采用DSP的多電機(jī)同步控制系統(tǒng)

朱偉興， 張 建

(江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

交流永磁同步電機(jī)以其高轉(zhuǎn)矩/慣性比、高功率等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)用設(shè)備和火炮等軍工領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。在實(shí)際的工業(yè)控制領(lǐng)域中，一條生產(chǎn)流水線通常由多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能否實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的協(xié)調(diào)工作，直接關(guān)系到生產(chǎn)的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量，如何實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的速度與位置同步控制已成為研究熱點(diǎn)。目前，在交流伺服控制系統(tǒng)中，開(kāi)始采用各種新型、高性能的器件如數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、智能功率控制模塊等實(shí)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(tái)DSP作為主控制器，外圍擴(kuò)展則使用FPGA或者CPLD，這種方法開(kāi)發(fā)難度大，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，對(duì)開(kāi)發(fā)人員要求過(guò)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(hù)。另一種方法則是使用多臺(tái)DSP對(duì)電機(jī)實(shí)行同步控制，該方式對(duì)DSP的實(shí)時(shí)性要求過(guò)高，且DSP相互之間可能產(chǎn)生的干擾過(guò)大，硬件電路復(fù)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(duì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，且開(kāi)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(yīng)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(kāi)發(fā)難度大，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，硬件電路復(fù)雜，干擾過(guò)大的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)采用了一塊TI公司推出的TMS320F2812 DSP加外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)4臺(tái)交流伺服電機(jī)的位置與速度的同步控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

DSP中EVA模塊的定時(shí)器1的比較輸出引腳產(chǎn)生PWM波T1PWM來(lái)控制1號(hào)電機(jī)(主電機(jī))的轉(zhuǎn)動(dòng)，EVA模塊的定時(shí)器2的比較輸出引腳產(chǎn)生PWM波T2PWM來(lái)控制2號(hào)電機(jī)(從電機(jī))的轉(zhuǎn)動(dòng)，EVB模塊的定時(shí)器3的比較輸出引腳產(chǎn)生PWM波T3PWM來(lái)控制3號(hào)電機(jī)(從電機(jī))的轉(zhuǎn)動(dòng)，EVB模塊的定時(shí)器4的比較輸出引腳產(chǎn)生PWM波T4PWM來(lái)控制4號(hào)電機(jī)(從電機(jī))的轉(zhuǎn)動(dòng)。

系統(tǒng)的反饋信號(hào)即交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子上的光電編碼器輸出信號(hào)，分別接入相應(yīng)的解碼器HCTL_2021中，4路HCTL_2021解碼器的輸出信號(hào)并聯(lián)后接入DSP的GPIO口。DSP通過(guò)自帶的運(yùn)算單元計(jì)算出實(shí)時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置信息。以1號(hào)電機(jī)為主電機(jī)，其余3臺(tái)從電機(jī)跟隨主電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(shí)鐘晶振電路和時(shí)鐘復(fù)位電路等。這里需要注意的是，如果外界環(huán)境過(guò)于復(fù)雜、干擾過(guò)大，為了保證DSP系統(tǒng)有穩(wěn)定的時(shí)鐘供應(yīng)，最好采用有源時(shí)鐘。

2．2 抗干擾電路

由于工廠環(huán)境的復(fù)雜性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力成為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)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(jī)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(jī)反饋信號(hào)輸入端分別進(jìn)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(huì)隨PWM波的輸出傳遞給電機(jī)，電機(jī)產(chǎn)生的干擾也不會(huì)隨著電機(jī)的輸入傳遞給系統(tǒng)，達(dá)到了對(duì)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(hào)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(hào)直接供給DSP，將會(huì)導(dǎo)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(hào)電平問(wèn)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(bǔ)了外部電平過(guò)高，DSP難以承受的問(wèn)題。電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245A的連線圖見(jiàn)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(dāng)其為低電平時(shí)，解碼器處于工作狀態(tài)。RST引腳為解碼器清零端，當(dāng)其為低電平時(shí)解碼器計(jì)數(shù)值清零。電機(jī)反饋的QEP編碼信號(hào)通過(guò)CHA、CHB輸入給解碼器CHTL_2021，解碼器在輸入時(shí)鐘驅(qū)使下每捕獲到一個(gè)正電平跳變，計(jì)數(shù)值就加1。當(dāng)控制器來(lái)讀取數(shù)值時(shí)就通過(guò)數(shù)據(jù)總線 D0—D7輸出，輸出高低位選擇端SEL為0時(shí)，解碼器輸出高8位;輸出高低位選擇端SEL為1時(shí)，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(guò)軟件設(shè)置分時(shí)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(shí)現(xiàn)

