一種基于DSP的伺服控制器的設計與應用

1、一種基于DSP 的伺服控制器的設計與應用吳建昆, 唐小琦, 宋寶(華中科技大學, 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動控制系統(tǒng)中。文章詳細地介紹了該伺服控制器的硬件組成原理、

2、軟件結構方案, 制的方法。 關鍵詞; 中圖分類號文獻標識碼:B文章編號: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)的電機伺服控制裝置中, 一般采用一個或多個單片機作為伺服控制的核心處理器。這種伺服控制器外圍電路復雜, 計算速度慢, 從而導致控制效果不理想。近年來, 許多新的電機調速算法被研究并運用于電機控制系統(tǒng)中。如

4、矢量控制、直接轉矩控制等。隨著這些控制算法的日益復雜, 必須具備高速運算能力的處理器才能實現(xiàn)實時計算和控制。為了適應這種需要, 國外許多公司開發(fā)了控制電機專用的高檔單片機和數(shù)字信號處理器(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 , 設計了1種體積小, 使用方便的伺服控制器。1硬件方案設計該伺服控制器的簡化硬件框圖如圖1所示。它圖1伺服控制器硬件框圖由2個部分組成:電機功率驅動部分和以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設計的, 并且考慮到控制器的體積和成本

5、, 所以電機功率驅動電路采用6個功率MOSFET 管組成逆變橋, 并用IR 公司的三相橋驅動芯片IR2130驅動MOSFET 管。另外, 為了保護功率MOSFET 管和驅動芯片, 驅動電路里還設計有過流、過壓和欠壓等保護電路。伺服控制器的控制部分以M otionChip 芯片為控制核心; 通過C AN 總線控制芯片, 可與主機、及其它伺服控制器構成多軸運動控制系統(tǒng); EEPROM (電可621機械與電子22003(3編程只讀存儲器 存儲伺服控制器的配置參數(shù)和運動控制指令;6路PW M 信號通過高速光隔輸出, 控制功率MOSFET 管的導通與關斷;2路逆變器相電流檢測信號IA 、I B 作為伺服

6、控制器的電流環(huán)反饋信號;A 、B 、Z 3組差分信號為電機位置檢測用的碼盤反饋信號; 驅動器保護信號用來向控制器報告驅動器的報警信息; 輔助I O 信號用于監(jiān)視執(zhí)行機構的狀態(tài)和進行輔助控制。1. 1MotionChip 芯片簡介1M otionChip 是T echnos oft 公司開發(fā)的電機伺服控制專用芯片。它是基于T MS320C240的DSP (數(shù)字信號處理器 , 外圍設置了許多電機伺服控制專用的可編程配置管腳。T MS320C240是TI 公司推出的電機控制專用16位定點數(shù)字信號處理器,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) ; 能實現(xiàn)獨

7、立或主從運行模式; 執(zhí)行T echnos oft 自行開發(fā)的高級運動控制語言。1. 2反饋信號處理2增量式碼盤一般輸出的是差分信號, 該信號具有抗干擾能力強的優(yōu)點。而輸入M otionChip 的只能是數(shù)字信號, 所以差分信號需先通過三端電容去除高頻干擾, 然后輸入到差分信號接收芯片中。輸出的信號就可以直接進入M otionChip 中進行倍頻鑒相, 然后計數(shù)作為位置反饋信號。對于逆變器相電流檢測信號I A 、IB, 通過高速運放組成的電流取樣和濾波電路直接輸入M otionChip 的IA,I B 管腳進行A D 轉換。1. 3驅動器保護信號功率驅動器的保護信號包括逆變電路的過流、過壓報警和

8、驅動芯片的欠壓保護。當有報警信號產生時, 為了保護功率管和驅動芯片, 應立即關斷功率管, 即停止PW M 信號的輸出。所以驅動器保護信號通過光隔向M otionChip 進行報警, 以關閉PW M 信號。1. 4輔助I O 信號3輔助I O 信號包括執(zhí)行機構的狀態(tài)監(jiān)視和輔助控制。對于狀態(tài)監(jiān)視信號,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, 沒有的狀態(tài)信號也可通過編程使用空閑的I O 管腳進行檢測。 設置輔助控制信號是因為運動控制中需要根據(jù)執(zhí)行機構的狀態(tài)和操作過程進行開關量的控制。這些信號都需通過光隔和M otionChip 連接。2軟件方案設計2. 1MotionC

