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通用交流伺服控制模塊的設計

時間:2008-03-11 12:00:00來源:hanjuan

導語:?設計的交流伺服控制系統具有抗干擾能力強、可靠性高、性能/價格比高、模塊化的特點,適用于多種控制對象
摘要:根據開放式數控系統對高精度交流伺服控制的要求,設計了兩路并行通用數字交流伺服控制模塊.每路控制模塊均以單片高性能數字信號處理器(DSP)芯片為楮心,構成奉模塊的控制系統;以單片大規模在系統可編程器件(ISP)構成本模塊酌數字lAD電路.采用此模塊控制兩路相同或不同的對象,只需由軟件包中調用相應的交流伺服控制軟件廈相應的構成數字I/O電路的ISP下載軟件.設計的交流伺服控制系統具有抗干擾能力強、可靠性高、性能/價格比高、模塊化的特點,適用于多種控制對象. 關鍵字:開放式系統;伺服控制;在系統可編程技術;數字I/0電路 通用PC機技術的高速發展,大大促進了開放式數控系統的研究與開發,使得設計、研究人員可以根據不同類型的數控機床分析其控制方式,以功能模塊方式研制不同功能的硬件通用模塊及相應的軟件通用模塊,并由這些硬、軟件通用模塊的裁剪組合,組成開放式數控系統.隨著高性能數字信號處理器(DSP)芯片性能/價格比的大幅度提高,由DSP為核心的通用數字交流伺服控制模塊在開放式數控系統中的應用也越來越廣泛.因DSP具有高速數據處理能力、修正的啥佛結構和強大的指令系統 1,所以非常適合于執行現代控制算法及各種智能控制算法,為先進控制理論的在線實時應用提供了基礎,使我們可以通過軟件控制模塊實現各種復雜的控制功能,以DSP為核心組成的數字控制系統具有高精度、高可靠性、控制靈活、智能化、參數易于修改、無零漂等特點. 1 通用DSP數字交流伺服控制模塊的設計 在開發開放式多坐標聯動數控系統時,需要設計通用伺服控制模塊,以適應開放式系統的要求.這類模塊應具備以下特性:① 通用性,即在同一類模塊上通過軟件的裁剪組合,便可改變控制對象;②高可靠性、高抗干擾能力及高性能/價格比;③ 單塊模塊控制多臺伺服電機.本文所設計的通用伺服控制系統由兩路數字交流伺服控制模塊組成,并行控制兩臺交流伺服電機.該模塊集成了DSP最小系統、ISP器件、A/D器件、高速光耦等.采用此模塊,只須針對不同的控制對象,由交流伺服控制軟件及根據I/o要求設計的ISP軟件,便可裁剪組合成所需的控制模塊.所用的DSP為TI公司的32位高速浮點數字信號處理器 TMS320C31,具有60ns單周期指令執行時間,每秒33.3x l06次的浮點運算速度⋯1.采用DSP數字交流伺服控制模塊的原因是,多坐標聯動數控系統需要每隔8oµs對多個軸的交流伺服電機進行一次同步數據采樣,進行電流、轉速、轉子位置的閉環控制,且每隔80µs同步發出一組PWM控制信號,即在80µs內要完成多個軸的采樣、控制運算及處理、輸出PWM信號等工作.如果這些工作全部由上位工控機處理,不僅會嚴重加大上位機的負載,而且實時性也無法得到保證. 1.1控制策略 現代交流伺服系統對控制的要求是響應快、精度高、轉矩脈動小,而實現交流電機瞬時轉矩的高性能控制,則成為滿足這些要求的關鍵因索.因此,現代高精度交流伺服系統的控制策略大多采用磁場定向控制 2及直接轉矩控制L3-5 J.這兩種控制不同于早期變頻調速系統僅按交流電機穩態運行規律進行的平均值控制,它們完全不考慮電磁過渡過程的控制方法,而是根據電機的瞬時特性進行控制,從而使控制系統的動、靜態特性都有很大提高.從交流伺服系統的發展現狀看,這兩種控制理論各有其特長,應用也不盡相同.對同步電機的控制,尤其對交流永磁同步電機的控制,主要采用磁場定向控制方法.這種方法具有控制結構簡單、控制軟件易實現的特點.對異步電機,兩種控制都可采用,但近幾年的研究多在直接轉矩控制方面,這主要是因為對異步電機進行磁場定向控制極其復雜,控制效果遠遜于對永磁同步電機的控制效果. 磁場定向控制理論是建立在對象的精確數學模型基礎上的一種解耦控制方法,因此電機的非線性及電機參數的變化對控制性能有一定影響.