采用DSP的多電機同步控制系統(tǒng)

朱偉興， 張 建

(江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

交流永磁同步電機以其高轉(zhuǎn)矩/慣性比、高功率等優(yōu)點，在數(shù)控機床、工業(yè)機器人、醫(yī)用設備和火炮等軍工領域的應用已經(jīng)十分廣泛。在實際的工業(yè)控制領域中，一條生產(chǎn)流水線通常由多臺電機驅(qū)動，能否實現(xiàn)多臺電機的協(xié)調(diào)工作，直接關系到生產(chǎn)的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量，如何實現(xiàn)多電機的速度與位置同步控制已成為研究熱點。目前，在交流伺服控制系統(tǒng)中，開始采用各種新型、高性能的器件如數(shù)字信號處理器(DSP)、智能功率控制模塊等實現(xiàn)數(shù)字控制。

目前的主流控制方式有兩種。一是采用一臺DSP作為主控制器，外圍擴展則使用FPGA或者CPLD，這種方法開發(fā)難度大，開發(fā)周期長，對開發(fā)人員要求過高，且產(chǎn)品不利于一般企業(yè)尤其是小型企業(yè)的使用和維護。另一種方法則是使用多臺DSP對電機實行同步控制，該方式對DSP的實時性要求過高，且DSP相互之間可能產(chǎn)生的干擾過大，硬件電路復雜，制作困難。

鑒于以上兩種主流控制方式的局限性，迫切需要一種控制系統(tǒng)，即硬件電路制作相對簡單、穩(wěn)定性好，且開發(fā)難度較低，有利于編程，可以被大多數(shù)工程人員所掌握和應用。因此，在這種背景下，本系統(tǒng)著眼于解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開發(fā)難度大，開發(fā)周期長，硬件電路復雜，干擾過大的問題。

1 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)采用了一塊TI公司推出的TMS320F2812 DSP加外圍電路來實現(xiàn)4臺交流伺服電機的位置與速度的同步控制。控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

DSP中EVA模塊的定時器1的比較輸出引腳產(chǎn)生PWM波T1PWM來控制1號電機(主電機)的轉(zhuǎn)動，EVA模塊的定時器2的比較輸出引腳產(chǎn)生PWM波T2PWM來控制2號電機(從電機)的轉(zhuǎn)動，EVB模塊的定時器3的比較輸出引腳產(chǎn)生PWM波T3PWM來控制3號電機(從電機)的轉(zhuǎn)動，EVB模塊的定時器4的比較輸出引腳產(chǎn)生PWM波T4PWM來控制4號電機(從電機)的轉(zhuǎn)動。

系統(tǒng)的反饋信號即交流伺服電機轉(zhuǎn)子上的光電編碼器輸出信號，分別接入相應的解碼器HCTL_2021中，4路HCTL_2021解碼器的輸出信號并聯(lián)后接入DSP的GPIO口。DSP通過自帶的運算單元計算出實時的電機轉(zhuǎn)速和位置信息。以1號電機為主電機，其余3臺從電機跟隨主電機轉(zhuǎn)動。

圖1 控制系統(tǒng)結構

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)的硬件電路部分主要包括DSP最小系統(tǒng)電路、抗干擾電路、電平轉(zhuǎn)換電路和解碼電路等。

2．1 DSP 最小系統(tǒng)

DSP最小系統(tǒng)主要包括DSP微處理器、供電電源電路、時鐘晶振電路和時鐘復位電路等。這里需要注意的是，如果外界環(huán)境過于復雜、干擾過大，為了保證DSP系統(tǒng)有穩(wěn)定的時鐘供應，最好采用有源時鐘。

2．2 抗干擾電路

由于工廠環(huán)境的復雜性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力成為了系統(tǒng)設計過程中必須重點考慮的問題。本系統(tǒng)多處使用光耦并采用雙電源供電，隔絕了系統(tǒng)和外部被控制電機之間的電聯(lián)系，很大程度上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)在4路DSP的PWM波的輸出端和電機反饋信號輸入端分別進行了光耦隔離。系統(tǒng)輸出端光耦連線圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)輸出光耦

系統(tǒng)輸入端光耦連線圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)輸入光耦

這樣系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的干擾不會隨PWM波的輸出傳遞給電機，電機產(chǎn)生的干擾也不會隨著電機的輸入傳遞給系統(tǒng)，達到了對干擾的隔離作用。

