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1、通用沟通伺服控制模块的设计hanjuan导语：设计的沟通伺服控制系统具有抗干扰才能强、可靠性高、性能价格比高、模块化的特点，适用于多种控制对象摘要：根据开放式数控系统对高精度沟通伺服控制的要求，设计了两路并行通用数字沟通伺服控制模块每路控制模块均以单片高性能数字信号处理器DSP芯片为楮心，构成奉模块的控制系统；以单片大规模在系统可编程器件ISP构本钱模块酌数字lAD电路采用此模块控制两路一样或者不同的对象，只需由软件包中调用相应的沟通伺服控制软件厦相应的构成数字IO电路的ISP下载软件设计的沟通伺服控制系统具有抗干扰才能强、可靠性高、性能价格比高、模块化的特点，适用于多种控制对象关键字：开放式
2、系统；伺服控制；在系统可编程技术；数字I0电路通用PC机技术的高速开展，大大促进了开放式数控系统的研究与开发，使得设计、研究人员可以根据不同类型的数控机床分析其控制方式，以功能模块方式研制不同功能的硬件通用模块及相应的软件通用模块，并由这些硬、软件通用模块的裁剪组合，组成开放式数控系统随着高性能数字信号处理器DSP芯片性能价格比的大幅度进步，由DSP为核心的通用数字沟通伺服控制模块在开放式数控系统中的应用也越来越广泛因DSP具有高速数据处理才能、修正的啥佛构造和强大的指令系统1，所以非常合适于执行当代控制算法及各种智能控制算法，为先进控制理论的在线实时应用提供了根底，使我们可以通过软件控制模块
3、实现各种复杂的控制功能，以DSP为核心组成的数字控制系统具有高精度、高可靠性、控制灵敏、智能化、参数易于修改、无零漂等特点1通用DSP数字沟通伺服控制模块的设计在开发开放式多坐标联动数控系统时，需要设计通用伺服控制模块，以适应开放式系统的要求这类模块应具备以下特性：通用性，即在同一类模块上通过软件的裁剪组合，便可改变控制对象；高可靠性、高抗干扰才能及高性能价格比；单块模块控制多台伺服电机本文所设计的通用伺服控制系统由两路数字沟通伺服控制模块组成，并行控制两台沟通伺服电机该模块集成了DSP最小系统、ISP器件、AD器件、高速光耦等采用此模块，只须针对不同的控制对象，由沟通伺服控制软件及根据Io要
4、求设计的ISP软件，便可裁剪组合成所需的控制模块所用的DSP为TI公司的32位高速浮点数字信号处理器TMS320C31，具有60ns单周期指令执行时间，每秒333xl06次的浮点运算速度1采用DSP数字沟通伺服控制模块的原因是，多坐标联动数控系统需要每隔8os对多个轴的沟通伺服电机进展一次同步数据采样，进展电流、转速、转子位置的闭环控制，且每隔80s同步发出一组PWM控制信号，即在80s内要完成多个轴的采样、控制运算及处理、输出PWM信号等工作假如这些工作全部由上位工控机处理，不仅会严重加大上位机的负载，而且实时性也无法得到保证11控制策略当代沟通伺服系统对控制的要求是响应快、精度高、转矩脉动
5、小，而实现沟通电机瞬时转矩的高性能控制，那么成为知足这些要求的关键因索因此，当代高精度沟通伺服系统的控制策略大多采用磁场定向控制2及直接转矩控制L3-5J这两种控制不同于早期变频调速系统仅按沟通电机稳态运行规律进展的平均值控制，它们完全不考虑电磁过度过程的控制方法，而是根据电机的瞬时特性进展控制，进而使控制系统的动、静态特性都有很大进步从沟通伺服系统的开展现状看，这两种控制理论各有其特长，应用也不尽一样对同步电机的控制，尤其对沟通永磁同步电机的控制，主要采用磁场定向控制方法这种方法具有控制构造简单、控制软件易实现的特点对异步电机，两种控制都可采用，但近几年的研究多在直接转矩控制方面，这主要是由