圖5 HCTL_2021解碼器

由于同步控制涉及多個(gè)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(hào)伺服電機(jī)為主電機(jī)，2、3、4號(hào)伺服電機(jī)處于伺服控制中，它們各自的速度和位置由1號(hào)伺服電機(jī)的速度和位置所決定，也就是說(shuō)，1號(hào)伺服電機(jī)軸起支配軸的作用，而2、3、4號(hào)伺服電機(jī)軸處于被支配地位，它們時(shí)刻跟蹤1號(hào)伺服電機(jī)軸的速度和位置信號(hào)。在同步控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，2、3、4號(hào)伺服電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)變化必須跟隨1號(hào)伺服電機(jī)軸的速度和位置信號(hào)的變化，以此保證多伺服電機(jī)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(shí)器產(chǎn)生頻率可控的PWM波來(lái)控制伺服電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器再根據(jù)位置控制命令對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行伺服控制，PWM波的頻率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，PWM波的個(gè)數(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的位置。設(shè)多伺服電機(jī)軸編碼器輸出脈沖數(shù)偏差值為e(k)，在k時(shí)刻電機(jī)的實(shí)際反饋轉(zhuǎn)速分別為u1(k)、u2(k)、u3(k)、u4(k)。各伺服電機(jī)軸同步速度偏差值:

根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求可設(shè)定多伺服電機(jī)軸編碼器脈沖輸出數(shù)允許偏差值的最大變化范圍Δmax，當(dāng)e(k)≤eM時(shí)，系統(tǒng)不需要進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，當(dāng)e(k)＞eM時(shí)，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。本系統(tǒng)PID控制器由TMS320F2812通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，以TMS320F2812芯片中的CPU0定時(shí)器產(chǎn)生20 ms的定時(shí)中斷，在中斷程序中，計(jì)算這20 ms中各伺服電機(jī)的編碼器輸出脈沖數(shù)，然后將采集的各伺服電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)與1號(hào)伺服電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)進(jìn)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(duì)偏差做出瞬間快速反應(yīng)和補(bǔ)償。控制算法軟件流程，當(dāng)e(k)＞eM時(shí)，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(qiáng)、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(jié)果作為其輸出。在調(diào)節(jié)過(guò)程中，只要有偏差e(k)＞eM，積分器的輸出就會(huì)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(hào)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(hào)伺服電機(jī)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(shí)刻1號(hào)伺服電機(jī)及i號(hào)電機(jī)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(shí)間常數(shù);

∑d——微分時(shí)間常數(shù)。

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

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

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

4．1 同步起動(dòng)程序設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)4臺(tái)電機(jī)在任意時(shí)刻的位置都是相同的，同步起動(dòng)4臺(tái)電機(jī)成為了必然。電機(jī)每次轉(zhuǎn)到其固有零點(diǎn)時(shí)就會(huì)發(fā)出一條高電平信號(hào)Z，這就為實(shí)現(xiàn)4電機(jī)同步起動(dòng)提供了可能。將4臺(tái)電機(jī)的Z信號(hào)輸出端分別接到DSP的4個(gè)捕獲引腳，當(dāng)DSP的任意一個(gè)捕獲引腳捕捉到高電平跳變時(shí)，就立即停止該路的PWM波輸出，伺服電機(jī)就會(huì)立即停止在該電機(jī)的固有零點(diǎn)處。當(dāng)4臺(tái)電機(jī)都停在各自的固有零點(diǎn)處時(shí)，延遲一定時(shí)間后，再同時(shí)起動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)的同步起動(dòng)。同步起動(dòng)程序的流程圖如圖6所示。

4．2 采用了PID算法的自動(dòng)糾正誤差程序

圖6 同步起動(dòng)程序

電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中每轉(zhuǎn)一圈將輸出2 500個(gè)QEP編碼脈沖，將每一路編碼脈沖經(jīng)過(guò)光耦隔離后送入到HCTL_2020的信號(hào)輸入端CHA、CHB進(jìn)行解碼計(jì)數(shù)。HCTL_2020有 D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7 八個(gè)輸出端，一個(gè)復(fù)位端 RST，一個(gè)使能端OE，一個(gè)高低位選擇端SEL。本系統(tǒng)在軟件上采用中斷方式分時(shí)讀取GPIO上4塊計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)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(shí)器0，使其每隔150 μs產(chǎn)生一次周期中斷TINT0，程序進(jìn)入中斷讀取4塊計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果。首先置計(jì)數(shù)器1的低電平有效使能端OE1=0(在此過(guò)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(jìn)制，保存到變量date1中。可以用類(lèi)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(shí)間，所以在改變控制信號(hào)的電平后需要延遲一定時(shí)間，等其真正穩(wěn)定。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速=60×電子齒輪比×輸入脈沖頻率/每個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，讀取電機(jī)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(tái)電機(jī)為主電機(jī)，其余3臺(tái)電機(jī)為從電機(jī)，分別算出3臺(tái)從電機(jī)與主電機(jī)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(jìn)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(dòng)糾正誤差程序

5 系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)硬件和軟件調(diào)試完成后，選擇韓國(guó)MECPAPION公司的交流伺服電機(jī)，依照廠方產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求確定了4臺(tái)伺服電機(jī)的型號(hào)分別為APM-SE12MDK、APM-SE09MDK、APM-SE09MDK、APM-SE06MDK，并在負(fù)載條件下進(jìn)行了不同轉(zhuǎn)速的同步運(yùn)行試驗(yàn)。根據(jù)系統(tǒng)的精度要求，運(yùn)行參數(shù)的設(shè)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(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、安全，運(yùn)行狀態(tài)良好，完全可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。

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