2．3 電平轉(zhuǎn)換電路

由于解碼器HCTL_2021和光耦輸出的信號均為5 V，而DSP的GPIO端口所能承受的電平為3.3 V，如果將HCTL_2021或光耦的輸出信號直接供給DSP，將會導致DSP使用壽命急劇縮短甚至燒壞。本系統(tǒng)充分考慮到了外部輸入信號電平問題，在解碼器HCTL_2021和輸入光耦的輸出端增加了電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245A，該芯片的功能是將5 V輸入電平轉(zhuǎn)化為3.3 V輸出電平，從而彌補了外部電平過高，DSP難以承受的問題。電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245A的連線圖見圖4。

圖4 電平轉(zhuǎn)換芯片

2．4 解碼電路

作為HCTL_2020的改良版，HCTL_2021在穩(wěn)定性和抗干擾方面都有著突出的表現(xiàn)。OE引腳為解碼器使能端，當其為低電平時，解碼器處于工作狀態(tài)。RST引腳為解碼器清零端，當其為低電平時解碼器計數(shù)值清零。電機反饋的QEP編碼信號通過CHA、CHB輸入給解碼器CHTL_2021，解碼器在輸入時鐘驅(qū)使下每捕獲到一個正電平跳變，計數(shù)值就加1。當控制器來讀取數(shù)值時就通過數(shù)據(jù)總線 D0—D7輸出，輸出高低位選擇端SEL為0時，解碼器輸出高8位;輸出高低位選擇端SEL為1時，解碼器輸出低8位。為了最大限度的節(jié)省 DSP的 GPIO引腳，本系統(tǒng)將 4塊HCTL_2021并聯(lián)后接到 DSP的 GPIO口，DSP通過軟件設置分時讀取4塊HCTL_2021內(nèi)的數(shù)值。解碼器連線如圖5所示。

3 同步控制算法的實現(xiàn)

圖5 HCTL_2021解碼器

由于同步控制涉及多個軸，因此多變量控制成為同步控制的主要控制方法。本系統(tǒng)選擇主從方式:1號伺服電機為主電機，2、3、4號伺服電機處于伺服控制中，它們各自的速度和位置由1號伺服電機的速度和位置所決定，也就是說，1號伺服電機軸起支配軸的作用，而2、3、4號伺服電機軸處于被支配地位，它們時刻跟蹤1號伺服電機軸的速度和位置信號。在同步控制系統(tǒng)運行過程中，2、3、4號伺服電機軸的轉(zhuǎn)速和位置信號變化必須跟隨1號伺服電機軸的速度和位置信號的變化，以此保證多伺服電機軸速度和位置的同步。在本系統(tǒng)中，采用位置控制方式，即用事件管理器模塊的定時器產(chǎn)生頻率可控的PWM波來控制伺服電機的伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器再根據(jù)位置控制命令對伺服電機進行伺服控制，PWM波的頻率控制電機的轉(zhuǎn)速，PWM波的個數(shù)控制電機轉(zhuǎn)過的位置。設多伺服電機軸編碼器輸出脈沖數(shù)偏差值為e(k)，在k時刻電機的實際反饋轉(zhuǎn)速分別為u1(k)、u2(k)、u3(k)、u4(k)。各伺服電機軸同步速度偏差值:

根據(jù)不同的設計要求可設定多伺服電機軸編碼器脈沖輸出數(shù)允許偏差值的最大變化范圍Δmax，當e(k)≤eM時，系統(tǒng)不需要進行調(diào)節(jié)控制，當e(k)＞eM時，需要進行調(diào)節(jié)控制。本系統(tǒng)PID控制器由TMS320F2812通過軟件實現(xiàn)，以TMS320F2812芯片中的CPU0定時器產(chǎn)生20 ms的定時中斷，在中斷程序中，計算這20 ms中各伺服電機的編碼器輸出脈沖數(shù)，然后將采集的各伺服電機軸的轉(zhuǎn)速和位置信號與1號伺服電機軸的轉(zhuǎn)速和位置信號進行比較，求出偏差值e(k)。模擬PID控制器中比例調(diào)節(jié)器，對偏差做出瞬間快速反應和補償。控制算法軟件流程，當e(k)＞eM時，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量朝著使偏差變小的方向變化，控制作用的強、弱取決于比例系數(shù)Kp，積分調(diào)節(jié)器的作用是把偏差累積的結果作為其輸出。在調(diào)節(jié)過程中，只要有偏差e(k)＞eM，積分器的輸出就會不斷變大，直至誤差e(k)＜eM輸出才能維持某一常量，使系統(tǒng)在速度指令信號不變的條件下趨于穩(wěn)態(tài)。微分調(diào)節(jié)器的作用是阻止偏差的變化，偏差變化越快，微分調(diào)節(jié)器的輸出也越大。本系統(tǒng)的軟件處理采用增量式調(diào)節(jié):