6、于对异步电机进展磁场定向控制极其复杂，控制效果远逊于对永磁同步电机的控制效果磁场定向控制理论是建立在对象的准确数学模型根底上的一种解耦控制方法，因此电机的非线性及电机参数的变化对控制性能有一定影响同样，直接转矩控制理论也存在蓍受电机参数影响的情况，十分是在低速运行状态下，参数对二者控制性能的影响均较大由于智能控制具有无需对象的准确数学模型可以在处理不准确和不确定性问题中获得可处理性、鲁棒性的特点，将其与磁场定向控制理论和直接转矩控制理论结合，可以充分发挥二者的优点，使控制性能获得较大进步12软件包夏通用控制模块在设计中，根据不同的控制对象，设计了磁场定向控制、直接转矩控制、数字IO电路、智能控
7、制、故障监测、自诊断、通讯、功率器件保护等软件模块并由此组成了DSP控制系统软件包应用中根据控制对象，由软件便可在线构成硬件控制模块为降低控制模块电路构造的复杂性，进步通用性及可靠性，由ISP器件设计了单片Io硬件电路在实际应用中，只需调用与控制对象有关的数字Io电路软件及相应的控制软件，便可组玉成数字智能磁场定向控制模块和全数字智能直接转矩控制模块，分别应用于同步伺服电机及异步伺服电机的控制13DSP数宇沟通伺服控制模块夏控制系统构造由于所用伺服电机是沟通永磁同步伺服电机，所以实验中采用的控制模块为智能磁场定向控制模块，其系统构造图如图l所示模块的工作原理是：AD、ISP将定子电流、转子位置
8、、转子速度等反应信号转换成数字信号，由DSP对这些数字信号进展采样，根据上位工控机发出的速度给定信号，按磁场定向控制规律进展控制计算将结果输出至由ISP器件组成的信号发生电路中，产生PWM信号，并通过智能功率开关模块控制沟通永磁同步伺服电机的转速当需要修改控制器参数和控制模型时，只需对软件进展修改便可2通用单片数字Io本文介绍适用于沟通永磁同步伺服电机、由ISP器件组成的单片数字IO电路设计中采用Lattice公司的ISP器件ISPLSI1032一舳设计数字IO电路，用于电机转速、转子位置反应信号的测量及形成PWM信号该器件的集成规模为6000个PLD等效门一片ISP器件可以包容整个数字IO电
9、路由于同一个芯片内的门电路、触发器、三态门等的参数特性是完全一致的所以由它们所构成的电路具有一致的特性整个I0电路做在单片ISP器件上，抗干扰性能和可靠性比由别离器件构成的电路有极大的进步由于光电式测量系统具有低惯量、低噪声、高分辨率和高精度的优点，因此常用于电机转速、转子位置信号的测量其工作原理是：与电机同轴的光电编码器随电机的旋转产生与电机转速成正比的、两相A相、B相相隔2电脉冲角度的正交编码脉冲，该正交编码脉冲通过四倍额电路产生四倍频脉冲信号，由计数电路对其计数，便可获得转速、转子位置的瞬时值数字IO电路的构造如图2所示单片数字IO电路由5局部组成：数字四倍频电路；地址译码器；转子位置测
10、量电路；PWM信号产生电路；转速测量电路数字四倍频电路将输入的正交编码脉冲细分后产生数字四倍频脉冲，供计数、采样使用同时，由正交编码脉冲产生电机转向信号，供DsP控制时使用数字四倍频电路的输出端设计了脉冲宽度调节电路以根据需要调节输出脉冲的宽度脉冲宽度最小为60m，宽度调节以60ns的倍数增加地址译码器是将DSP发出的地址信号、读写RW信号、扩展总线IOIOSTRB信号译码，作为片选信号以控制单片数字IO电路内相应电路的读写同时片选信号还送至外部AD器件供DSP对AD进展读操纵转子位置测量电路包括：模10000可逆计数器，数据锁存器14位及输出三态门14位，电流及转子位置采样信号调节电路可逆计
11、数器用于转子瞬时位置计数，根据光电编码器发出的正交编码脉冲经过四倍频后得到的每转脉冲数及额定转速设计成l4位模10000可逆计数器ISP的IO单元作为输出时具有三态缓冲特性sup6/sup，利用其中的14个IO单元构成输出三态门，连劐DSP的32位数据总线上DSP内部定时器发出的电流、转子位置采样信号经过电流、位置采样信号调节电路，进展时序及脉冲宽度调后，按顺序分别输出转子瞬时位置锁存、AD采样及转换、中断恳求等信号当DSP中断响应并发出外部IO读信号后，经地址译码器译码，读出转子瞬时位置计数值PWM信号产生电路包括：6位PwM数据锁存器，PWM时序电路，锁存延时器DSP定时发出写数据信号，其
