采用DSP的多電機同步控制系統

朱偉興， 張 建

(江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇鎮江 212013)

0 引言

交流永磁同步電機以其高轉矩/慣性比、高功率等優點，在數控機床、工業機器人、醫用設備和火炮等軍工領域的應用已經十分廣泛。在實際的工業控制領域中，一條生產流水線通常由多臺電機驅動，能否實現多臺電機的協調工作，直接關系到生產的可靠性和產品質量，如何實現多電機的速度與位置同步控制已成為研究熱點。目前，在交流伺服控制系統中，開始采用各種新型、高性能的器件如數字信號處理器(DSP)、智能功率控制模塊等實現數字控制。

目前的主流控制方式有兩種。一是采用一臺DSP作為主控制器，外圍擴展則使用FPGA或者CPLD，這種方法開發難度大，開發周期長，對開發人員要求過高，且產品不利于一般企業尤其是小型企業的使用和維護。另一種方法則是使用多臺DSP對電機實行同步控制，該方式對DSP的實時性要求過高，且DSP相互之間可能產生的干擾過大，硬件電路復雜，制作困難。

鑒于以上兩種主流控制方式的局限性，迫切需要一種控制系統，即硬件電路制作相對簡單、穩定性好，且開發難度較低，有利于編程，可以被大多數工程人員所掌握和應用。因此，在這種背景下，本系統著眼于解決傳統控制系統開發難度大，開發周期長，硬件電路復雜，干擾過大的問題。

1 系統簡介

本系統采用了一塊TI公司推出的TMS320F2812 DSP加外圍電路來實現4臺交流伺服電機的位置與速度的同步控制。控制系統結構如圖1所示。

DSP中EVA模塊的定時器1的比較輸出引腳產生PWM波T1PWM來控制1號電機(主電機)的轉動，EVA模塊的定時器2的比較輸出引腳產生PWM波T2PWM來控制2號電機(從電機)的轉動，EVB模塊的定時器3的比較輸出引腳產生PWM波T3PWM來控制3號電機(從電機)的轉動，EVB模塊的定時器4的比較輸出引腳產生PWM波T4PWM來控制4號電機(從電機)的轉動。

系統的反饋信號即交流伺服電機轉子上的光電編碼器輸出信號，分別接入相應的解碼器HCTL_2021中，4路HCTL_2021解碼器的輸出信號并聯后接入DSP的GPIO口。DSP通過自帶的運算單元計算出實時的電機轉速和位置信息。以1號電機為主電機，其余3臺從電機跟隨主電機轉動。

圖1 控制系統結構

2 系統硬件設計

系統的硬件電路部分主要包括DSP最小系統電路、抗干擾電路、電平轉換電路和解碼電路等。

2．1 DSP 最小系統

DSP最小系統主要包括DSP微處理器、供電電源電路、時鐘晶振電路和時鐘復位電路等。這里需要注意的是，如果外界環境過于復雜、干擾過大，為了保證DSP系統有穩定的時鐘供應，最好采用有源時鐘。

2．2 抗干擾電路

由于工廠環境的復雜性，系統的穩定性和抗干擾能力成為了系統設計過程中必須重點考慮的問題。本系統多處使用光耦并采用雙電源供電，隔絕了系統和外部被控制電機之間的電聯系，很大程度上提高了系統的穩定性。本系統在4路DSP的PWM波的輸出端和電機反饋信號輸入端分別進行了光耦隔離。系統輸出端光耦連線圖如圖2所示。

圖2 系統輸出光耦

系統輸入端光耦連線圖如圖3所示。

圖3 系統輸入光耦

這樣系統內部產生的干擾不會隨PWM波的輸出傳遞給電機，電機產生的干擾也不會隨著電機的輸入傳遞給系統，達到了對干擾的隔離作用。

2．3 電平轉換電路

由于解碼器HCTL_2021和光耦輸出的信號均為5 V，而DSP的GPIO端口所能承受的電平為3.3 V，如果將HCTL_2021或光耦的輸出信號直接供給DSP，將會導致DSP使用壽命急劇縮短甚至燒壞。本系統充分考慮到了外部輸入信號電平問題，在解碼器HCTL_2021和輸入光耦的輸出端增加了電平轉換芯片SN74LVC4245A，該芯片的功能是將5 V輸入電平轉化為3.3 V輸出電平，從而彌補了外部電平過高，DSP難以承受的問題。電平轉換芯片SN74LVC4245A的連線圖見圖4。

