基于DSP的多电机协同控制系统设计概要.docx

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基于DSP的多电机协同控制系统设计概要

收稿日期:

2009-11-03

作者简介:

杨士河（1985—,男,山东德州人,硕士研究生,主要研究领域为现代电机调速与控制技术;刘景林（1964—,男,教授,博士生导师,主要研究领域为电机智能控制及测试技术、运动控制及伺服技术、航天微特电机及驱动技术、交流电机调速技术、稀土永磁电机理论及应用等;张金萍（1984—,女,河南南阳人,硕士研究生,主要研究领域为现代交流电机调速技术;王帅夫（1983—,男,湖南株洲人,博士研究生,主要研究领域为步进电机驱动与控制技术。

基于DSP的多电机协同控制系统设计

杨士河,刘景林,张金萍,王帅夫

（西北工业大学自动化学院,陕西西安　710072

摘要:

针对开放式数控系统的要求,以DSP为主控核心,结合步进电机专用集成驱动芯片LMD18201T,设计了一款基于串行通信（SCI的新型多电机协同控制系统,该系统集成度高、稳定性好、实时性强、人机接口方便。

试验结果表明,该系统完全满足性能指标要求,实现了各项运动控制功能。

关键词:

DSP;步进电机;串行通信;协同控制中图分类号:

TM383.6　　文献标识码:

A　　文章编号:

1000-8829（201006-0045-03

DesignofMulti2MotorCoordinatedControlSystemBasedonDSP

YANGShi2he,LIUJing2lin,ZHANGJin2ping,WANGShuai2fu

（SchoolofAutomation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China

Abstract:

AccordingtotherequirementsofopenNCsystem,anewkindofmulti2motorcoordinatedcontrolsys2tembasedonserialcommunicationisdesignedwithDSPasmaincontrolchipandLMD18201Tasintegrateddrivingmodel.Thesystemhasthecharacteristicsofhighintegration,goodstability,excellentreal2timecapabili2tyandconvenientman2machineconversation.Experimentresultsindicatethatthesystemfullymeetstheper2formancerequirementsandachievesvariousmotioncontrolfunctions.Keywords:

DSP;steppermotor;serialcommunication;coordinatedcontrol

　　步进电机作为一种可以开环使用的数字传动装置,具有快速启动与停止、转速与输入时钟频率成正

比、能实现精确定位及直接接收数字量等特点[1]

被广泛应用在各种自动化控制系统中。

位置/速度闭环控制电路的应用进一步降低了电机的运行噪声,有效地抑制了转矩波动,避免了步进电机启动失步现象,实现了精度控制。

随着微电子和微型计算机技术的发展,DSP以其强大的计算能力和丰富的I/O资源,在电机的数字化控制领域获得越来越广泛的应用。

本设计是基于32位定点DSP芯片TMS320F2812的协同控制系统,它能够实时、准确、可靠地控制各电机,具有良好的可行性。

1　系统原理

本项运动控制方案实现了对3台二相混合式步进电机的协同控制,电机数目可进行扩展,系统原理框图如图1所示

。

图1　系统原理框图

DSP通过RS232总线与上位机进行串行通信,接

收3台步进电机的起停、正反转以及细分倍数选择信

号,也可以通过拨码进行独立控制。

以步进电机1的控制为例,TMS320F2812根据接收的细分倍数信号,读取存储器中给定细分电流的数字控制信号,经过

・

54・基于DSP的多电机协同控制系统设计

D/A芯片转化为模拟电压信号,与电机绕组中的电流

经过采样电阻转换成的电压信号进行比较,产生斩波信号,从而达到控制电机相电流的目的;而步进电机的起停、换相信号直接由DSP的I/O口给定。

步进电机2、3与电机1共用一组8位细分I/O口及数据总线,通过相应的使能信号实现分时细分电流给定和位置数据读取,控制方式与电机1相同。

3台电机的转速及转向可通过SPI外围电路进行显示。

2　硬件部分设计

系统的硬件部分主要由电源电路、通信模块、电流采样电路、位置反馈电路、细分斩波及驱动部分组成。

其中,位置反馈、细分斩波和驱动部分是控制步进电机运行的核心。

2.1　细分、斩波电路

在适当的控制下,步进电机的运行步数与输入脉冲严格对应,其进给分辨率取决于细分驱动技术。

细分驱动技术是一种电流波形控制技术,基本思想是控制每相绕组电流的波形,使其阶梯上升或下降,即在0

和最大值之间给定多个稳定的中间状态[2]

。

给定电流细分波形预先存储在DSP内部存储器中,如图2所示。

DSP通过控制A/B使能信号,将八位电流细分值经公共数据总线分别输入到AD7528JN芯片中的A、B相数据寄存器中保存,直到下一步细分值输入时改变。

AD7528JN输出电流型模拟信号,经过LM358运放转换为电压型模拟信号,输入到SG3525引脚2的同相输入端,而反馈回来的绕组采样信号加到引脚1的反相输入端,两者通过误差放大器进行比较,产生两路占空比相等、相位相差180°的信号,进行“或运算”后,最终生成一相绕组的斩波信号,从而实现控制相绕组电流为给定值

。

图2　细分、斩波电路

2.2　驱动、采样电路

采用分立元件搭建H桥组成的PWM脉宽调制电

路,由于各个元件特性存在差异,调速性能并不太好,

而且电路稳定性不是很高;相比而言,采用美国国家半导体公司（NS推出的专用于运动控制的H桥组件LMD18201T有一定优越性。

该芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件,峰值输出电流高达6A,连续输出电流达3A,工作电压高达55V,并且还具有

