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基于DSL的电动运动平台控制系统设计

   随着电子电力技术和功率器件的发展,特别是DSP芯片技术和具有先进控制策略的交流电机伺服系统的快速发展为运动控制技术的广泛应用提供了便利。该文通过对已有运动平台控制系统基本功能的深入研究,在消化、分析基于DSP运动控制理论和案例的基础上,设计了电动运动平台数字控制系统。 
  1 系统硬件设计 
  系统以精选 的DSP芯片作为控制核心,以智能功率模块(IPM模块)为逆变器,以霍尔电流传感器和绝对式光电编码器为反馈,来实现对伺服系统的全数字控制。 
  1.1 DSP芯片 
  DSP芯片选用的TMS320F2812是32位定点数字信号处理器(DSP)芯片。该芯片每秒可以执行150 M条指令,具有强大的运算速度和数据处理能力;存储器资源包括片内POM 128 k×16 b ,片内数据存储器SARAM18 k×16 b、片内FLASH程序存储器128 k×16 b、片上Boot ROM4 k×16 b,1 k×16 b的一次可编程存储器OTP。同时集成丰富的外设资源,主包括ADC模块(模数转换模块)、EV模块(事件管理器模块)、SPI模块(串行外设接口模块)、串行SCI模块(通信接口模块)、CAN控制器模块(eCAN)等。 
  1.2 检测电路 
  在选择检测电路传感器时,考虑到系统运行环境恶劣,采用了结构牢固,体积小,重量轻,寿命长,安装方便,功耗小,频率高(可达1MHZ),耐震动,不怕灰尘、油污、水汽等物质污染或腐蚀,且抗外磁场干扰能力强的霍尔电流传感器。霍尔电流传感器在运用时可以根据三项电流之和等于零的原理,只采用三相中的A、B两相即可知第三相,并将得到的信号进行调制转换变成0~3.3 V,成为DSP的A/D口所能接受的电压范围,再经反馈电路提供给DSP进行处理。 
  光电编码器选用的是绝对式光电编码器进行位置信号采集的。绝对式光电编码器具有其机械位置决定的每一个位置信息的唯一性,它不需存储记忆,不需确立参考点,而且能持续计数,什么时候需知道位置信息,就即时去读取采集。绝对式编码器这种抗干扰特性,既提高了数据的可靠性,又确保了系统的安全和控制精度。 
  1.3 主电路部分 
  主电路由单相全控整流桥和IPM模块组成,采用的电路是AC/DC/AC电压源变频变压电路,其中智能模块IPM是将一般功率开关器件及其驱动电路的保护电路、检测电路、与微控制器的接口电路集成在一起进行封装的智能模块,其开关频率很高,通态损耗比较低。由于采用运行高速且低功耗的管芯、快速保护电路和后门极经过优化的驱动电路构成,即使在负载产生故障或操作使用不当时,也能保证IPM模块自身不受损坏。这些特性不仅使电路设计构成简化,而且可靠性也比单纯IGBT(是一种用MOS来控制晶体管的新型电力电子器件)构成的电路高,因此,IPM智能模块是电子电力器件中非常理想的器件之一。同时,在电路设计中为了防止电路之间相互干扰,主电路和控制电路之间采用了光耦隔离,即IPM的PWM驱动信号电路和输出保护电路均采用了高速光耦隔离,确保电路抗干扰性。 
  1.4 交流伺服系统 
  经过比对研究选用永磁同步电机作为系统的执行单元。随着微电子技术、电机新控制理论和永磁稀土材料的发展,同步永磁电机被迅速应用推广。由于稀土永磁同步电机以永磁体提供励磁,省去了易出问题的电刷和集电环,使电机结构简单,制作成本低、损耗少、发热量小、节电效果明显、运行功率效率和可靠性高,且牵引力和允许过载电流大、免润滑油、免维护。同时,永磁同步电机在轮轴上可以被整体安装,成为一个整体的直驱系统,这样单个轮轴即可成为一个独立的驱动单元,改变了以前采用的交流传动方式,即需一个变速齿轮机构将电机的转距传送到轮轴上的工作方式,原先的传动齿轮箱被省去,使设备构造简化,大大提高了系统的可靠性和可维护性。 