圖4 電平轉換芯片

2．4 解碼電路

作為HCTL_2020的改良版，HCTL_2021在穩定性和抗干擾方面都有著突出的表現。OE引腳為解碼器使能端，當其為低電平時，解碼器處于工作狀態。RST引腳為解碼器清零端，當其為低電平時解碼器計數值清零。電機反饋的QEP編碼信號通過CHA、CHB輸入給解碼器CHTL_2021，解碼器在輸入時鐘驅使下每捕獲到一個正電平跳變，計數值就加1。當控制器來讀取數值時就通過數據總線 D0—D7輸出，輸出高低位選擇端SEL為0時，解碼器輸出高8位;輸出高低位選擇端SEL為1時，解碼器輸出低8位。為了最大限度的節省 DSP的 GPIO引腳，本系統將 4塊HCTL_2021并聯后接到 DSP的 GPIO口，DSP通過軟件設置分時讀取4塊HCTL_2021內的數值。解碼器連線如圖5所示。

3 同步控制算法的實現

圖5 HCTL_2021解碼器

由于同步控制涉及多個軸，因此多變量控制成為同步控制的主要控制方法。本系統選擇主從方式:1號伺服電機為主電機，2、3、4號伺服電機處于伺服控制中，它們各自的速度和位置由1號伺服電機的速度和位置所決定，也就是說，1號伺服電機軸起支配軸的作用，而2、3、4號伺服電機軸處于被支配地位，它們時刻跟蹤1號伺服電機軸的速度和位置信號。在同步控制系統運行過程中，2、3、4號伺服電機軸的轉速和位置信號變化必須跟隨1號伺服電機軸的速度和位置信號的變化，以此保證多伺服電機軸速度和位置的同步。在本系統中，采用位置控制方式，即用事件管理器模塊的定時器產生頻率可控的PWM波來控制伺服電機的伺服驅動器，伺服驅動器再根據位置控制命令對伺服電機進行伺服控制，PWM波的頻率控制電機的轉速，PWM波的個數控制電機轉過的位置。設多伺服電機軸編碼器輸出脈沖數偏差值為e(k)，在k時刻電機的實際反饋轉速分別為u1(k)、u2(k)、u3(k)、u4(k)。各伺服電機軸同步速度偏差值:

根據不同的設計要求可設定多伺服電機軸編碼器脈沖輸出數允許偏差值的最大變化范圍Δmax，當e(k)≤eM時，系統不需要進行調節控制，當e(k)＞eM時，需要進行調節控制。本系統PID控制器由TMS320F2812通過軟件實現，以TMS320F2812芯片中的CPU0定時器產生20 ms的定時中斷，在中斷程序中，計算這20 ms中各伺服電機的編碼器輸出脈沖數，然后將采集的各伺服電機軸的轉速和位置信號與1號伺服電機軸的轉速和位置信號進行比較，求出偏差值e(k)。模擬PID控制器中比例調節器，對偏差做出瞬間快速反應和補償。控制算法軟件流程，當e(k)＞eM時，調節器立即產生控制作用，使控制量朝著使偏差變小的方向變化，控制作用的強、弱取決于比例系數Kp，積分調節器的作用是把偏差累積的結果作為其輸出。在調節過程中，只要有偏差e(k)＞eM，積分器的輸出就會不斷變大，直至誤差e(k)＜eM輸出才能維持某一常量，使系統在速度指令信號不變的條件下趨于穩態。微分調節器的作用是阻止偏差的變化，偏差變化越快，微分調節器的輸出也越大。本系統的軟件處理采用增量式調節:

式中:Δu(k)——1號伺服電機控制量增量，其中i=2，3，4;

u1(k)、ui(k)、ui(k-1)、ui(k-2)——分別是k、k-1、k-2時刻1號伺服電機及i號電機軸的編碼器輸出脈沖采樣值;

Kp——比例系數;

Ki——積分系數，Ki=KpT∑i;

Kd——微分系數，Kd=KpT∑d;

T——采樣周期;

∑i——積分時間常數;

∑d——微分時間常數。

值得注意的是，此處eM(最大誤差量)需根據電機不同的運轉速度而設定不同的值，速度越高，eM的值應該越大，從而才能保證系統的穩定。

4 系統的軟件設計

本系統軟件實現程序按功能主要分為同步起動部分和采用了PID算法的自動糾正誤差部分。

4．1 同步起動程序設計

為了實現4臺電機在任意時刻的位置都是相同的，同步起動4臺電機成為了必然。電機每次轉到其固有零點時就會發出一條高電平信號Z，這就為實現4電機同步起動提供了可能。將4臺電機的Z信號輸出端分別接到DSP的4個捕獲引腳，當DSP的任意一個捕獲引腳捕捉到高電平跳變時，就立即停止該路的PWM波輸出，伺服電機就會立即停止在該電機的固有零點處。當4臺電機都停在各自的固有零點處時，延遲一定時間后，再同時起動，這樣就實現了多電機的同步起動。同步起動程序的流程圖如圖6所示。

4．2 采用了PID算法的自動糾正誤差程序

圖6 同步起動程序

電機在運轉過程中每轉一圈將輸出2 500個QEP編碼脈沖，將每一路編碼脈沖經過光耦隔離后送入到HCTL_2020的信號輸入端CHA、CHB進行解碼計數。HCTL_2020有 D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7 八個輸出端，一個復位端 RST，一個使能端OE，一個高低位選擇端SEL。本系統在軟件上采用中斷方式分時讀取GPIO上4塊計數器的計數結果。以讀取第一塊HCTL_2020芯片上的數據為例:配置DSP的CPU定時器0，使其每隔150 μs產生一次周期中斷TINT0，程序進入中斷讀取4塊計數器的計數結果。首先置計數器1的低電平有效使能端OE1=0(在此過程中禁止其余3塊芯片的使能端，分別置它們為1)，然后，先令其高低位選擇端SEL1=0，讀取該芯片的高8位;再令SEL1=1，再讀取其低8位，再將其轉化為十進制，保存到變量date1中。可以用類似的方法讀取其余3塊HCTL_2020上的數據，分別存放在變量date2、date3、date4中。特別注意:由于數字電路的電平轉換需要一定的時間，所以在改變控制信號的電平后需要延遲一定時間，等其真正穩定。由于電機轉速=60×電子齒輪比×輸入脈沖頻率/每個電機旋轉脈沖數，讀取電機轉速后根據上述公式將其轉化為脈沖頻率，分別保存在fq1、fq2、fq3、fq4中。本系統以第一臺電機為主電機，其余3臺電機為從電機，分別算出3臺從電機與主電機之間的脈沖頻率差值 Δfq1，Δfq2，Δfq3，然后將差值送入PID函數中進行調節。再將PID調節返回值送入控制器輸入部分，調節PWM波輸出的頻率。糾正誤差的程序流程如圖7所示。

圖7 自動糾正誤差程序

5 系統運行試驗結果

系統硬件和軟件調試完成后，選擇韓國MECPAPION公司的交流伺服電機，依照廠方產品設計要求確定了4臺伺服電機的型號分別為APM-SE12MDK、APM-SE09MDK、APM-SE09MDK、APM-SE06MDK，并在負載條件下進行了不同轉速的同步運行試驗。根據系統的精度要求，運行參數的設置分別為eM=6;n1=200 r/min;eM=6，n1=300 r/min;eM=8，n1=400;eM=10，n1=500 r/min;eM=15，n1=800 r/min;eM=15，n1=900 r/min;eM=20，n1=1 000 r/min。試驗結果表明該系統穩定、可靠、安全，運行狀態良好，完全可以實現設計目標的要求。

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