温度报警、过热与短路保护功能[3]

其连接电路如图3所示

。

图3　驱动、采样电路

芯片控制信号包括方向、斩波和制动信号,分别控

制相电流的方向、幅值和电机的起停。

采样电阻R串接H桥和地之间,所以不论相电流方向怎样改变,其在采样电阻上的压降U方向不变,始终为正。

采样电压U经过线性光耦电路隔离放大,形成U×R2/R1电压信号,反馈到前级,形成电流闭环控制。

2.3　位置反馈电路

位置检测部分是数控系统的一个重要组成部分,能有效保证步进精度,实时地监控步进电机的运行状态。

本设计采用光电式脉冲编码器作为位置检测装置。

脉冲编码器是一种旋转式的脉冲发生器,其输出信号为方波,共有3对差动脉冲信号A、A,B、B,Z、Z,其中A、B信号相位相差90°,利用其相位关系可判断位移或速度的方向,零脉冲信号Z每转一周出现一次,用于调整电气和机械的零点。

采用HCTL2016芯片来实现正交解码与可逆计数,其输入部分有Schmitt触发器与数字滤波,因此具有高抗噪声能力;具有4倍频正交解码器,提高了位置反馈精度;其总线接口部分包括一个8-16多路复用器和一个8位三态输出缓冲器,允许用户独立地读出位置数据寄存器的高、低字节。

如图4所示,系统中包含3台电机,因此需采用3片HCTL2016来完成位置量的反馈,反馈回来的数据量通过DSP外设总线扩展接口映射到I/O空间中。

因DSP有16位数据总线,而HCTL2016有8位数据总线,所以在取得位置反馈

・

64・《测控技术》2010年第29卷第6期

量时,需要高字节与低字节分别取值。

DSP运算时,需

要进行移位合并组合成16位数值[4]

。

图4　位置解码电路

3　软件部分设计

3.1　DSP与上位机串行通信程序

串行通信接口（SCI是采用双线制通信的异步串

行通信接口（UART。

为减小串口通信时CPU的开销,TMS320F2812的串口支持16级接收和发送FIFO。

为保证数据完整,SCI模块对接收到的数据进行间断、极性、超限和帧错误的检测。

通过对16位的波特率控制寄存器进行编程,来配置不同的SCI通信速率。

采用可视化窗口开发软件VB编写上位机通信界面,利用其中的MSComm通信控件,完成串行通信。

其通信界面如图5所示

。

图5　系统通信界面

3.2　DSP主程序

DSP主程序可实现3台步进电机的协同控制,如

正反转、起制动、加减速、速度显示、细分及定位功能。

系统主程序流程图如图6所示,系统首先进行各项初始化,然后等待中断,各项控制功能就是在调用中断子程序后实现的。

以定位功能实现为例,其程序流程图如图7所示

。

图6　

主程序流程图

图7　定位程序流程图

该程序通过给定步进电机要走的步数,与给定值

进行比较,判断电机运行方式,最终实现定位。

其中加减速的实现是通过改变定时器周期寄存器值的大小来实现的,即给定速度表,按设定实现加速和减速。

步进电机的运行可根据距离长短分为两种情况:

①中、短距离:

只有加减速过程,没有恒速过程;②中、长距离:

不仅有加减速过程,还有恒速过程。

为了达到准确的定位,两种情况都要考虑。

4　试验结果及分析

以步进电机1试验为例,采样电阻值取0.1Ω,线性光耦放大倍数设置为10,这样流经采样电阻的相绕组电流与采样信号（如图3所示等值,分别测量四细分、八细分时的相绕组电流波形,如图8、图9所示。

试验结果证明,基于DSP的运动控制方案可实现多台电机的协同控制,性能稳定,集成度高,可移植性好,在精密数控领域具有良好的应用前景。

（下转第53页

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74・基于DSP的多电机协同控制系统设计

（c　

负载压力控制曲线

（d

　负载流量控制曲线

图6　调试结果

系统油温在85℃左右,如图6（b所示,在温度和转速

达到要求后,关闭比例节流阀,开始做压力和流量控制试验。

压力控制试验:

目标压力为频率为0.1Hz,幅值为29MPa（1~29MPa正弦,得到如图6（c所示的目标和实际值的控制曲线。

流量控制试验:

目标压力为频率为0.2Hz,幅值为80L/min（0~80L/min正弦,得到如图6（d所示的目标和实际值的控制曲线。

5　结束语

从调试结果看,通过合适的参数配置,流量压力负

载模拟子系统可以模拟各个飞机液压子系统;温度控制子系统可以较好地实现飞机能源系统对温度（稳态精度±2℃指标的要求;调速子系统实现了对电机转速的控制;总控台实现了本试验系统各个子模块的控制和指挥作用,同时监视飞机液压附件和管路的工作状态;此系统的设计完全满足试验要求,为设计论证提供了可靠的试验依据。

由于各型飞机液压能源系统具有本质相似,因此可以通过对此试验系统进行改造,为其他型号飞机的液压能源系统提供试验平台。

所以说,该系统具有广泛的工程价值。

参考文献:

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科学出版社,

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□

（

上接第47页

图8　四细分采样电流波形

图9　八细分时采样电流波形

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35・某型飞机液压能源系统原理验证试验系统设计