基于雙DSP的多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 健，盧 剛，李聲晉，張玉峰，周 勇

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

多電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制在工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，如升降臺(tái)、印刷、印染、軋鋼等行業(yè)，都涉及到多個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，這些設(shè)備中的多個(gè)電機(jī)能否按照嚴(yán)格的運(yùn)動(dòng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)電機(jī)間的協(xié)調(diào)有序運(yùn)作，直接關(guān)系到產(chǎn)品的品質(zhì)。在國(guó)防中，如導(dǎo)彈的裝載，多個(gè)電機(jī)同步性能的優(yōu)劣，更是時(shí)刻關(guān)系到人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全。因此，深入研究多電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，提高其運(yùn)動(dòng)的同步精度，具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。本文以兩個(gè)DSP為控制核心，通過各自獨(dú)立地發(fā)送指令控制相應(yīng)電機(jī)間以及DSP間的實(shí)時(shí)通訊，完成對(duì)多個(gè)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)多個(gè)電機(jī)在平衡及不平衡負(fù)載下的同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

工程項(xiàng)目以兩個(gè)TMS320F28335為主控芯片進(jìn)行了多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)及各模塊間的相互作用如圖1所示，系統(tǒng)控制板的實(shí)物圖及各個(gè)子模塊的分布如圖2所示。2個(gè)DSP控制系統(tǒng)中的3個(gè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，芯片間進(jìn)行實(shí)時(shí)的通訊，其中一個(gè)DSP通過控制電機(jī)1、2對(duì)物體的位置進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的升降、調(diào)平;另一個(gè)DSP單獨(dú)控制電機(jī)3，即當(dāng)要提升的物體到位后，實(shí)施鎖閉功能，保持提升物體的相對(duì)位置及姿態(tài)。通過兩個(gè)DSP對(duì)3個(gè)電機(jī)的控制，可實(shí)現(xiàn)物體的高精度姿態(tài)調(diào)整。經(jīng)過理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)滿足實(shí)際工程需要。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制板

控制板主要包括電機(jī)1、2、3的DSP控制芯片及其外圍電路:DSP最小系統(tǒng)、AD采樣電路、串口通信電路、數(shù)字量輸入/輸出電路等，如圖2所示。因?yàn)殡姍C(jī)1、2有協(xié)調(diào)控制的要求，故采用一個(gè)DSP來控制電機(jī)1、2，另外一個(gè)DSP控制電機(jī)3，其中，控制電機(jī)1、2的DSP要求內(nèi)含至少兩個(gè)電機(jī)控制模塊，且具有較高的工作頻率，以完成兩臺(tái)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制計(jì)算，TMS320F28335完全滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)中使用TVS器件吸收各路電源中的電壓尖峰，所有的數(shù)字量輸出都使用緩沖器增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，為增強(qiáng)霍爾信號(hào)的抗干擾能力及提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度，電機(jī)1、2采用差分線性驅(qū)動(dòng)編碼器，差分輸入信號(hào)使用終端匹配電阻、預(yù)置電平增強(qiáng)及鉗位處理。圖3為差分電路。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有掉電記憶功能:即系統(tǒng)只要上電、電機(jī)只要運(yùn)轉(zhuǎn)，即將系統(tǒng)的上電時(shí)間、3個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、位置信息等實(shí)時(shí)地記錄在EEPROM中，以保證掉電后再次上電，整個(gè)系統(tǒng)可繼續(xù)完成上次未完成的操作，保證系統(tǒng)每個(gè)行程的完整性而不影響控制精度。EEPROM芯片選擇AT24C256，最大時(shí)鐘頻率400 kHz，容量256 kb，儲(chǔ)存時(shí)限40年，允許扇出數(shù)量4。圖4為EEPROM的原理圖和實(shí)驗(yàn)保存波形。其中，實(shí)驗(yàn)波形中均勻變化的矩形波對(duì)應(yīng)原理圖中的時(shí)鐘信號(hào)SCL_A，另外的一條波形曲線為寫操作時(shí)的SDA_A串行數(shù)據(jù)信號(hào)，第1位:SCL_A為高時(shí)，SDA_A由高變低，代表開始條件;后續(xù)7位為器件的地址位，前5位固定，后2位為A1、A0兩腳電平;第9位為低，說明為寫操作;第10位為ACK信號(hào);后續(xù)8位為數(shù)據(jù)地址的高8位，緊接1位為ACK信號(hào);后續(xù)8位為數(shù)據(jù)地址的低8位;后面一位時(shí)鐘為高時(shí)，SCL_A由低變高，結(jié)束本次操作。