  随着电子电路的集成度增高,交流伺服系统的控制方式也迅速转向数字控制方向,硬件伺服也逐步改为软件伺服。在软伺服中,控制策略起着至关重的作用,直接决定交流伺服系统控制性能的优略,并在系统运行中可以弥补由于硬件设计不够优化带来的不足。高性能交流伺服系统控制策略表现为不但使系统具有快的动态响应和高的动、静态精度,而且系统对参数的变化和扰动具有不敏感性。目前,永磁同步电机的控制策略分为传统型控制策略,如经典pid控制、开环转速恒压频比(u/f=常数)控制、矢量控制(磁场定向控制)等;现代控制策略,如自适应控制、滑模变结构控制、直接转矩控制、非线性反馈线性化理论等;智能控制策略,如模糊控制、神经网络控制等。 
  该设计在比对已有较成功的控制策略案例后,根据自身运动平台的运行控制特性,采用了现代控制策略中的滑模变结构控制策略。滑模变结构控制策略SMVSC是一款高速切换反馈式控制策略,由于滑模面是固定的,可以预先设计滑模运动特性,因此系统对于外部干扰和参数变化不是太敏感,是一种具有很强鲁棒性的控制方法,这既满足了精度求,又提高了控制系统的抗干扰能力。 
  2 软件部分设计 
  运动控制系统的软件运行主是由上位机和DSP器件两部分硬件保障完成的。上位机可以为系统提供功能调用函数库等程序,DSP执行运动平台系统的控制包括位置控制、开关量控制和插补、速度处理等,此类任务具有很强的操作实时性,所以选择实时操作系统为VxWorks的实时操作计算机为上位机,用C语言编制用于系统调用的库函数。DSP开发工具采用的是AD公司提供的VisualDSP集成开发环境,用C语言和汇编语言混合编写DSP代码。 
  整个软件系统具有管理和控制两大任务功能,在实际运行中功能软件的优先级不同。为了使系统软件设计优化,功能结构明晰,软件采用层次化和模块化设计思路,主分为三个层次。 
  2.1 主控制层 
  负责优先级处理、中断安排、任务调度和时间处理等,主控层包括的主函数和中断函数调用算法层的函数来实现系统的各个功能。 
  2.2 控制算法层 
  负责控制算法运算,用以实现运动控制、速度控制和系统管理等功能。按功能进行模块划分,各模块之间通过标志位来联系,不互相调用。 
  2.3 接口层程序 
  负责与其他硬件的接口,包括DSP 硬件资源的定义、系统硬件的驱动等,所有与外设有关的操作都在接口层进行。程序设计时明确界定系统其它层的程序,禁止直接操作外设。 
  其中,DSP程序分为主程序部分、中断程序部分和加减速控制程序三个组成部分。在软件运行中,主程序就是一个主循环,在不运行中断程序时,都在执行主程序即主循环。具体操作流程为主程序首先进行初始化设置运动控制卡,外设复位和关闭其它输出操作,然后进入等待中断服务和主循环的过程。在检测到上位机命令后,DSP从RAM中读取命令并进行相应命令的处理,处理完后系统又进入了主循环和等待中断的运行状态。 
  3 结语 
  该文创新点是尝试将数控技术作为运动控制的核心并加以运用,经过不断试用调整,达到了预期研制目的,为后续设备的数字化改进积累了经验并奠定了技术基础。 
  参考文献 
  1 潘新禄.十字路口交通灯plc控制的设计J.大众科技,2012(6)13-14. 
  2 高雁翔.用PLC实现对立体仓库的控制J.太原城市职业技术学院学报,2010(10)176-177. 
  3 魏杏林.分析摩擦压力机通用模架的设计J.科技创新与应用,2012(26)47.