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通用交流伺服控制模块的设计

发布时间:08-31
设计的交流伺服控制系统具有抗干扰能力强、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交流伺服控制的要求,设计了两路并行通用数字交流伺服控制模块.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)构成本模块酌数字lAD电路.采用此模块控制两路相同或不同的对象,只需由软件包中调用相应的交流伺服控制软件厦相应的构成数字I/O电路的ISP下载软件.设计的交流伺服控制系统具有抗干扰能力强、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:开放式系统;伺服控制;在系统可编程技术;数字I/0电路 通用PC机技术的高速发展,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/价格比的大幅度提高,由DSP为核心的通用数字交流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具有高速数据处理能力、修正的啥佛结构和强大的指令系统?1,所以非常适合于执行现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基础,使我们可以通过软件控制模块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、控制灵活、智能化、参数易于修改、无零漂等特点. 1?通用DSP数字交流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:①?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;②高可靠性、高抗干扰能力及高性能/价格比;③?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交流伺服控制模块组成,并行控制两台交流伺服电机.该模块集成了DSP最小系统、ISP器件、A/D器件、高速光耦等.采用此模块,只须针对不同的控制对象,由交流伺服控制软件及根据I/o要求设计的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33.3x?l06次的浮点运算速度?1.采用DSP数字交流伺服控制模块的原因是,多坐标联动数控系统需要每隔8oμs对多个轴的交流伺服电机进行一次同步数据采样,进行电流、转速、转子位置的闭环控制,且每隔80μs同步发出一组PWM控制信号,即在80μs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.如果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. 1.1控制策略现代交流伺服系统对控制的要求是响应快、精度高、转矩脉动小,而实现交流电机瞬时转矩的高性能控制,则成为满足这些要求的关键因索.因此,现代高精度交流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L3-5?J.这两种控制不同于早期变频调速系统仅按交流电机稳态运行规律进行的平均值控制,它们完全不考虑电磁过渡过程的控制方法,而是根据电机的瞬时特性进行控制,从而使控制系统的动、静态特性都有很大提高.从交流伺服系统的发展现状看,这两种控制理论各有其特长,应用也不尽相同.对同步电机的控制,尤其对交流永磁同步电机的控制,主要采用磁场定向控制方法.这种方法具有控制结构简单、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,这主要是因为对异步电机进行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精确数学模型基础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,特别是在低速运行状态下,参数对二者控制性能的影响均较大.因为智能控制具有无需对象的精确数学模型.可以在处理不精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,能够充分发挥二者的优点,使控制性能获得较大提高. 1.2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I/O电路、智能控制、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结构的复杂性,提高通用性及可靠性,由ISP器件设计了单片I/o硬件电路.在实际应用中,只需调用与控制对象有关的数字I/o电路软件及相应的控制软件,便可组成全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. 1.3DSP数宇交流伺服控制模块夏控制系统结构由于所用伺服电机是交流永磁同步伺服电机,所以实验中采用的控制模块为智能磁场定向控制模块,其系统结构图如图l所示.模块的工作原理是:A/D、ISP将定子电流、转子位置、转子速度等反馈信号转换成数字信号,由DSP对这些数字信号进行采样,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行控制计算.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交流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,只需对软件进行修改便可.


2?通用单片数字I/o本文介绍适用于交流永磁同步伺服电机、由ISP器件组成的单片数字I/O电路.设计中采用Lattice公司的ISP器件ISPLSI1032一舳设计数字I/O电路,用于电机转速、转子位置反馈信号的测量及形成PWM?信号.该器件的集成规模为6?000个PLD等效门.一片ISP器件可以容纳整个数字I/O电路.因为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I/0电路做在单片ISP器件上,抗干扰性能和可靠性比由分离器件构成的电路有极大的提高. 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,因而常用于电机转速、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I/O电路的结构如图2所示. 单片数字I/O电路由5部分组成:①数字四倍频电路;②地址译码器;③?转子位置测量电路;④PWM?信号产生电路;⑤?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60?m,宽度调节以60?ns的倍数增加. 地址译码器是将DSP发出的地址信号、读/写(R/W)信号、扩展总线IO(IOSTRB)信号译码,作为片选信号.以控制单片数字I/O电路内相应电路的读/写.同时.片选信号还送至外部A/D器件.供DSP对A/D进行读操作. 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I/O单元作为输出时具有三态缓冲特性[sup][6]?[/sup],利用其中的14个I/O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,进行时序及脉冲宽度调后,按顺序分别输出转子瞬时位置锁存、A/D采样及转换、中断请求等信号?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.避免相同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M/T)测速法,其测量原理如图3所示. [align=center][/align] 变M/T测速法的原理是:在测速过程中,不仅被测的四倍频测速脉冲信号的频率?f[sub]m[/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将始终等于f[sub]m[/sub]?的M[sub]p[/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?f[sub]m[/sub]的计数值M[sub]p[/sub],就可以确定电机的转速.时间T可由计数器2对频率为f[sub]c[/sub]?的高频时钟脉冲计数所得的计数值M[sub]c[/sub]获得,T=M[sub]c[/sub]/f[sub]c[/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。则转速的计算公式为?n=600/(2?T)=60f[sub]c[/sub]M[sub]p[/sub]/(4NMc?)(r/min). 在速度测量电路中,由ISP器件的29个I/0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?1’)同时锁存至数据锁存器中,然后发出中断请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,并开始新一轮计数.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,保证电路能够准确无误地传递数据. 3?实验结果用所设计的DSP数字交流伺服控制模块在交流永磁同步电机上进行了实验,所用电机型号为MFA15OMB5,额定输出功率为1.5?kW,额定电流f=7.5?A,额定转速”:2?000?r/min,编码器脉冲为2?500?p/r(P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500?r/min的速度响应.实验结果表明,所设计的DSP数字交流伺服控制模块达到了设计要求.


4?结论本文介绍的通用DSP数字交流伺服控制系统具有抗干扰能力强、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、结构紧凑、便于维修调试、适用于多种控制对象的特点,不仅可用于交流同步、异步电机控制,在控制软件上加以扩充也可用于直流电机、步进电机及交流直线电机的控制.单片数字I/O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交流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A/D器件、高速光耦等.在实验的基础上,用所设计的模块在多坐标联动数控系统中进行了试运行.运行结果表明,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达到设计要求.
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