基于DSL的電動運動平臺控制系統(tǒng)設(shè)計

黃志軍

摘 要：摘要：為了給原有設(shè)備進行數(shù)字化改進積累經(jīng)驗，在消化積累的基礎(chǔ)上，進行了基于DSP的電動運動平臺控制系統(tǒng)設(shè)計，對運動控制系統(tǒng)的全數(shù)字控制軟硬件設(shè)計基本思路和方法進行了探索。特別是控制策略的優(yōu)化組合，對彌補系統(tǒng)設(shè)計缺陷，提高控制精度，有了更大的促進。

關(guān)鍵詞：電動運動平臺 控制技術(shù) 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TP27 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（c）-0025-02

隨著電子電力技術(shù)和功率器件的發(fā)展，特別是DSP芯片技術(shù)和具有先進控制策略的交流電機伺服系統(tǒng)的快速發(fā)展為運動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了便利。該文通過對已有運動平臺控制系統(tǒng)基本功能的深入研究，在消化、分析基于DSP運動控制理論和案例的基礎(chǔ)上，設(shè)計了電動運動平臺數(shù)字控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)以精選 的DSP芯片作為控制核心，以智能功率模塊（IPM模塊）為逆變器，以霍爾電流傳感器和絕對式光電編碼器為反饋，來實現(xiàn)對伺服系統(tǒng)的全數(shù)字控制。

1.1 DSP芯片

DSP芯片選用的TMS320F2812是32位定點數(shù)字信號處理器（DSP）芯片。該芯片每秒可以執(zhí)行150 M條指令，具有強大的運算速度和數(shù)據(jù)處理能力；存儲器資源包括：片內(nèi)POM 128 k×16 b ，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器SARAM18 k×16 b、片內(nèi)FLASH程序存儲器128 k×16 b、片上Boot ROM4 k×16 b，1 k×16 b的一次可編程存儲器OTP。同時集成豐富的外設(shè)資源，主要包括ADC模塊（模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊）、EV模塊（事件管理器模塊）、SPI模塊（串行外設(shè)接口模塊）、串行SCI模塊（通信接口模塊）、CAN控制器模塊（eCAN）等。

1.2 檢測電路

在選擇檢測電路傳感器時，考慮到系統(tǒng)運行環(huán)境惡劣，采用了結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽等物質(zhì)污染或腐蝕，且抗外磁場干擾能力強的霍爾電流傳感器。霍爾電流傳感器在運用時可以根據(jù)三項電流之和等于零的原理，只采用三相中的A、B兩相即可知第三相，并將得到的信號進行調(diào)制轉(zhuǎn)換變成0～3.3 V，成為DSP的A/D口所能接受的電壓范圍，再經(jīng)反饋電路提供給DSP進行處理。

光電編碼器選用的是絕對式光電編碼器進行位置信號采集的。絕對式光電編碼器具有其機械位置決定的每一個位置信息的唯一性，它不需要存儲記憶，不需要確立參考點，而且能持續(xù)計數(shù)，什么時候需要知道位置信息，就即時去讀取采集。絕對式編碼器這種抗干擾特性，既提高了數(shù)據(jù)的可靠性，又確保了系統(tǒng)的安全和控制精度。

1.3 主電路部分

主電路由單相全控整流橋和IPM模塊組成，采用的電路是AC/DC/AC電壓源變頻變壓電路，其中智能模塊IPM是將一般功率開關(guān)器件及其驅(qū)動電路的保護電路、檢測電路、與微控制器的接口電路集成在一起進行封裝的智能模塊，其開關(guān)頻率很高，通態(tài)損耗比較低。由于采用運行高速且低功耗的管芯、快速保護電路和后門極經(jīng)過優(yōu)化的驅(qū)動電路構(gòu)成，即使在負(fù)載產(chǎn)生故障或操作使用不當(dāng)時，也能保證IPM模塊自身不受損壞。這些特性不僅使電路設(shè)計構(gòu)成簡化，而且可靠性也比單純IGBT（是一種用MOS來控制晶體管的新型電力電子器件）構(gòu)成的電路高，因此，IPM智能模塊是電子電力器件中非常理想的器件之一。同時，在電路設(shè)計中為了防止電路之間相互干擾，主電路和控制電路之間采用了光耦隔離，即IPM的PWM驅(qū)動信號電路和輸出保護電路均采用了高速光耦隔離，確保電路抗干擾性。

1.4 交流伺服系統(tǒng)

經(jīng)過比對研究選用永磁同步電機作為系統(tǒng)的執(zhí)行單元。隨著微電子技術(shù)、電機新控制理論和永磁稀土材料的發(fā)展，同步永磁電機被迅速應(yīng)用推廣。由于稀土永磁同步電機以永磁體提供勵磁，省去了易出問題的電刷和集電環(huán)，使電機結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低、損耗少、發(fā)熱量小、節(jié)電效果明顯、運行功率效率和可靠性高，且牽引力和允許過載電流大、免潤滑油、免維護。同時，永磁同步電機在輪軸上可以被整體安裝，成為一個整體的直驅(qū)系統(tǒng)，這樣單個輪軸即可成為一個獨立的驅(qū)動單元，改變了以前采用的交流傳動方式，即需要一個變速齒輪機構(gòu)將電機的轉(zhuǎn)距傳送到輪軸上的工作方式，原先的傳動齒輪箱被省去，使設(shè)備構(gòu)造簡化，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。