2.2 驅(qū)動(dòng)板

驅(qū)動(dòng)板主要完成3個(gè)電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)、電機(jī)制動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)控制及功率泄放等。綜合考慮系統(tǒng)的供電要求、電機(jī)的最大輸入功率及驅(qū)動(dòng)板的空間尺寸等，驅(qū)動(dòng)板的總體方案設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.2.1 電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)采用成熟的MOSFET三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖6為三相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的一個(gè)橋臂。圖中所用的MOSFET管耐壓值為100 V，保證在28 V電源供電時(shí)有足夠的裕量，同時(shí)對(duì)于電磁兼容的80 V浪涌電壓具有本質(zhì)的耐受能力，導(dǎo)通電阻(最大)RDS(ON)MAX=4.5 mΩ，可有效降低驅(qū)動(dòng)單元的發(fā)熱源功率;V4為MOSFET功率開關(guān)管的門極15 V過壓保護(hù)TVS穩(wěn)壓二極管;R1為防靜電電阻;在每個(gè)MOSFET管的源、漏極之間設(shè)計(jì)了RC尖峰電壓吸收電路;每個(gè)橋臂中的3個(gè)并聯(lián)MOSFET使用獨(dú)立的門極電阻，以提高并聯(lián)效果。

圖6 典型驅(qū)動(dòng)單元原理圖

2.2.2 功率泄放電路

功率泄放回路的主要作用是當(dāng)運(yùn)作中的電機(jī)做出突剎車動(dòng)作或重載行進(jìn)順載下放時(shí)，吸收系統(tǒng)能量或削平系統(tǒng)過大的電壓尖峰，避免系統(tǒng)的殘余能量或負(fù)載下放時(shí)的過大電壓尖峰對(duì)系統(tǒng)硬件造成損壞。功率泄放電路的功率開關(guān)選擇與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相同型號(hào)的MOSFET，在100℃時(shí)的連續(xù)通態(tài)電流ID=120 A，最大泄放功率從功率開關(guān)的角度可以達(dá)到60 A，可保證足夠的裕量。圖7中R8、C2構(gòu)成電壓尖峰的RC吸收電路。該泄放回路屬于硬(件)泄放，即通過調(diào)節(jié)R18和R24的阻值，可設(shè)計(jì)調(diào)整母線上不同的泄壓值(短時(shí)工作，系統(tǒng)中調(diào)整的泄壓值為39.5 V)。R5、R2、R3 為功率泄放電阻，并聯(lián)后安裝在散熱器上，提高可靠性。驅(qū)動(dòng)板上設(shè)計(jì)有外接泄放電阻的接線孔，若泄放電阻功率不足，可以外接泄放電阻。圖8為重物順載下放時(shí)的電壓沖擊(硬件電路中設(shè)計(jì)的泄放電壓閾值為39.5 V)，圖9為圖8的局部放大圖。

圖9 局部放大圖

從圖9可以看出，當(dāng)重物下放速度過快時(shí)，系統(tǒng)中的電機(jī)成為發(fā)電機(jī)且輸出電壓超過預(yù)設(shè)的泄放電壓閾值，泄放回路開啟，消耗掉不必要的能量，將電壓維持在閾值以下。

3 建模與仿真

3.1 MATLAB

為驗(yàn)證系統(tǒng)的負(fù)載能力，搭建系統(tǒng)的負(fù)載、電流模型，如圖10所示。圖中SPWM_ABC_kekong為SPWM的控制信號(hào)模塊，Power為電源供電模塊，Inverter bridge 1是逆變橋模塊，BLDCM為電機(jī)本體，TL為負(fù)載。圖11(a)左邊為系統(tǒng)開環(huán)時(shí)的仿真結(jié)果，圖11(b)是與之對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)開環(huán)條件下單電機(jī)加150 kg負(fù)載時(shí)的實(shí)測(cè)電流。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，兩者基本吻合，因?yàn)橄到y(tǒng)是開環(huán)狀態(tài)，故實(shí)測(cè)電流會(huì)有毛刺，存在波動(dòng)現(xiàn)象。

3.2 熱分析

好的電子產(chǎn)品必須要解決好散熱與電磁兼容兩大問題。

設(shè)計(jì)階段使用ANSYS軟件進(jìn)行了系統(tǒng)的熱分析。按發(fā)熱最大情況分析，母線電壓28 V，電機(jī)1、2均堵轉(zhuǎn)，母線電流達(dá)到32 A，系統(tǒng)發(fā)熱功率按系統(tǒng)消耗功率的10%考慮，約為180 W。散熱片外形尺寸為270 mm×200 mm×100 mm，基板厚度為4 mm，散熱翅片厚度為1 mm，高度為15 mm，建立三維仿真模型，如圖12(a)，用模型中的cabinet命令建立求解域，然后根據(jù)散熱片的外形尺寸用Block命令拼接成散熱片，根據(jù)模型中的source/Opening等命令建立控制器的熱源及氣流進(jìn)出口條件，散熱翅片數(shù)量為60個(gè)，翅片間距為2 mm，得到如下模型。在建立模型的同時(shí)，在相應(yīng)的參數(shù)面板中加載初始條件和邊界條件，首先修改Problem setup/Basic parameters中的參數(shù)設(shè)置，主要參數(shù)設(shè)置如下:氣流:穩(wěn)態(tài)、紊流;流體:空氣(默認(rèn));固體材料:鋁;表面處理:拋光;加入輻射、重力影響;環(huán)境溫度:+20℃;MOSFET發(fā)熱功率:180 W。運(yùn)行仿真，得到溫度云圖，如圖12(b)所示。

