基于DSL的電動運動平臺控制系統設計

黃志軍

摘 要：摘要：為了給原有設備進行數字化改進積累經驗，在消化積累的基礎上，進行了基于DSP的電動運動平臺控制系統設計，對運動控制系統的全數字控制軟硬件設計基本思路和方法進行了探索。特別是控制策略的優化組合，對彌補系統設計缺陷，提高控制精度，有了更大的促進。

關鍵詞：電動運動平臺 控制技術 系統設計

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（c）-0025-02

隨著電子電力技術和功率器件的發展，特別是DSP芯片技術和具有先進控制策略的交流電機伺服系統的快速發展為運動控制技術的廣泛應用提供了便利。該文通過對已有運動平臺控制系統基本功能的深入研究，在消化、分析基于DSP運動控制理論和案例的基礎上，設計了電動運動平臺數字控制系統。

1 系統硬件設計

系統以精選 的DSP芯片作為控制核心，以智能功率模塊（IPM模塊）為逆變器，以霍爾電流傳感器和絕對式光電編碼器為反饋，來實現對伺服系統的全數字控制。

1.1 DSP芯片

DSP芯片選用的TMS320F2812是32位定點數字信號處理器（DSP）芯片。該芯片每秒可以執行150 M條指令，具有強大的運算速度和數據處理能力；存儲器資源包括：片內POM 128 k×16 b ，片內數據存儲器SARAM18 k×16 b、片內FLASH程序存儲器128 k×16 b、片上Boot ROM4 k×16 b，1 k×16 b的一次可編程存儲器OTP。同時集成豐富的外設資源，主要包括ADC模塊（模數轉換模塊）、EV模塊（事件管理器模塊）、SPI模塊（串行外設接口模塊）、串行SCI模塊（通信接口模塊）、CAN控制器模塊（eCAN）等。

1.2 檢測電路

在選擇檢測電路傳感器時，考慮到系統運行環境惡劣，采用了結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽等物質污染或腐蝕，且抗外磁場干擾能力強的霍爾電流傳感器。霍爾電流傳感器在運用時可以根據三項電流之和等于零的原理，只采用三相中的A、B兩相即可知第三相，并將得到的信號進行調制轉換變成0～3.3 V，成為DSP的A/D口所能接受的電壓范圍，再經反饋電路提供給DSP進行處理。

光電編碼器選用的是絕對式光電編碼器進行位置信號采集的。絕對式光電編碼器具有其機械位置決定的每一個位置信息的唯一性，它不需要存儲記憶，不需要確立參考點，而且能持續計數，什么時候需要知道位置信息，就即時去讀取采集。絕對式編碼器這種抗干擾特性，既提高了數據的可靠性，又確保了系統的安全和控制精度。

1.3 主電路部分

主電路由單相全控整流橋和IPM模塊組成，采用的電路是AC/DC/AC電壓源變頻變壓電路，其中智能模塊IPM是將一般功率開關器件及其驅動電路的保護電路、檢測電路、與微控制器的接口電路集成在一起進行封裝的智能模塊，其開關頻率很高，通態損耗比較低。由于采用運行高速且低功耗的管芯、快速保護電路和后門極經過優化的驅動電路構成，即使在負載產生故障或操作使用不當時，也能保證IPM模塊自身不受損壞。這些特性不僅使電路設計構成簡化，而且可靠性也比單純IGBT（是一種用MOS來控制晶體管的新型電力電子器件）構成的電路高，因此，IPM智能模塊是電子電力器件中非常理想的器件之一。同時，在電路設計中為了防止電路之間相互干擾，主電路和控制電路之間采用了光耦隔離，即IPM的PWM驅動信號電路和輸出保護電路均采用了高速光耦隔離，確保電路抗干擾性。

