基于DSP 控制的10 路伺服電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

化雪薈

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528000）

0 引言

國內(nèi)外自動(dòng)測試系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用，但是在民用方面上相對應(yīng)用較少，自動(dòng)檢測系統(tǒng)在工業(yè)上應(yīng)用非常廣泛，對工業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)、檢測、工藝的改進(jìn)都有極大的促進(jìn)作用。在民用自動(dòng)測試系統(tǒng)模塊主要有ADC采樣、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)參數(shù)的測量、光電隔離繼電器輸出控制接口、視頻檢測等模塊。本文主要集中討論多路伺服電機(jī)的控制模塊的開發(fā)和應(yīng)用，在理論研究的基礎(chǔ)上，采用DSP控制芯片實(shí)現(xiàn)了10路松下A6交流伺服電機(jī)控制，給出了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，部分電路原理圖和軟件部分的控制策略，最后完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在某企業(yè)的智能窗簾導(dǎo)軌與機(jī)頭壽命測試系統(tǒng)中應(yīng)用，證實(shí)了該控制系統(tǒng)的有效性［1-4］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

10路伺服電機(jī)系統(tǒng)采用測速環(huán)、位置環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)三環(huán)控制，其中位置環(huán)的給出信號為測速環(huán)給入信號，測速環(huán)給出信號為轉(zhuǎn)矩環(huán)給入信號，系統(tǒng)控制圖如圖1 所示。系統(tǒng)采用魯棒PID控制對外部干擾進(jìn)行補(bǔ)償，提高動(dòng)態(tài)性能，消除波動(dòng)，同時(shí)消除電機(jī)定位時(shí)出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象［5-6］。

圖1 控制系統(tǒng)圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)模塊

10路伺服電機(jī)控制系統(tǒng)包括主控芯片、USB 模塊、總線模塊、伺服驅(qū)動(dòng)、PWM 輸出、DAC 模塊、ADC 模塊、電源模塊等內(nèi)容。

（1）DSP控制模塊

DSP芯片采用的TMS320F28379D是32 位浮點(diǎn)微控制器單元，芯片為新型雙核架構(gòu)，每個(gè)內(nèi)核頻率為200 MHz，F(xiàn)lash存儲1 MB，有4個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），可控制24 個(gè)外部通道，8個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）；增強(qiáng)型控制外設(shè)，24 條PWM通道，6個(gè)eCAP 模塊，3 個(gè)eQEP 模塊；并有標(biāo)準(zhǔn)SDFM 數(shù)據(jù)濾波器；通信采用USB2.0模式。DSP控制系統(tǒng)圖如圖2所示。

（2）IO總線擴(kuò)展模塊

TCA6424是低壓24位I2C和帶中斷輸出復(fù)位和配置寄存器的SMbus I/O擴(kuò)展器。ADG3308是一款雙向電平轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置8個(gè)雙向通道，器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)允許執(zhí)行雙向電平轉(zhuǎn)換，可用于多電壓數(shù)字系統(tǒng)。在本系統(tǒng)中主要作用是DSP控制器與高壓器件之間的數(shù)據(jù)傳輸。IO總線擴(kuò)展原理圖如圖3所示。

1.2 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)（servo motor）是一種應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)種的控制電機(jī)，它的輸出參數(shù)為位置、速度、加速度或轉(zhuǎn)矩等。伺服電機(jī)可使控制速度、位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機(jī)現(xiàn)在基本上分無刷直流和交流伺服兩種，本文伺服電機(jī)型采用松下A6MBDLT25SF型號，這個(gè)型號電機(jī)的驅(qū)動(dòng)波形是無刷直流電機(jī)，是梯形波，無刷直流電機(jī)也可以叫永磁無刷同步電機(jī)。輸入電壓200 ～240 V，功率0.4 kW，最大電流值20 A，頻率250 Hz，最大通信16 000次/s，轉(zhuǎn)速3 000 r/min，轉(zhuǎn)矩1.27 N，驅(qū)動(dòng)器速度響應(yīng)性3.2 kHz，電機(jī)絕對編碼器精度23 bit（8/Mp/r），通信周期最快為0.062 5 ms，具有高精度位置比較和無限運(yùn)轉(zhuǎn)絕對式功能［7-8］。松下A6 伺服電機(jī)機(jī)械特性曲線如圖4所示。