9、hip 的基本軟件結構1M otionChip 的基本軟件結構包括控制器的結構配置及其參數(shù)化和運動指令序列2部分?？刂破鞯慕Y構配置及其參數(shù)化包括電機參數(shù)、功率驅動器參數(shù)、反饋信號參數(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)結構。,制(、PI D , PI 調節(jié)器。對于交流電機內環(huán)可以, 并使用2個PI 調節(jié)器,1個調節(jié)轉矩,1個調節(jié)電流。根據(jù)控制需要, 通過合理的配置這些控制環(huán)的各參數(shù), 可以構成性能優(yōu)良的伺服控制器。運動指令序列是指由T echnos oft 公司自己開發(fā)的運動控制指令所構成的運動控制程序。這些指令包括以下幾種基本類型:運行模式設置、停

10、止模式設置、事件觸發(fā)管理(如位置事件、時間事件等 、I O 管理、中斷管理和算術及邏輯指令。通過對這些指令的編輯可以實現(xiàn)該伺服控制器的基本運動控制。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也由2部分組成:a . 控制器的結構配置及其參數(shù)化。這些程序可以在進行電機運轉測試時通過T echnos oft 公司提供的開發(fā)軟件合理配置參數(shù)后自動生成。b . 運動控制序列編制。在實際應用時, 可以把運動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。主程序中首先進行變量和寄存器的初始化, 然后進入功能子程序的循環(huán)調用或無限等待之中。功能子程序封裝了伺服控制器的某個操

11、作過程, 這樣既可以實現(xiàn)操作的模塊化, 又可以在多軸運動控制中讓主機方便地調用某個操作過程。伺服控制器通過接收主機發(fā)送過來的參數(shù)和功能子程序的調用指令就可以完成基本的操作過程。721機械與電子22003(3中斷處理子程序是對由中斷源觸發(fā)的緊急事件進行處理。例如對于如驅動器報警這樣的中斷, 在處理程序中立刻停止PW M 的信號輸出, 并置出錯標志。對于限位開關到這樣的中斷處理, 要根據(jù)情況設置合適的停止模式以緩沖減速時大負載對電機及驅動器的影響。3主機和多伺服控制器的連接在伺服控制器設計中, 采用常用的工業(yè)現(xiàn)場總線C AN 總線構成多軸運動控制網絡, 有著很多優(yōu)點:采用短幀結構, 因而傳輸時間短

12、, 受干擾的概率低; 自動解決2個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)而產生的沖突; 通信速率最高可達1Mbps/40m 。在M otionChip 的多軸配置中, 每個M 服控制器都有一個軸I ( I I D , 得具有同樣組I 的命令, 從而實現(xiàn)同組的各軸同步1。由6個伺服電機組成的小型包裝機的設計方案如圖2所示。6個伺服電機被分為3組, 各完成不圖2多軸運動控制方案同的操作過程; 每組由2個電機組成, 同步完成同樣的動作。因為由M otionChip 構成的伺服控制器可以進行基本運動控制, 所以我們把各操作做成功能子程序。當系統(tǒng)運行時, 監(jiān)控主機只要根據(jù)伺服控制器的當前狀態(tài)和下一步的操作過程, 調用相應的各

13、組的功能子程序。另外, 若C AN 總線的通訊速率為1Mbps , 并假設每軸在伺服周期內最多需和主機交換80Bytes 數(shù)據(jù), 則一次交換數(shù)據(jù)時間為6×80Bytes ×8bits 1000000=3. 84ms 。這樣, 每次伺服控制過程可以保證在10ms 內完成。為了協(xié)調好各軸的運動, 在監(jiān)控主機中應該實現(xiàn)以下幾個功能:a . 在等時間間隔內采集各軸運動控制器的運行狀態(tài)。b . 根據(jù)各軸當前狀態(tài)和下一步的操作過程, 規(guī)劃下一步各軸的運行方式。c . 發(fā)送各軸控制指令及各組同步運行指令。4結束語本文介紹了一種硬件結構簡單, 軟件編程容易的DSP 的伺服控制器, 以及由多

14、個這種伺服控制器組成的多軸運動控制的方法。隨著微電子技術的發(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:華中理工大學出版社,1995.3廖效果, 劉又午, 朱劍英. 數(shù)控技術M.武漢:湖北科學技術出版社,2000.作者簡介:吳建昆(1977- 男, 云南昆明人, 華中科技大學國家數(shù)控系統(tǒng)工程技術中心碩士研究生, 研究方向為機電控制。提升機液壓制動系統(tǒng)狀態(tài)測定技術由兗州礦業(yè)(集團 公司興隆莊煤礦研究的提升機液壓制動系統(tǒng)狀態(tài)測定技術, 解決了目前國內對礦井提升機液壓制動系統(tǒng)工作狀態(tài)只能通過油壓表觀察而不能精確測定記錄的缺陷。在常用的傳感變送器件中, 電阻式具有測量范圍大、測量精度高、動態(tài)性能好等優(yōu)點, 所以測試選擇了B