式中:Δu(k)——1號伺服電機控制量增量，其中i=2，3，4;

u1(k)、ui(k)、ui(k-1)、ui(k-2)——分別是k、k-1、k-2時刻1號伺服電機及i號電機軸的編碼器輸出脈沖采樣值;

Kp——比例系數(shù);

Ki——積分系數(shù)，Ki=KpT∑i;

Kd——微分系數(shù)，Kd=KpT∑d;

T——采樣周期;

∑i——積分時間常數(shù);

∑d——微分時間常數(shù)。

值得注意的是，此處eM(最大誤差量)需根據(jù)電機不同的運轉(zhuǎn)速度而設定不同的值，速度越高，eM的值應該越大，從而才能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4 系統(tǒng)的軟件設計

本系統(tǒng)軟件實現(xiàn)程序按功能主要分為同步起動部分和采用了PID算法的自動糾正誤差部分。

4．1 同步起動程序設計

為了實現(xiàn)4臺電機在任意時刻的位置都是相同的，同步起動4臺電機成為了必然。電機每次轉(zhuǎn)到其固有零點時就會發(fā)出一條高電平信號Z，這就為實現(xiàn)4電機同步起動提供了可能。將4臺電機的Z信號輸出端分別接到DSP的4個捕獲引腳，當DSP的任意一個捕獲引腳捕捉到高電平跳變時，就立即停止該路的PWM波輸出，伺服電機就會立即停止在該電機的固有零點處。當4臺電機都停在各自的固有零點處時，延遲一定時間后，再同時起動，這樣就實現(xiàn)了多電機的同步起動。同步起動程序的流程圖如圖6所示。

4．2 采用了PID算法的自動糾正誤差程序

圖6 同步起動程序

電機在運轉(zhuǎn)過程中每轉(zhuǎn)一圈將輸出2 500個QEP編碼脈沖，將每一路編碼脈沖經(jīng)過光耦隔離后送入到HCTL_2020的信號輸入端CHA、CHB進行解碼計數(shù)。HCTL_2020有 D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7 八個輸出端，一個復位端 RST，一個使能端OE，一個高低位選擇端SEL。本系統(tǒng)在軟件上采用中斷方式分時讀取GPIO上4塊計數(shù)器的計數(shù)結果。以讀取第一塊HCTL_2020芯片上的數(shù)據(jù)為例:配置DSP的CPU定時器0，使其每隔150 μs產(chǎn)生一次周期中斷TINT0，程序進入中斷讀取4塊計數(shù)器的計數(shù)結果。首先置計數(shù)器1的低電平有效使能端OE1=0(在此過程中禁止其余3塊芯片的使能端，分別置它們?yōu)?)，然后，先令其高低位選擇端SEL1=0，讀取該芯片的高8位;再令SEL1=1，再讀取其低8位，再將其轉(zhuǎn)化為十進制，保存到變量date1中。可以用類似的方法讀取其余3塊HCTL_2020上的數(shù)據(jù)，分別存放在變量date2、date3、date4中。特別注意:由于數(shù)字電路的電平轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在改變控制信號的電平后需要延遲一定時間，等其真正穩(wěn)定。由于電機轉(zhuǎn)速=60×電子齒輪比×輸入脈沖頻率/每個電機旋轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，讀取電機轉(zhuǎn)速后根據(jù)上述公式將其轉(zhuǎn)化為脈沖頻率，分別保存在fq1、fq2、fq3、fq4中。本系統(tǒng)以第一臺電機為主電機，其余3臺電機為從電機，分別算出3臺從電機與主電機之間的脈沖頻率差值 Δfq1，Δfq2，Δfq3，然后將差值送入PID函數(shù)中進行調(diào)節(jié)。再將PID調(diào)節(jié)返回值送入控制器輸入部分，調(diào)節(jié)PWM波輸出的頻率。糾正誤差的程序流程如圖7所示。

圖7 自動糾正誤差程序

5 系統(tǒng)運行試驗結果

系統(tǒng)硬件和軟件調(diào)試完成后，選擇韓國MECPAPION公司的交流伺服電機，依照廠方產(chǎn)品設計要求確定了4臺伺服電機的型號分別為APM-SE12MDK、APM-SE09MDK、APM-SE09MDK、APM-SE06MDK，并在負載條件下進行了不同轉(zhuǎn)速的同步運行試驗。根據(jù)系統(tǒng)的精度要求，運行參數(shù)的設置分別為eM=6;n1=200 r/min;eM=6，n1=300 r/min;eM=8，n1=400;eM=10，n1=500 r/min;eM=15，n1=800 r/min;eM=15，n1=900 r/min;eM=20，n1=1 000 r/min。試驗結果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全，運行狀態(tài)良好，完全可以實現(xiàn)設計目標的要求。

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