圖2 DSP控制系統(tǒng)圖

圖3 IO總線擴(kuò)展原理圖

圖4 松下A6 伺服電機(jī)機(jī)械特性曲線

2 軟件設(shè)計(jì)

多核DSP下位機(jī)啟動(dòng)后首先進(jìn)行DSP多核初始化，然后進(jìn)行盤內(nèi)資源（如定時(shí)器、PWM、CAP 等功能模塊）初始化。驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊，初始化擴(kuò)展功能模塊（電機(jī)控制、功率檢測、ADC采樣等）。然后進(jìn)行授權(quán)控制并進(jìn)入系統(tǒng)任務(wù)對各項(xiàng)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)度［9-11］。數(shù)據(jù)發(fā)送需要經(jīng)過數(shù)據(jù)封裝、數(shù)據(jù)加密、然后發(fā)送出去。數(shù)據(jù)接收需要進(jìn)行數(shù)據(jù)解密，數(shù)據(jù)解析，然后根據(jù)解析的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的控制或功能。

軟件根據(jù)上位機(jī)發(fā)來的指令（數(shù)據(jù)解析得到）進(jìn)行多核處理，實(shí)現(xiàn)高速高效的實(shí)時(shí)控制，如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程

部分程序如下：

void Widget：：setDcDataSlot （）

｛

int i，j；

int dval；

int index；

int vmin，vmax；

/ / 數(shù)據(jù)濾波

index ＝ 0；

if（usb.dcCnt ＜ 3）

｛

/ / 均值濾波

if （usb.dcCnt）

｛

for （i ＝0；i ＜ 14；i+ ＝ usb.dcCnt）

｛

dval ＝ 0；

for （j ＝0；j ＜ usb.dcCnt；j++ ）

｛

dval + ＝ usb.dcBuf ［j］［i］；

｝

usb.dcResBuf［index］＝ （（（double）

（dval））/usb.dcCnt）*3*dcScaleDef

［index］/4096；

index++；

｝

usb.rxSize ＝ index；

｝

｝

else

｛

/ / 去毛刺+均值濾波

for （i ＝0；i ＜ 14；i++）

｛

dval ＝ usb.dcBuf ［0］［i］；

vmin ＝ usb.dcBuf ［0］［i］；

vmax ＝ usb.dcBuf ［0］［i］；

for （j ＝1；j ＜ usb.dcCnt；j++ ）

｛

if （vmin ＞ usb.dcBuf ［j］［i］）

vmin ＝ usb.dcBuf ［j］［i］；

if （vmax ＜ usb.dcBuf ［j］［i］）

vmax ＝ usb.dcBuf ［j］［i］；

dval + ＝ usb.dcBuf ［j］［i］；

｝

usb.dcResBuf［i］＝ （（（double）（dval-vmin

-vmax））/（usb.dcCnt-2））*3*dcScaleDef

［i］/4096；

｝

｝

this- ＞test.dcFlag ＝ 1；

｝

3 通信協(xié)議制定

由于數(shù)據(jù)傳輸量大，USB 通信采用BULK 模式，網(wǎng)絡(luò)通信采用UDP傳輸，這些通信模式都是無校驗(yàn)的通信。為了保證數(shù)據(jù)傳輸過程中的可靠性以及正確性，通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸以及校驗(yàn)。

（1）通訊模式

USB通訊采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議USB2.0，通訊模式采用BULK模式以方便大量數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)傳輸采用TCP/IP 以太網(wǎng)協(xié)議，數(shù)據(jù)通訊采用UDP傳輸以方便大量數(shù)據(jù)快速傳輸。

（2）數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

由于上位機(jī)和下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有不同的用途，為了區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的具體用途和控制數(shù)據(jù)的可靠傳輸，制定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議［12-13］。

報(bào)文格式：報(bào)文頭+報(bào)文內(nèi)容+校驗(yàn)和；報(bào)文頭：數(shù)據(jù)收發(fā)的第1 ～6字節(jié)，固定格式和長度。格式如下：

