一种基于DSP的伺服控制器的设计与应用.doc

一种基于DSP 的伺服控制器的设计与应用
吴建昆, 唐小琦, 宋　
宝(华中科技大学, 湖北武汉430074
Design and Application of a Serv o C ontroller Based DSP
WU Jian
kun , TANG Xiao
qi , SONG B ao
(Huazhong University of Science and T echnology ,Wuhan 430074,China
　　摘要:介绍了一种由专用电机控制芯片DSP
M otionChip 作为核心的伺服控制器, 该伺服控制器可以方便的用于各种运动控制系统中。文章详细地介绍了该伺服控制器的硬件组成原理、软件结构方案, 制的方法。

关键词; 中图分类号文献标识码:B
文章编号:1001-2257(2003 03-0026-03

Abstract :Thepaper presents a serv o controller with the DSP M otionChip. The serv o controller can be conve 2niently used in many m otion control system. The hardware and s oftware design method of the serv o controller is dis 2cussed in detail. The method of multi axis m otion control with the serv o controllers is als o introduced in the paper.
K ey w ords :DSP; serv o controller ; multi axis m o 2
tion control
收稿日期:2002-09-03
0　引言
在传统的电机伺服控制装置中, 一般采用一个或多个单片机作为伺服控制的核心处理器。这种伺
服控制器外围电路复杂, 计算速度慢, 从而导致控制效果不理想。
近年来, 许多新的电机调速算法被研究并运用于电机控制系统中。如矢量控制、直接转矩控制等。随着这些控制算法的日益复杂, 必须具备高速运算能力的处理器才能实现实时计算和控制。为了适应这种需要, 国外许多公司开发了控制电机专用的高档单片机和数字信号处理器(DSP 。现在, 通常使用
的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP 和大规模可编程逻辑器件组成。要, , 但是, T ech 2DSP , 设计了1种体积小, 使用方便的伺服控制器。
1　硬件方案设计
该伺服控制器的简化硬件框图如图1所示。
它
图1　伺服控制器硬件框图
由2个部分组成:电机功率驱动部分和以M otionChip
芯片为核心的控制部分。由于该伺服控制器是为小功率永磁同步电机设计的, 并且考虑到控制器的体积和成本, 所以电机功率驱动电路采用6个功率MOSFET 管组成逆变桥, 并用IR 公司的三相桥驱动
芯片IR2130驱动MOSFET 管。另外, 为了保护功率MOSFET 管和驱动芯片, 驱动电路里还设计有过流、过压和欠压等保护电路。
伺服控制器的控制部分以M otionChip 芯片为控制核心; 通过C AN 总线控制芯片, 可与主机、及其它伺服控制器构成多轴运动控制系统; EEPROM (电可
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编程只读存储器 存储伺服控制器的配置参数和运动控制指令;6路PW M 信号通过高速光隔输出, 控制功率MOSFET 管的导通与关断;2路逆变器相电流检测信号I
A 、I B 作为伺服控制器的电流环反馈信号;A 、B 、Z 3组差分信号为电机位置检测用的码盘反馈信号; 驱动器保护信号用来向控制器报告驱动器的报警信息; 辅助I ΠO 信号用于监视执行机构的状态和进行辅助控制。
1. 1　MotionChip 芯片简介[1]
M otionChip 是T echnos oft 公司开发的电机伺服控制专用芯片。它是基于T MS320C240的DSP (数字信号处理器 , 外围设置了许多电机伺服控制专用的可编程配置管脚。T MS320C240是TI 公司推出的电机控制专用16位定点数字信号处理器,
M otionChip , ; , 可配置不同的控制环模式(开环, 位置环, 速度环 ; 能实现独立或主从运行模式; 执行T echnos oft 自行开发的高级运动控制语言。
1. 2　反馈信号处理[2]
增量式码盘一般输出的是差分信号, 该信号具有抗干扰能力强的优点。而输入M otionChip 的只能是数字信号, 所以差分信号需先通过三端电容去除高频干扰, 然后输入到差分信号接收芯片中。输出的信号就可以直接进入M otionChip 中进行倍频鉴相, 然后计数作为位置反馈信号。
对于逆变器相电流检测信号I A 、I
B
, 通过高速运
放组成的电流取样和滤波电路直接输入M otionChip 的I
A
,I B 管脚进行A ΠD 转换。
1. 3　驱动器保护信号
功率驱动器的保护信号包括逆变电路的过流、过压报警和驱动芯片的欠压保护。当有报警信号产生时, 为了保护功率管和驱动芯片, 应立即关断功率管, 即停止PW M 信号的输出。所以驱动器保护信号通过光隔向M otionChip 进行报警, 以关闭PW M 信号。
1. 4　辅助I ΠO 信号[3]
辅助I ΠO 信号包括执行机构的状态监视和辅助控制。对于状态监视信号,M otionChip 有专门的管脚可以捕获限位和回零这样的状态信号, 没有的状态信号也可通过编程使用空闲的I ΠO 管脚进行检测。 设置辅助控制信号是因为运动控制中需要根据执行机构的状态和操作过程进行开关量的控制。这些信号都需通过光隔和M otionChip 连接。
2　软件方案设计
2. 1　MotionChip 的基本软件结构[1]
M otionChip 的基本软件结构包括控制器的结构配置及其参数化和运动指令序列2部分。
控制器的结构配置及其参数化包括电机参数、功率驱动器参数、反馈信号参数和控制环的配置。M otionChip 的控制环采用电流环、速度环和位置环的三环结构。,
制(、PI D , PI 调节器。
。对于交流电机内环可以 并使用2个PI 调节器,1个调节转矩,1个调节电流。根据控制需要, 通过合理的配置这些控制环的各参数, 可以构成性能优良的伺服控制器。
运动指令序列是指由T echnos oft 公司自己开发的运动控制指令所构成的运动控制程序。这些指令包括以下几种基本类型:运行模式设置、停止模式设置、事件触发管理(如位置事件、时间事件等 、I ΠO 管理、中断管理和算术及逻辑指令。
通过对这些指令的编辑可以实现该伺服控制器的基本运动控制。
2. 2　伺服控制器控制软件的编制
由上述可知, 该伺服控制器控制软件编制时也由2部分组成:
a . 控制器的结构配置及其参数化。这些程序可以在进行电机运转测试时通过T echnos oft 公司提供的开发软件合理配置参数后自动生成。
b . 运动控制序列编制。在实际应用时, 可以把运动控制序列分为主程序、功能子程序和中断处理子程序3部分。
主程序中首先进行变量和寄存器的初始化, 然后进入功能子程序的循环调用或无限等待之中。
功能子程序封装了伺服控制器的某个操作过程, 这样既可以实现操作的模块化, 又可以在多轴运动控制中让主机方便地调用某个操作过程。伺服控制器通过接收主机发送过来的参数和功能子程序的调用指令就可以完成基本的操作过程。
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中断处理子程序是对由中断源触发的紧急事件进行处理。例如对于如驱动器报警这样的中断, 在处理程序中立刻停止PW M 的信号输出, 并置出错标志。对于限位开关到这样的中断处理, 要根据情况设置合适的停止模式以缓冲减速时大负载对电机及驱动器的影响。
3　主机和多伺服控制器的连接
在伺服控制器设计中, 采用常用的工业现场总线C AN 总线构成多轴运动控制网络, 有着很多
优点:采用短帧结构, 因而传输时间短, 受干扰的概率低; 自动解决2个节点同时发送数据而产生的冲突; 通信速率最高可达1Mbps/40m 。
在M