隨著電子電路的集成度增高，交流伺服系統(tǒng)的控制方式也迅速轉(zhuǎn)向數(shù)字控制方向，硬件伺服也逐步改為軟件伺服。在軟伺服中，控制策略起著至關(guān)重要的作用，直接決定交流伺服系統(tǒng)控制性能的優(yōu)略，并在系統(tǒng)運行中可以彌補由于硬件設(shè)計不夠優(yōu)化帶來的不足。高性能交流伺服系統(tǒng)控制策略表現(xiàn)為：不但要使系統(tǒng)具有快的動態(tài)響應(yīng)和高的動、靜態(tài)精度，而且系統(tǒng)要對參數(shù)的變化和擾動具有不敏感性。目前，永磁同步電機的控制策略分為：傳統(tǒng)型控制策略，如經(jīng)典pid控制、開環(huán)轉(zhuǎn)速恒壓頻比（u/f=常數(shù)）控制、矢量控制（磁場定向控制）等；現(xiàn)代控制策略，如自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、非線性反饋線性化理論等；智能控制策略，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。

該設(shè)計在比對已有較成功的控制策略案例后，根據(jù)自身運動平臺的運行控制特性，采用了現(xiàn)代控制策略中的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略。滑模變結(jié)構(gòu)控制策略SMVSC是一款高速切換反饋式控制策略，由于滑模面是固定的，可以預(yù)先設(shè)計滑模運動特性，因此系統(tǒng)對于外部干擾和參數(shù)變化不是太敏感，是一種具有很強魯棒性的控制方法，這既滿足了精度要求，又提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力。

2 軟件部分設(shè)計

運動控制系統(tǒng)的軟件運行主要是由上位機和DSP器件兩部分硬件保障完成的。上位機可以為系統(tǒng)提供功能調(diào)用函數(shù)庫等程序，DSP執(zhí)行運動平臺系統(tǒng)的控制包括位置控制、開關(guān)量控制和插補、速度處理等，此類任務(wù)具有很強的操作實時性，所以選擇實時操作系統(tǒng)為VxWorks的實時操作計算機為上位機，用C語言編制用于系統(tǒng)調(diào)用的庫函數(shù)。DSP開發(fā)工具采用的是AD公司提供的VisualDSP集成開發(fā)環(huán)境，用C語言和匯編語言混合編寫DSP代碼。

整個軟件系統(tǒng)具有管理和控制兩大任務(wù)功能，在實際運行中功能軟件的優(yōu)先級不同。為了使系統(tǒng)軟件設(shè)計優(yōu)化，功能結(jié)構(gòu)明晰，軟件采用層次化和模塊化設(shè)計思路，主要分為三個層次。

2.1 主控制層

負(fù)責(zé)優(yōu)先級處理、中斷安排、任務(wù)調(diào)度和時間處理等，主控層包括的主函數(shù)和中斷函數(shù)調(diào)用算法層的函數(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)的各個功能。

2.2 控制算法層

負(fù)責(zé)控制算法運算，用以實現(xiàn)運動控制、速度控制和系統(tǒng)管理等功能。按功能進行模塊劃分，各模塊之間通過標(biāo)志位來聯(lián)系，不互相調(diào)用。

2.3 接口層程序

負(fù)責(zé)與其他硬件的接口，包括DSP 硬件資源的定義、系統(tǒng)硬件的驅(qū)動等，所有與外設(shè)有關(guān)的操作都在接口層進行。程序設(shè)計時明確界定系統(tǒng)其它層的程序，禁止直接操作外設(shè)。

其中，DSP程序分為主程序部分、中斷程序部分和加減速控制程序三個組成部分。在軟件運行中，主程序就是一個主循環(huán)，在不運行中斷程序時，都在執(zhí)行主程序即主循環(huán)。具體操作流程為主程序首先進行初始化設(shè)置運動控制卡，外設(shè)復(fù)位和關(guān)閉其它輸出操作，然后進入等待中斷服務(wù)和主循環(huán)的過程。在檢測到上位機命令后，DSP從RAM中讀取命令并進行相應(yīng)命令的處理，處理完后系統(tǒng)又進入了主循環(huán)和等待中斷的運行狀態(tài)。

3 結(jié)語

該文創(chuàng)新點是嘗試將數(shù)控技術(shù)作為運動控制的核心并加以運用，經(jīng)過不斷試用調(diào)整，達到了預(yù)期研制目的，為后續(xù)設(shè)備的數(shù)字化改進積累了經(jīng)驗并奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻

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