基于TMS320F2812的叉車多軸伺服控制器設(shè)計

于 昌,任 彧

(杭州電子科技大學軟件與智能技術(shù)研究所,浙江杭州310018)

0 引 言

伺服控制系統(tǒng)廣泛應用在數(shù)控機床、辦公自動化設(shè)備和工業(yè)控制等領(lǐng)域,隨著微電子、計算機和電機制造技術(shù)的巨大進步,使得伺服控制系統(tǒng)在自動控制方面起著越來越重要的角色。國內(nèi)大部分叉車制造商采用的伺服控制器是從國外進口的,這就大大增加了制造成本。本次設(shè)計在研究國外先進伺服控制的基礎(chǔ)上,利用國內(nèi)在這方面研究的平臺[1],采用TI在工控領(lǐng)域廣泛應用的DSPTMS320F2812做為主控制器,設(shè)計出一款適合叉車正常運作的伺服控制器,縮小國內(nèi)在此領(lǐng)域與國外的差距。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個叉車多軸伺服控制系統(tǒng)是由主控制電路、驅(qū)動板和功率板等構(gòu)成。其中主控制電路是由主處理器TMS320F2812、信號采集保護模塊和比較模塊等組成。主處理器,用于完成永磁同步電機的速度PID,電流PID以及位置等閉環(huán)控制算法[2],產(chǎn)生空間矢量PWM,來控制功率開關(guān)管的工作狀態(tài)。驅(qū)動板中的開關(guān)電源不但為主控制制電路提供電源,而且產(chǎn)生多組非對稱的正負直流電源,來為光耦TLP350供電。功率版主要用功率開關(guān)管搭建,主要目的是放大電流,提高功率,以帶動大功率的同步電機。此伺服控制器的硬件系統(tǒng)圖如圖1所示:

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 多軸伺服控制器控制電路

本系統(tǒng)對電流環(huán)、位置環(huán)和速度環(huán)等實現(xiàn)了閉環(huán)控制,并采用了高速的DSP為控制器,提高了信號處理速度。位置檢測采用光電編碼器,逆變電路部分采用了IR公司快速MOSFET功率管,由于叉車的同步電機需要很大的電流才能帶載工作,故采用了上橋和下橋并聯(lián)多個MOSFET來實現(xiàn),把整個逆變橋電路做成一個單獨的PCB板,使系統(tǒng)的大電流主要在此板上通過,防止了大電流對主控板和驅(qū)動板的干擾及損害。

為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,高效性及減少噪音的影響,器件的選型十分的重要,主控制器選擇的重要性毋庸置疑,而周邊輔助器件及實施器件的選擇就成了一個伺服控制系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵了。本設(shè)計采用快速開關(guān)功率器件,此器件開關(guān)快,損耗小,提高了系統(tǒng)的實時性?？紤]到大功率器件的發(fā)熱問題,對功率板單獨制板,并且安裝了大散熱片,保證了系統(tǒng)有足夠的電流裕量。通過對功率管有規(guī)律的控制其開關(guān)實現(xiàn)對輸出電壓和頻率的控制,實現(xiàn)對永磁伺服電機的矢量控制。

1.2 功率驅(qū)動模塊

主控制器TMS320F2812輸出6路兩兩互補的PWM控制信號,控制開關(guān)功率管,而DSP的I/O引腳的驅(qū)動能力有限,只有2mA左右,無法正常控制功率管的開關(guān)。該設(shè)計采用了光耦TLP350,TLP350是東芝的一款光耦,用于隔離驅(qū)動功率開關(guān)管,它的主要參數(shù)為:

輸入電流為2.0mA;

輸出電流為2-2.5A;

輸入電壓為15-30V。

由此可見它的驅(qū)動能力,DSP的I/O輸出電流正好符合TLP350的輸入電流要求。本電路設(shè)計中,在輸出端又增加了推拉式輸出驅(qū)動,再次加大了驅(qū)動能力,如圖2所示。再一點就是采用了正負電源加在推拉式輸出的兩端,這一設(shè)計,在加大驅(qū)動的同時,也為了使功率開關(guān)管能夠可靠的截止而設(shè)計的,減少了系統(tǒng)的額外功耗。TLP350輸出可以為負的,這一點是其他光耦,像安捷倫的等是與之無法比擬的,看來在選原件時,器件的選型也是十分重要的。采用光耦同時也減少了主控制電路與驅(qū)動電路之間的互相干擾,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 驅(qū)動板電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 伺服控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