【Command】+ 【status】+ 【packageCnt】+ 【size】

【Command】為指令碼，數(shù)據(jù)第1 字節(jié)，指定數(shù)據(jù)用途；【Status】為狀態(tài)，數(shù)據(jù)第2 字節(jié)，標(biāo)記當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，用于控制傳輸以及數(shù)據(jù)校驗(yàn)和應(yīng)答，接收端根據(jù)此狀態(tài)進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的重發(fā)、判斷數(shù)據(jù)是否傳輸完成等操作；【packageCnt】為數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)，數(shù)據(jù)第3 ～4 字節(jié)，傳輸大數(shù)據(jù)時(shí)用于數(shù)據(jù)索引，應(yīng)用程序可以根據(jù)此索引按順序還原數(shù)據(jù)；【size】為數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)第5 ～6字節(jié)，不包含前6 字節(jié)和最后字節(jié)的數(shù)據(jù)長度。

報(bào)文內(nèi)容：【Content】為報(bào)文內(nèi)容，數(shù)據(jù)第7 ～63（網(wǎng)絡(luò)傳輸7 ～1455）字節(jié)，二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)。

校驗(yàn)和：【checksum】，報(bào)文內(nèi)容【Content】最后一個(gè)字節(jié)的下一個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)男ｒ?yàn)和，用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸是否正確。

報(bào)文封裝如下：

【Command】 + 【status】 + 【packageCnt】 + 【size】 +【Content】+ 【checksum】

報(bào)文傳輸長度：6 +size+1。

（3）數(shù)據(jù)加密解密

考慮到數(shù)據(jù)的安全問題，主控器（PC 上位機(jī)）與實(shí)時(shí)測控器（多核DSP下位機(jī)）的數(shù)據(jù)傳輸采用密文形式傳輸。需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，經(jīng)過加密算法進(jìn)行加密，之后將加密的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝發(fā)送。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，經(jīng)過解密算法進(jìn)行解密，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，根據(jù)解析的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的操作。

（4）數(shù)據(jù)封裝和解析

數(shù)據(jù)封裝：經(jīng)過加密的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)封裝將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的報(bào)文格式進(jìn)行發(fā)送。數(shù)據(jù)解析：經(jīng)過解密的接受數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)解析進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，根據(jù)解析內(nèi)容實(shí)現(xiàn)各種操作和功能。

（5）系統(tǒng)授權(quán)

為了控制系統(tǒng)軟件的版權(quán)問題以及控制系統(tǒng)使用時(shí)間，采用授權(quán)文件的方式進(jìn)行授權(quán)管理。授權(quán)文件通過3 層授權(quán)算法生成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件授權(quán)管理。第一層授權(quán)算法，采集PC電腦CPU、硬盤、主板的序列號，采集DSP 芯片的UID以及掛接的各模塊的ID以及控制時(shí)間等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)變換生成第一層密文。第二層授權(quán)算法，將第一層密文進(jìn)行隨機(jī)分布算法打亂，然后進(jìn)行第二層數(shù)據(jù)變換形成第二層密文。第三層授權(quán)算法，將第二層密文進(jìn)行MD5轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)再次進(jìn)行隨機(jī)分布算法打亂，生成第三層密文并生成授權(quán)文件。

4 結(jié)束語

圖6 已產(chǎn)業(yè)化的某款智能窗簾機(jī)頭壽命測試系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

本系統(tǒng)作為全自動(dòng)檢測裝置的前期階段，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的控制10路伺服電機(jī)，并對控制系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，后期會繼續(xù)開發(fā)視頻檢測等功能模塊。如圖6 所示，目前該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某企業(yè)開發(fā)的智能窗簾導(dǎo)軌與機(jī)頭壽命測試中，能動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)導(dǎo)軌和窗簾機(jī)頭的工作過程，信息顯示區(qū)實(shí)時(shí)顯示產(chǎn)品運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行次數(shù)、機(jī)頭開合次數(shù)、測試時(shí)間內(nèi)異常次數(shù)等數(shù)據(jù)，并智能統(tǒng)計(jì)異常點(diǎn)電機(jī)的電壓、電流、功率、功率因數(shù)、距離、速度等參數(shù)，為工作人員進(jìn)行故障分析提供數(shù)據(jù)。