伺服控制器設(shè)計(jì)中, 采用常用的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線C AN 總線構(gòu)成多軸運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò), 有著很多優(yōu)點(diǎn):采用短幀結(jié)構(gòu), 因而傳輸時(shí)間短

12、, 受干擾的概率低; 自動(dòng)解決2個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)而產(chǎn)生的沖突; 通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m 。在M otionChip 的多軸配置中, 每個(gè)M 服控制器都有一個(gè)軸I ( I I D , 得具有同樣組I 的命令, 從而實(shí)現(xiàn)同組的各軸同步1。由6個(gè)伺服電機(jī)組成的小型包裝機(jī)的設(shè)計(jì)方案如圖2所示。6個(gè)伺服電機(jī)被分為3組, 各完成不圖2多軸運(yùn)動(dòng)控制方案同的操作過(guò)程; 每組由2個(gè)電機(jī)組成, 同步完成同樣的動(dòng)作。因?yàn)橛蒑 otionChip 構(gòu)成的伺服控制器可以進(jìn)行基本運(yùn)動(dòng)控制, 所以我們把各操作做成功能子程序。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí), 監(jiān)控主機(jī)只要根據(jù)伺服控制器的當(dāng)前狀態(tài)和下一步的操作過(guò)程, 調(diào)用相應(yīng)的各

13、組的功能子程序。另外, 若C AN 總線的通訊速率為1Mbps , 并假設(shè)每軸在伺服周期內(nèi)最多需和主機(jī)交換80Bytes 數(shù)據(jù), 則一次交換數(shù)據(jù)時(shí)間為6×80Bytes ×8bits 1000000=3. 84ms 。這樣, 每次伺服控制過(guò)程可以保證在10ms 內(nèi)完成。為了協(xié)調(diào)好各軸的運(yùn)動(dòng), 在監(jiān)控主機(jī)中應(yīng)該實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能:a . 在等時(shí)間間隔內(nèi)采集各軸運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)行狀態(tài)。b . 根據(jù)各軸當(dāng)前狀態(tài)和下一步的操作過(guò)程, 規(guī)劃下一步各軸的運(yùn)行方式。c . 發(fā)送各軸控制指令及各組同步運(yùn)行指令。4結(jié)束語(yǔ)本文介紹了一種硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 軟件編程容易的DSP 的伺服控制器, 以及由多

14、個(gè)這種伺服控制器組成的多軸運(yùn)動(dòng)控制的方法。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展, 很多像DSP M otionChip 這樣使用方便的專用電:1T echnos oft M otionChip DataSheetZ.2000.2秦憶, 等. 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)M.武漢:華中理工大學(xué)出版社,1995.3廖效果, 劉又午, 朱劍英. 數(shù)控技術(shù)M.武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社,2000.作者簡(jiǎn)介:吳建昆(1977- 男, 云南昆明人, 華中科技大學(xué)國(guó)家數(shù)控系統(tǒng)工程技術(shù)中心碩士研究生, 研究方向?yàn)闄C(jī)電控制。提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)測(cè)定技術(shù)由兗州礦業(yè)(集團(tuán) 公司興隆莊煤礦研究的提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)測(cè)定技術(shù), 解決了目前國(guó)內(nèi)對(duì)礦井提升機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)只能通過(guò)油壓表觀察而不能精確測(cè)定記錄的缺陷。在常用的傳感變送器件中, 電阻式具有測(cè)量范圍大、測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn), 所以測(cè)試選擇了B