同樣,直接轉矩控制理論也存在蓍受電機參數影響的情況,特別是在低速運行狀態下,參數對二者控制性能的影響均較大.因為智能控制具有無需對象的精確數學模型.可以在處理不精確和不確定性問題中獲得可處理性、魯棒性的特點,將其與磁場定向控制理論和直接轉矩控制理論結合,能夠充分發揮二者的優點,使控制性能獲得較大提高. 1.2軟件包夏通用控制模塊 在設計中,根據不同的控制對象,設計了磁場定向控制、直接轉矩控制、數字I/O電路、智能控制、故障監測、自診斷、通訊、功率器件保護等軟件模塊.并由此組成了DSP控制系統軟件包.應用中根據控制對象,由軟件便可在線構成硬件控制模塊.為降低控制模塊電路結構的復雜性,提高通用性及可靠性,由ISP器件設計了單片I/o硬件電路.在實際應用中,只需調用與控制對象有關的數字I/o電路軟件及相應的控制軟件,便可組成全數字智能磁場定向控制模塊和全數字智能直接轉矩控制模塊,分別應用于同步伺服電機及異步伺服電機的控制. 1.3DSP數宇交流伺服控制模塊夏控制系統結構 由于所用伺服電機是交流永磁同步伺服電機,所以實驗中采用的控制模塊為智能磁場定向控制模塊,其系統結構圖如圖l所示.模塊的工作原理是:A/D、ISP將定子電流、轉子位置、轉子速度等反饋信號轉換成數字信號,由DSP對這些數字信號進行采樣,根據上位工控機發出的速度給定信號,按磁場定向控制規律進行控制計算.將結果輸出至由ISP器件組成的 信號發生電路中,產生PWM 信號,并通過智能功率開關模塊控制交流永磁同步伺服電機的轉速.當需要修改控制器參數和控制模型時,只需對軟件進行修改便可.
2 通用單片數字I/o 本文介紹適用于交流永磁同步伺服電機、由ISP器件組成的單片數字I/O電路.設計中采用Lattice公司的ISP器件ISPLSI1032一舳設計數字I/O電路,用于電機轉速、轉子位置反饋信號的測量及形成PWM 信號.該器件的集成規模為6 000個PLD等效門.一片ISP器件可以容納整個數字I/O電路.因為同一個芯片內的門電路、觸發器、三態門等的參數特性是完全一致的.所以由它們所構成的電路具有一致的特性.整個I/0電路做在單片ISP器件上,抗干擾性能和可靠性比由分離器件構成的電路有極大的提高. 由于光電式測量系統具有低慣量、低噪聲、高分辨率和高精度的優點,因而常用于電機轉速、轉子位置信號的測量.其工作原理是:與電機同軸的光電編碼器隨電機的旋轉產生與電機轉速成正比的、兩相(A相、B相)相隔 /2電脈沖角度的正交編碼脈沖,該正交編碼脈沖通過四倍額電路產生四倍頻脈沖信號,由計數電路對其計數,便可獲得轉速、轉子位置的瞬時值. 數字I/O電路的結構如圖2所示. 單片數字I/O電路由5部分組成:①數字四倍頻電路;②地址譯碼器;③ 轉子位置測量電路;④PWM 信號產生電路;⑤ 轉速測量電路.數字四倍頻電路將輸入的正交編碼脈沖細分后.產生數字四倍頻脈沖,供計數、采樣使用.同時,由正交編碼脈沖產生電機轉向信號,供DsP控制時使用.數字四倍頻電路的輸出端設計了脈沖寬度調節電路.以根據需要調節輸出脈沖的寬度.脈沖寬度最小為60 m,寬度調節以60 ns的倍數增加. 地址譯碼器是將DSP發出的地址信號、讀/寫(R/W)信號、擴展總線IO(IOSTRB)信號譯碼,作為片選信號.以控制單片數字I/O電路內相應電路的讀/寫.同時.片選信號還送至外部A/D器件.供DSP對A/D進行讀操作. 轉子位置測量電路包括:模10000可逆計數器,數據鎖存器(14位)及輸出三態門(14位),電流及轉子位置采樣信號調節電路.可逆計數器用于轉子瞬時位置計數,根據光電編碼器發出的正交編碼脈沖經過四倍頻后得到的每轉脈沖數及額定轉速.設計成l4位模10000可逆計數器.ISP的I/O單元作為輸出時具有三態緩沖特性[sup][6] [/sup],利用其中的14個I/O單元構成輸出三態門,連劐DSP的32位數據總線上.DSP內部定時器發出的電流、轉子位置采樣信號經過電流、位置采樣信號調節電路,進行時序及脈沖寬度調后,按順序分別輸出轉子瞬時位置鎖存、A/D采樣及轉換、中斷請求等信號 當DSP中斷響應并發出外部IO讀信號后,經地址譯碼器譯碼,讀出轉子瞬時位置計數值. PWM信號產生電路包括:6位PwM數據鎖存器,PWM 時序電路,鎖存延時器.DSP定時發出寫數據信號,其數據總線中的一位與地址譯碼器的譯碼信號在延時器中組合,延時器的輸出鎖存信號確保數據總線上的數據被正確地鎖存至PwM數據鎖存器中,其輸出經過PWM 時序電路的調節與時序校正,產生PwM 信號.PWM 時序電路同時保證PWM信號以先關斷、后開通的方式控制智能功率器件.