otionChip 的多轴配置中, 每个M 服控制器都有一个轴I ( I I D , 得具有同样组I 的命令, 从而实现同组的各轴同步[1]
。
由6个伺服电机组成的小型包装机的设计方案如图2所示。6个伺服电机被分为3组, 各完成不
图2　多轴运动控制方案
同的操作过程; 每组由2个电机组成, 同步完成同样的动作。因为由M otionChip 构成的伺服控制器可以进行基本运动控制, 所以我们把各操作做成功能子程序。当系统运行时, 监控主机只要根据伺服控制器的当前状态和下一步的操作过程, 调用相应的各组的功能子程序。另外, 若C AN 总线的通讯速率为1Mbps , 并假设每轴在伺服周期内最多需和主机交换80Bytes 数据, 则一次交换数据时间为6×80Bytes ×8bits Π1000000=3. 84ms 。这样, 每次伺服控制过程可
以保证在10ms 内完成。
为了协调好各轴的运动, 在监控主机中应该实现以下几个功能:
a . 在等时间间隔内采集各轴运动控制器的运行
状态。
b . 根据各轴当前状态和下一步的操作过程, 规划下一步各轴的运行方式。
c . 发送各轴控制指令及各组同步运行指令。
4　结束语
本文介绍了一种硬件结构简单, 软件编程容易的DSP 的伺服控制器, 以及由多个这种伺服控制器组成的多轴运动控制的方法。随着微电子技术的发展, 很多像DSP M otionChip 这样使用方便的专用电:
[1]　T echnos oft M otionChip DataSheet[Z].2000.
[2]　秦　忆, 等. 现代交流伺服系统[M].武汉:华中理工大
学出版社,1995.
[3]　廖效果, 刘又午, 朱剑英. 数控技术[M].武汉:湖北科
学技术出版社,2000.
作者简介:吴建昆　(1977- 男, 云南昆明人, 华中科技大学
国家数控系统工程技术中心硕士研究生, 研究方向为机电控制。
提升机液压制动系统状态测定技术
由兖州矿业(集团 公司兴隆庄煤矿研究的提升
机液压制动系统状态测定技术, 解决了目前国内对矿井提升机液压制动系统工作状态只能通过油压表
观察而不能精确测定记录的缺陷。在常用的传感变
送器件中, 电阻式具有测量范围大、测量精度高、动态性能好等优点, 所以测试选择了BPR 2Π15型应变电阻压力传感器, 自制了与液压系统55阀相匹配的探头, 选取了精度较高的Y JD 1和Y D 15型动态应变仪。此项成果用应变电阻压力传感器作为压力变送器件, 通过应变仪对信号放大处理, 经笔式记录仪或光纤示波器测定记录, 能够对提升机液压制动系统工作状态进行精确测定, 并且能够准确地判断故障的原因, 操作方便, 有效地避免了因液压系统故障造成的提升事故, 有着明显的社会效益和推广应用价值。
(李剑锋
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