基于DSL的電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃志軍

摘 要：摘要：為了給原有設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化改進(jìn)積累經(jīng)驗(yàn)，在消化積累的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于DSP的電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的全數(shù)字控制軟硬件設(shè)計(jì)基本思路和方法進(jìn)行了探索。特別是控制策略的優(yōu)化組合，對(duì)彌補(bǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷，提高控制精度，有了更大的促進(jìn)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái) 控制技術(shù) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jìn)控制策略的交流電機(jī)伺服系統(tǒng)的快速發(fā)展為運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了便利。該文通過(guò)對(duì)已有運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)基本功能的深入研究，在消化、分析基于DSP運(yùn)動(dòng)控制理論和案例的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)數(shù)字控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(duì)式光電編碼器為反饋，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片。該芯片每秒可以執(zhí)行150 M條指令，具有強(qiáng)大的運(yùn)算速度和數(shù)據(jù)處理能力；存儲(chǔ)器資源包括：片內(nèi)POM 128 k×16 b ，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器SARAM18 k×16 b、片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器128 k×16 b、片上Boot ROM4 k×16 b，1 k×16 b的一次可編程存儲(chǔ)器OTP。同時(shí)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(cè)電路

在選擇檢測(cè)電路傳感器時(shí)，考慮到系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境惡劣，采用了結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽等物質(zhì)污染或腐蝕，且抗外磁場(chǎng)干擾能力強(qiáng)的霍爾電流傳感器。霍爾電流傳感器在運(yùn)用時(shí)可以根據(jù)三項(xiàng)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(hào)進(jìn)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(jìn)行處理。

光電編碼器選用的是絕對(duì)式光電編碼器進(jìn)行位置信號(hào)采集的。絕對(duì)式光電編碼器具有其機(jī)械位置決定的每一個(gè)位置信息的唯一性，它不需要存儲(chǔ)記憶，不需要確立參考點(diǎn)，而且能持續(xù)計(jì)數(shù)，什么時(shí)候需要知道位置信息，就即時(shí)去讀取采集。絕對(duì)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(kāi)關(guān)器件及其驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)電路、檢測(cè)電路、與微控制器的接口電路集成在一起進(jìn)行封裝的智能模塊，其開(kāi)關(guān)頻率很高，通態(tài)損耗比較低。由于采用運(yùn)行高速且低功耗的管芯、快速保護(hù)電路和后門(mén)極經(jīng)過(guò)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(jì)構(gòu)成簡(jiǎn)化，而且可靠性也比單純IGBT（是一種用MOS來(lái)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(shí)，在電路設(shè)計(jì)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(dòng)信號(hào)電路和輸出保護(hù)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(guò)比對(duì)研究選用永磁同步電機(jī)作為系統(tǒng)的執(zhí)行單元。隨著微電子技術(shù)、電機(jī)新控制理論和永磁稀土材料的發(fā)展，同步永磁電機(jī)被迅速應(yīng)用推廣。由于稀土永磁同步電機(jī)以永磁體提供勵(lì)磁，省去了易出問(wèn)題的電刷和集電環(huán)，使電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低、損耗少、發(fā)熱量小、節(jié)電效果明顯、運(yùn)行功率效率和可靠性高，且牽引力和允許過(guò)載電流大、免潤(rùn)滑油、免維護(hù)。同時(shí)，永磁同步電機(jī)在輪軸上可以被整體安裝，成為一個(gè)整體的直驅(qū)系統(tǒng)，這樣單個(gè)輪軸即可成為一個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)單元，改變了以前采用的交流傳動(dòng)方式，即需要一個(gè)變速齒輪機(jī)構(gòu)將電機(jī)的轉(zhuǎn)距傳送到輪軸上的工作方式，原先的傳動(dòng)齒輪箱被省去，使設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)化，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)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(yùn)行中可以彌補(bǔ)由于硬件設(shè)計(jì)不夠優(yōu)化帶來(lái)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(dòng)態(tài)響應(yīng)和高的動(dòng)、靜態(tài)精度，而且系統(tǒng)要對(duì)參數(shù)的變化和擾動(dòng)具有不敏感性。目前，永磁同步電機(jī)的控制策略分為：傳統(tǒng)型控制策略，如經(jīng)典pid控制、開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速恒壓頻比（u/f=常數(shù)）控制、矢量控制（磁場(chǎng)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(xiàn)性反饋線(xiàn)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(jì)在比對(duì)已有較成功的控制策略案例后，根據(jù)自身運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)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(jì)滑模運(yùn)動(dòng)特性，因此系統(tǒng)對(duì)于外部干擾和參數(shù)變化不是太敏感，是一種具有很強(qiáng)魯棒性的控制方法，這既滿(mǎn)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(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件運(yùn)行主要是由上位機(jī)和DSP器件兩部分硬件保障完成的。上位機(jī)可以為系統(tǒng)提供功能調(diào)用函數(shù)庫(kù)等程序，DSP執(zhí)行運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)的控制包括位置控制、開(kāi)關(guān)量控制和插補(bǔ)、速度處理等，此類(lèi)任務(wù)具有很強(qiáng)的操作實(shí)時(shí)性，所以選擇實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為VxWorks的實(shí)時(shí)操作計(jì)算機(jī)為上位機(jī)，用C語(yǔ)言編制用于系統(tǒng)調(diào)用的庫(kù)函數(shù)。DSP開(kāi)發(fā)工具采用的是AD公司提供的VisualDSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫(xiě)DSP代碼。

整個(gè)軟件系統(tǒng)具有管理和控制兩大任務(wù)功能，在實(shí)際運(yùn)行中功能軟件的優(yōu)先級(jí)不同。為了使系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(jì)思路，主要分為三個(gè)層次。

2.1 主控制層

負(fù)責(zé)優(yōu)先級(jí)處理、中斷安排、任務(wù)調(diào)度和時(shí)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(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各個(gè)功能。

2.2 控制算法層

負(fù)責(zé)控制算法運(yùn)算，用以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、速度控制和系統(tǒng)管理等功能。按功能進(jìn)行模塊劃分，各模塊之間通過(guò)標(biāo)志位來(lái)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(dòng)等，所有與外設(shè)有關(guān)的操作都在接口層進(jìn)行。程序設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)組成部分。在軟件運(yùn)行中，主程序就是一個(gè)主循環(huán)，在不運(yùn)行中斷程序時(shí)，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(jìn)行初始化設(shè)置運(yùn)動(dòng)控制卡，外設(shè)復(fù)位和關(guān)閉其它輸出操作，然后進(jìn)入等待中斷服務(wù)和主循環(huán)的過(guò)程。在檢測(cè)到上位機(jī)命令后，DSP從RAM中讀取命令并進(jìn)行相應(yīng)命令的處理，處理完后系統(tǒng)又進(jìn)入了主循環(huán)和等待中斷的運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

該文創(chuàng)新點(diǎn)是嘗試將數(shù)控技術(shù)作為運(yùn)動(dòng)控制的核心并加以運(yùn)用，經(jīng)過(guò)不斷試用調(diào)整，達(dá)到了預(yù)期研制目的，為后續(xù)設(shè)備的數(shù)字化改進(jìn)積累了經(jīng)驗(yàn)并奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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