12、数据总线中的一位与地址译码器的译码信号在延时器中组合，延时器的输出锁存信号确保数据总线上的数据被正确地锁存至PwM数据锁存器中，其输出经过PWM时序电路的调节与时序校正，产生PwM信号PWM时序电路同时保证PWM信号以先关断、后开通的方式控制智能功率器件防止一样桥路上的功率器件因同时导通而发生短路事故速度测量电路包括：速度采样信号调节电路，数字四倍频脉冲计数器12位计数器1，高频时钟脉冲计数器16位计数器2，数据锁存器29位，输出三态门29位等转速的测量采用变脉冲数脉冲周期变MT测速法，其测量原理如图3所示align=center/align变MT测速法的原理是：在测速经过中，不仅被测的四倍频
13、测速脉冲信号的频率fsubm/sub随电机的转速变化，而且检测时间T也随电机的转速而变化，时间T将始终即是fsubm/sub的Msubp/sub个脉冲周期之和通过测量时间T和在此时间内计数器对fsubm/sub的计数值Msubp/sub，就可以确定电机的转速时间T可由计数器2对频率为fsubc/sub的高频时钟脉冲计数所得的计数值Msubc/sub获得，T=Msubc/sub/fsubc/sub设电机每转发出M个编码脉冲，四倍频后每转可得到4N个测速脉冲，对应的转角。那么转速的计算公式为n=6002T=60fsubc/subMsubp/sub4NMcrmin在速度测量电路中，由ISP器件的29
14、个I0单元组成输出三态门，连到DsP的32位数据总线上其中，低16位包含计数器2的数据，高16位中的低12位包含计数器1的数据，最高位第32位包含电机的转向数据地址译码器的译码信号作为输出三态门的门控信号，同时接到29个输出三态门的输出使能靖上。速度采样信号调节电路首先输出数据锁存信号，并将信号前沿到达时计数器1、计数器2的计数值及转向信号“0或者1同时锁存至数据锁存器中，然后发出中断恳求和计数器清零信号，以申请中断且对计数器。1、计数器2清零，并开场新一轮计数DSP中断响应并发出外部10读信号，译码后读出计数器1、计数器2的计数值和电机转向信号速度采样信号调节电路的作用是，当DSP定时器输出
15、的速度采样信号到达时。并不立即发出数据锁存、中断申请和计数器清零信号，仅将速度采样信号锁存至锁存器中，只有当四倍频脉冲的上升沿到达时，才使速度采样信号调节电路按顺序发出信号另外，该电路中也包含脉冲宽度调节电路，以便按要求的脉冲宽度输出信号，保证电路可以准确无误地传递数据3实验结果用所设计的DSP数字沟通伺服控制模块在沟通永磁同步电机上进展了实验，所用电机型号为MFA15OMB5，额定输出功率为15kW，额定电流f=75A，额定转速：2000rmin，编码器脉冲为2500prP为脉冲数实验结果如图4、图5所示图4是驱动电机的相电流波形，图5是电机空载时从静止到500rmin的速度响应实验结果说明
16、，所设计的DSP数字沟通伺服控制模块到达了设计要求本文介绍的通用DSP数字沟通伺服控制系统具有抗干扰才能强、可靠性高、性能价格比高、模块化的特点，同时模块本身也具有集成度高、构造紧凑、便于维修调试、适用于多种控制对象的特点，不仅可用于沟通同步、异步电机控制，在控制软件上加以扩大也可用于直流电机、步进电机及沟通直线电机的控制单片数字IO电路可用于光电编码器、旋转变压器等的数字测速及多种PWlVI输出由此设计的通用数字沟通伺服控制模块仅包含DSP最小系统、单片大规模在系统可编程逻辑器件、电流采样AD器件、高速光耦等在实验的根底上，用所设计的模块在多坐标联动数控系统中进展了试运行运行结果说明，作为其中一个坐标闭环位置控制的速度内环，可以保证位置伺服控制精度到达设计要求0