從仿真結(jié)果可看出，MOSFET的最高溫度約為88℃，低于所選產(chǎn)品型號(hào)的125℃耐溫值，符合設(shè)計(jì)要求。實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)MOSFET的最高溫度不到65℃，因?yàn)榉抡鏁r(shí)是按照最壞的情況設(shè)計(jì)的，故仿真值偏高，而產(chǎn)品正常使用時(shí)幾乎不會(huì)出現(xiàn)這種情況。

4 軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)控制系統(tǒng)上電后，兩個(gè)DSP的控制軟件程序依次執(zhí)行初始化、加電自檢測(cè)后，無(wú)限循環(huán)執(zhí)行復(fù)位看門狗、SCI通訊調(diào)度、操作器信號(hào)輸入輸出管理、AD數(shù)據(jù)讀取與濾波、運(yùn)行自檢測(cè)等軟件流程，主流程圖與上電自檢測(cè)流程圖如圖13所示。

圖13 主流程圖與上電自檢測(cè)流程圖

電機(jī)1、2要求在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)位置誤差不超過1 r/min，且容易受負(fù)載影響，控制難度較大，為保證系統(tǒng)的運(yùn)行控制精度，采用PID控制規(guī)律進(jìn)行速度環(huán)和位置環(huán)的閉環(huán)控制。普通PID控制規(guī)律在實(shí)際應(yīng)用中存在一些問題，如積分作用過大時(shí)容易引起系統(tǒng)振蕩;微分對(duì)系統(tǒng)噪聲具有放大作用，而且當(dāng)輸入階躍函數(shù)時(shí)，微分輸出急劇增大，也容易引起系統(tǒng)振蕩。因此必須對(duì)現(xiàn)有的PID算法進(jìn)行改進(jìn)，針對(duì)以上兩個(gè)問題，將數(shù)字PID算法改進(jìn)如下:

4.1 積分分離PID控制

積分環(huán)節(jié)的作用主要是消除靜差、提高控制精度。但在系統(tǒng)啟動(dòng)、停止或大幅度增減輸入量時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的輸出會(huì)有較大的偏差，會(huì)造成積分項(xiàng)的過大積累，導(dǎo)致控制輸出量長(zhǎng)時(shí)間處于最大或較大值，往往會(huì)產(chǎn)生較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)振蕩。引入積分分離PID算法既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使系統(tǒng)的控制性能得到改善，具體實(shí)現(xiàn)方法如下:

(1)根據(jù)系統(tǒng)的工況要求，設(shè)定閾值ε;

(2)當(dāng)|e(k)|＞ε時(shí)，采用PD控制，可避免超調(diào)過大，使系統(tǒng)有較快的響應(yīng);

(3)當(dāng)|e(k)|≤ε時(shí)，用PID控制，保證系統(tǒng)的控制精度。

4.2 不完全微分PID控制

微分環(huán)節(jié)的引入是為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小過度過程時(shí)間，降低超調(diào)量，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，但對(duì)于干擾特別敏感，微分項(xiàng)uD(k)=KD［e(k)-e(k-1)］，比如當(dāng)e(k)為階躍函數(shù)時(shí)，微分項(xiàng)的輸出uD(0)=KD，uD(1)=uD(2)=…=0。由此可以看出:微分項(xiàng)的輸出僅在第一個(gè)周期起激勵(lì)作用，對(duì)于PMSM這種時(shí)間常數(shù)較大的系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)作用很小;uD(k)瞬間變化過大，對(duì)功率模塊和電源造成不利影響。

圖14 電機(jī)的位置——速度曲線

圖14是通過上位機(jī)得到的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的位置——速度曲線，其中，指令值為電機(jī)的目標(biāo)指令(位置)，反饋值為電機(jī)的速度反饋，誤差值為電機(jī)1、2的位置差的最大值?？梢钥闯觯ㄟ^PID的閉環(huán)控制，可以滿足系統(tǒng)對(duì)電機(jī)1、2的位置誤差要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)具體的工程項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了基于雙DSP的多電機(jī)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通過理論仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的綜合分析，可看出系統(tǒng)可滿足多電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，滿足工程需求。

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