避免相同橋路上的功率器件因同時導通而發生短路事故.速度測量電路包括:速度采樣信號調節電路,數字四倍頻脈沖計數器(12位計數器1),高頻時鐘脈沖計數器(16位計數器2),數據鎖存器(29位),輸出三態門(29位)等.轉速的測量采用變脈沖數/脈沖周期(變M/T)測速法,其測量原理如圖3所示. [align=center] [/align] 變M/T測速法的原理是:在測速過程中,不僅被測的四倍頻測速脈沖信號的頻率 f[sub]m[/sub]隨電機的轉速變化,而且檢測時間T也隨電機的轉速而變化,時間T將始終等于f[sub]m[/sub] 的M[sub]p[/sub]個脈沖周期之和.通過測量時間T和在此時間內計數器對 f[sub]m[/sub]的計數值M[sub]p[/sub],就可以確定電機的轉速.時間T可由計數器2對頻率為f[sub]c[/sub] 的高頻時鐘脈沖計數所得的計數值M[sub]c[/sub]獲得,T=M[sub]c[/sub]/f[sub]c[/sub]設電機每轉發出M 個編碼脈沖,四倍頻后每轉可得到4N 個測速脈沖,對應的轉角。則轉速的計算公式為 n=600/(2 T)=60f[sub]c[/sub]M[sub]p[/sub]/(4NMc )(r/min). 在速度測量電路中,由ISP器件的29個I/0單元組成輸出三態門,連到DsP的32位數據總線上.其中,低16位包含計數器2的數據,高16位中的低12位包含計數器1的數據,最高位(第32位)包含電機的轉向數據.地址譯碼器的譯碼信號作為輸出三態門的門控信號,同時接到29個輸出三態門的輸出使能靖上。速度采樣信號調節電路首先輸出數據鎖存信號,并將信號前沿到達時計數器1、計數器2的計數值及轉向信號(“0”或⋯1’)同時鎖存至數據鎖存器中,然后發出中斷請求和計數器清零信號,以申請中斷且對計數器。1、計數器2清零,并開始新一輪計數.DSP中斷響應并發出外部10讀信號,譯碼后讀出計數器1、計數器2的計數值和電機轉向信號. 速度采樣信號調節電路的作用是,當DSP定時器輸出的速度采樣信號到達時。并不立即發出數據鎖存、中斷申請和計數器清零信號,僅將速度采樣信號鎖存至鎖存器中,只有當四倍頻脈沖的上升沿到達時,才使速度采樣信號調節電路按順序發出信號.另外,該電路中也包含脈沖寬度調節電路,以便按要求的脈沖寬度輸出信號,保證電路能夠準確無誤地傳遞數據. 3 實驗結果 用所設計的DSP數字交流伺服控制模塊在交流永磁同步電機上進行了實驗,所用電機型號為MFA15OMB5,額定輸出功率為1.5 kW,額定電流f=7.5 A,額定轉速”:2 000 r/min,編碼器脈沖為2 500 p/r(P為脈沖數).實驗結果如圖4、圖5所示.圖4是驅動電機的相電流波形,圖5是電機空載時從靜止到500 r/min的速度響應.實驗結果表明,所設計的DSP數字交流伺服控制模塊達到了設計要求.
4 結論 本文介紹的通用DSP數字交流伺服控制系統具有抗干擾能力強、可靠性高、性能/價格比高、模塊化的特點,同時模塊本身也具有集成度高、結構緊湊、便于維修調試、適用于多種控制對象的特點,不僅可用于交流同步、異步電機控制,在控制軟件上加以擴充也可用于直流電機、步進電機及交流直線電機的控制.單片數字I/O電路可用于光電編碼器、旋轉變壓器等的數字測速及多種PWlVI輸出.由此設計的通用數字交流伺服控制模塊僅包含DSP最小系統、單片大規模在系統可編程邏輯器件、電流采樣A/D器件、高速光耦等.在實驗的基礎上,用所設計的模塊在多坐標聯動數控系統中進行了試運行.運行結果表明,作為其中一個坐標閉環位置控制的速度內環,可以保證位置伺服控制精度達到設計要求.

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