1.4 交流伺服系統

經過比對研究選用永磁同步電機作為系統的執行單元。隨著微電子技術、電機新控制理論和永磁稀土材料的發展，同步永磁電機被迅速應用推廣。由于稀土永磁同步電機以永磁體提供勵磁，省去了易出問題的電刷和集電環，使電機結構簡單，制作成本低、損耗少、發熱量小、節電效果明顯、運行功率效率和可靠性高，且牽引力和允許過載電流大、免潤滑油、免維護。同時，永磁同步電機在輪軸上可以被整體安裝，成為一個整體的直驅系統，這樣單個輪軸即可成為一個獨立的驅動單元，改變了以前采用的交流傳動方式，即需要一個變速齒輪機構將電機的轉距傳送到輪軸上的工作方式，原先的傳動齒輪箱被省去，使設備構造簡化，大大提高了系統的可靠性和可維護性。

隨著電子電路的集成度增高，交流伺服系統的控制方式也迅速轉向數字控制方向，硬件伺服也逐步改為軟件伺服。在軟伺服中，控制策略起著至關重要的作用，直接決定交流伺服系統控制性能的優略，并在系統運行中可以彌補由于硬件設計不夠優化帶來的不足。高性能交流伺服系統控制策略表現為：不但要使系統具有快的動態響應和高的動、靜態精度，而且系統要對參數的變化和擾動具有不敏感性。目前，永磁同步電機的控制策略分為：傳統型控制策略，如經典pid控制、開環轉速恒壓頻比（u/f=常數）控制、矢量控制（磁場定向控制）等；現代控制策略，如自適應控制、滑模變結構控制、直接轉矩控制、非線性反饋線性化理論等；智能控制策略，如模糊控制、神經網絡控制等。

該設計在比對已有較成功的控制策略案例后，根據自身運動平臺的運行控制特性，采用了現代控制策略中的滑模變結構控制策略。滑模變結構控制策略SMVSC是一款高速切換反饋式控制策略，由于滑模面是固定的，可以預先設計滑模運動特性，因此系統對于外部干擾和參數變化不是太敏感，是一種具有很強魯棒性的控制方法，這既滿足了精度要求，又提高了控制系統的抗干擾能力。

2 軟件部分設計

運動控制系統的軟件運行主要是由上位機和DSP器件兩部分硬件保障完成的。上位機可以為系統提供功能調用函數庫等程序，DSP執行運動平臺系統的控制包括位置控制、開關量控制和插補、速度處理等，此類任務具有很強的操作實時性，所以選擇實時操作系統為VxWorks的實時操作計算機為上位機，用C語言編制用于系統調用的庫函數。DSP開發工具采用的是AD公司提供的VisualDSP集成開發環境，用C語言和匯編語言混合編寫DSP代碼。

整個軟件系統具有管理和控制兩大任務功能，在實際運行中功能軟件的優先級不同。為了使系統軟件設計優化，功能結構明晰，軟件采用層次化和模塊化設計思路，主要分為三個層次。

2.1 主控制層

負責優先級處理、中斷安排、任務調度和時間處理等，主控層包括的主函數和中斷函數調用算法層的函數來實現系統的各個功能。

2.2 控制算法層

負責控制算法運算，用以實現運動控制、速度控制和系統管理等功能。按功能進行模塊劃分，各模塊之間通過標志位來聯系，不互相調用。

2.3 接口層程序

負責與其他硬件的接口，包括DSP 硬件資源的定義、系統硬件的驅動等，所有與外設有關的操作都在接口層進行。程序設計時明確界定系統其它層的程序，禁止直接操作外設。

其中，DSP程序分為主程序部分、中斷程序部分和加減速控制程序三個組成部分。在軟件運行中，主程序就是一個主循環，在不運行中斷程序時，都在執行主程序即主循環。具體操作流程為主程序首先進行初始化設置運動控制卡，外設復位和關閉其它輸出操作，然后進入等待中斷服務和主循環的過程。在檢測到上位機命令后，DSP從RAM中讀取命令并進行相應命令的處理，處理完后系統又進入了主循環和等待中斷的運行狀態。

3 結語

該文創新點是嘗試將數控技術作為運動控制的核心并加以運用，經過不斷試用調整，達到了預期研制目的，為后續設備的數字化改進積累了經驗并奠定了技術基礎。

參考文獻

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