系統(tǒng)在調(diào)試過程中可以通過JTAG與上位機連接,通過串口調(diào)試工具控制電機的啟動、停止和加減速等基本控制,并將運行信息實時傳送到上位機。系統(tǒng)上電復位后,首先系統(tǒng)初始化,因為此控制器的六路光耦的電源是由一開關(guān)電源獨立供電的,為保證逆變電路的正常工作,在接通功率板的母線電源之前,系統(tǒng)要檢測開關(guān)電源的次級電壓是否正常,保證各路電壓在穩(wěn)定范圍內(nèi)的情況下,接通功率板的電源,為逆變電路供電。在調(diào)節(jié)控制時,由上位機對下位機發(fā)送指令,調(diào)節(jié)電機速度達到指定速度,并實時反饋電機調(diào)節(jié)情況到上位機。

2.2 系統(tǒng)初始化

電機驅(qū)動及速度控制初始化是初始化的核心部分,主要完成對事件管理器,QEP及PID等的初始化。對事件管理器模塊的初始化是電機驅(qū)動的核心部分,包括定時器中斷的設(shè)定和PWM初始化。為了避免上下逆變橋的同時導通而燒毀器件,需產(chǎn)生帶死區(qū)的PWM,TMS320F2812帶有可編程的死區(qū)單元來設(shè)置死區(qū)。本平臺中采用的交流伺服電機,自帶光電碼盤反饋電機轉(zhuǎn)子的位置和速度,光電編碼器可以用來測量旋轉(zhuǎn)設(shè)備的位置。當編碼器隨旋轉(zhuǎn)機械旋轉(zhuǎn)時,在光電接收器上分別產(chǎn)生A相和B相脈沖。根據(jù)A相和B相的這兩個脈沖的位置和時間信息,便可確定旋轉(zhuǎn)機械的速度、加速度和轉(zhuǎn)向。A相和B相的信號由DSP的CAP/QEP引腳捕獲輸入,QEP電路檢測脈沖序列的相位領(lǐng)先,來判斷轉(zhuǎn)向。兩個正交編碼輸入脈沖的兩個沿均被QEP電路計數(shù),因此送到GP2定時器的計數(shù)是每個輸入序列的四倍。采用500刻度的編碼盤,因此每轉(zhuǎn)一圈可以產(chǎn)生2 000個脈沖。本平臺采用了PID算法來控制電機[3],對PID的初始化主要是初始化PID的Kp,Ki,Kd等參數(shù)。參數(shù)的選擇直接影響電機的速度調(diào)節(jié)效果,因為需要對電流、位置和速度控制[4],所以采用了三環(huán)控制,各需要一個PID進行調(diào)節(jié)。

2.3 中斷服務程序

本伺服系統(tǒng)采用了矢量控制的方法來控制電機。矢量控制實際上是對電動機定子電流相位和幅值控制,當磁體的激磁磁鏈和直、交軸電感確定后,電動機的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流的空間矢量Is,而Is的大小和相位又取決于Id和Iq,也就是說控制Id和Iq便可以控制電動機的轉(zhuǎn)矩,其中最主要的包括了Park變換、Clark變換及它們的逆變換。而中斷服務程序主要就是實現(xiàn)了矢量控制和PID的調(diào)節(jié)[5]。中斷服務程序流程圖如圖3所示:

圖3 中斷服務程序流程圖

3 結(jié)束語

本雙軸伺服控制器,實現(xiàn)了同時控制牽引電機和提升電機的功能,并且具有比使用兩個控制器更高的性能和速度。整個伺服控制器由主控板、驅(qū)動板和功率板構(gòu)成,并分別制板,將主電子電路與功率開關(guān)電路分開,減少了互相的干擾。采用PID算法對速度、位置、電流等控制參數(shù)做了相應的優(yōu)化處理,提高了系統(tǒng)的運算精度和整體性能。

[1] 江思敏.TMS320C2000系列DSP開發(fā)應用技巧[M].北京:中國電力出版社,2008:184-211.

[2] 陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002:39-67.

[3] 張恒光,黃吉勝.基于模糊PID控制汽車巡航平臺的研究[J].哈爾濱理工大學學報,2007,6(1):31-34.

[4] 齊志鵬,許洪軍.汽車巡航控制平臺中雙閉環(huán)反饋的應用[J].汽車電器,2001,4(1):1-2.

[5] 曹彬.數(shù)字式PID控制算法在直流無刷電機中的應用[J].江蘇電器,2007,5(2):16-18.