基于DSP伺服控制的分切機應用

孫 穎， 王 健

(長春工業大學電氣與電子工程學院，吉林長春 130012)

0 引 言

近年來造紙工業在我國有了很大的發展，已經成為國民經濟的重要支柱產業之一。這就對切紙工具分切機提出了更高的要求，目前，國內所生產的分切機水平與一些國際的知名品牌仍存在著較大的差距，還停留在中下游水平上。分切機雖說對國內外控制原器件運用已非常普及，價格也較低廉，但國內分切機廠家在使用時，對分切精度和送紙速度的控制上遠遠落后于國外發達國家，特別是在控制系統上，分切機的結構和紙張缺乏有機的結合，在這個層面上講，國產分切機絕大多數還停留在粗線條上，還沒有更深入領會分切機控制系統的嚴密性和合理性。國內分切機分切長度可以控制到2 000 mm以上，精度為0.6 mm。與此同時，人們對分切機的高自動化、人性化及高的安全可靠性等要求也越來越高，伴隨著計算機在工業領域應用的日益廣泛和深入，同時將微電子技術、新傳感技術、信息處理技術、新工藝技術、新材料技術及微型計算機等技術應用迅速滲透到分切機領域，這反映出我國現代紙張行業向高科技水平發展[1]。

1 基于RBF神經網絡的控制器建模設計

根據切紙長度工藝的要求及實際生產情況，以及來自控制系統本身和外部的擾動信號，采用RBF神經網絡控制算法進行伺服電機控制系統設計。通過實驗調整相關參數并建立數學模型。通過仿真驗證確定RBF神經網絡控制算法適于本系統的控制器設計，該方法可以有效地抑制系統存在的各種不確定性因素，在大慣量、變負載，干擾因素大的條件下，可以實現響應快、超調量小、精度高[2]。分切長度達到2 300 mm，精度達到0.3 mm，最大裁切頻率為400刀/m in，由于控制方式的選擇可能會影響到分切的速度和精度，因此，采用現在先進的神經網絡控制方式。該輸入量為送紙機的送紙速度，切紙機的切紙速度固定，通過編碼器進行實時調節，輸出量是經過調節后的速度送給送紙輥[3]。

設系統的動態方程為:

式中:u[k]——系統輸入;

x[k]——系統狀態;

y[k]——系統輸出;

f，h——未知非線性函數。

對上式系統，可以采用以下兩種狀態——輸出辨識模型表示:

式中:x1[k]——辨識模型狀態;

y1[k]——辨識模型輸出;

fm，hm——靜態非線性函數。

可作為一類非線性系統的辨識模型。

2 系統設計

使用DSP實現現場設備的控制，采用的DSP型號為TM S320LF2407A。該DSP芯片設計了使用比較器的比較值和定時器周期寄存器的周期值實現產生PWM波。比較值產生PWM波的脈寬，周期值產生PWM波的頻率，再經過外圍電路控制直流伺服電機[4]。其控制流程如下:使用DSP的控制軟件編寫程序，程序通過 DSPTMS320LF2407A芯片發出PWM波。PWM波經過控制電路傳送到編碼器中，再由編碼器控制直流伺服電機的轉向和轉速。編碼器實時檢測直流伺服電機的運轉狀況，把檢測到的電機運行速度值送到TMS320LF2407A芯片中，保證了直流伺服電機的安全運行[5]。

整個控制系統組成如圖1所示。

圖1 系統框圖

直流電機轉速n的表達式為:

式中:U——電樞端電壓;

￠——每極磁通量;

I—— 電樞電流;

R——電樞電路總電阻;

K——電機參數。

由直流電機的控制原理知，絕大多數直流電機是采用開關驅動的。電機電樞電壓的控制是通過脈寬調制PWM來進行的，從而實現調速。PWM波是一種脈寬可調的脈沖波，用于直流電機的電壓控制。PWM波是一種脈寬可控制，通過脈寬調制PWM來控制電機電樞電壓，從而實現調速。定額調寬是一種最常見的脈寬調制方式，它只調整脈沖寬度，使脈沖波的頻率(或周期)保持不變[6]。PWM 的調壓調速原理如圖2所示。

圖2 DSP對直流伺服系統控制圖

圖中，當開關管MOSFET的柵極輸入高電平時，直流伺服電機電樞繞組兩端有電壓U s，開關管導通;t1秒后，開關管截止，柵極輸入變為低電平，電機電樞兩端電壓為0;t2秒后，柵極輸入重新變為高電平，開關管的動作重復前面的過程。這樣，對應輸入的電平高低，電機電樞繞組兩端電壓波形見圖2。電機的電樞繞組兩端的電壓平均值U0為:

式中:a——占空比，a=t1/T，表示了一個周期T里，開關管導通的時間與周期的比值，0＜a＜1。

由式(6)可知，當電源電壓U s不變的情況下，電樞的端電壓的平均值取決于占空比a的大小，改變a值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調速目的。

3 相關電路分析

3.1 PWM觸發電路

TMS320LF2407A具有兩個事件管理器(EV)模塊:EVA和EVB。這兩個事件管理器(EV)模塊在功能和結構上完全相同。這兩個事件管理器(EV)模塊中分別有6個PWM輸出引腳?？刂浦绷魉欧姍C可以通過這6個特定的PWM輸出引腳[7]。

3.2 功率驅動電路

通過6個功率場效應晶體管MOSFET原件構成MOSFET全橋電路，上橋通過3個P溝道MOSFET構成，加負電壓時，門極G導通。下橋通過3個N溝道MOSFET構成，加正電壓時，門極G導通。

3.3 轉子位置信號的檢測與轉速檢測

用增量式光電編碼器作為本系統的轉子位置傳感器，作為閉環控制的反饋量，用于測量電機輸出的角位移和轉速。TM S320LF2407A提供了與這種編碼器的接口電路。

3.4 保護電路和電流檢測

在主回路中常規的電流傳感器通過串接一個反饋電阻R代替，檢測得到反饋電阻的電壓值U，線電流測量值經過計算間接得到，采用這種方式是由于直流伺服電機的三相繞組在運行中任何時刻只有兩相通電，且為同一電流。R可完成限流、電流檢測和過流保護的功能。一路經增益放大、RC濾波后送電壓比較器;另一路作為電流反饋值，經過增益放大、RC濾波、限幅后送入TMS320LF2407A的ADC模塊。電壓比較器的輸出送入LF2407A的PDPINTA引腳，電壓比較器的參考電壓為過電流設定值，當電樞電流超過設定值，電壓比較器輸出為低電平，PDPINTA引腳為低電平，所有PWM為高阻態，DSP內部計數器停止計數;通知DSP有異常情況發生，同時產生中斷信號，在中斷處理程序中，通過相關I/O口狀態對故障進行判斷[8]。

3.5 基于組態軟件構建控制平臺

PC機上的應用程序可以實現友好的人機界面，用戶可方便地通過操作面板進行設置和修改控制參數，及時準確地顯示故障信息。并且把所有的切紙信息、故障記錄存在數據庫中，方便用戶日后的查詢。實現PC與控制系統間的數據的交換。

4 結 語

通過理論分析和實驗驗證，使用DSP控制伺服電機可以保證分切機的切割精度，在實際生產過程中具有一定的應用價值。

[1] 陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京:機械工業出版社，1998.

[2] 薛定宇.控制系統計算機輔助設計[M].北京:清華大學出版社，1996.

[3] 黃忠霖.控制系統M atlab設計及仿真[M].北京:國防工業出版社，2001.

[4] 胡佑德，馬東升，張莉松.伺服系統原理與設計[M].北京:北京理工大學出版社，1999.

[5] 胡壽松.自動控制原理[M].北京:科學出版社，2001.

[6] 張靜.Matlab在控制系統中的應用[M].北京:電子工業出版社，2007.

[7] 安忠科.神經網絡控制理論[M].西安:西北工業大學出版社，1999.

[8] W ang Jiang jiang，Zhang Chun fa，Jing You yin. Self-adaptive RBF neural network PID control in exhaust tem perature of m icro-turbine[C]//Proceedings of the Seventh International Con ference on M achine Learning and Cybernetics，2008:2131-2136.