基于DSP的交流隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：DSP56FS07芯片采用了不同于通用CPU和MCU的特殊軟硬件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了高速的數(shù)字處理以及實(shí)時(shí)地進(jìn)行系統(tǒng)控制。作為控制電機(jī)的專用產(chǎn)品，許多片內(nèi)外設(shè)的功能設(shè)置大大簡(jiǎn)化了電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。文章通過隨動(dòng)控制器串口的設(shè)計(jì)、限位及制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)過程介紹了DSP56 F807的應(yīng)用。

1 隨動(dòng)系統(tǒng)的組成及功能簡(jiǎn)介

交流隨動(dòng)系統(tǒng)由交流電機(jī)、交流伺服驅(qū)動(dòng)器、隨動(dòng)控制器、編碼器(旋轉(zhuǎn)變壓器)、減速器等部分組成。如圖1所示。

隨動(dòng)控制器是由DSP芯片為核心擴(kuò)展而成的。它可以接收上位機(jī)傳送的給定位置信息與編碼器采集的實(shí)際位置信息，通過前饋PID控制算法，輸出模擬電壓量送入驅(qū)動(dòng)器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的控制?？刂破骺梢圆杉S動(dòng)轉(zhuǎn)塔的鎖定信號(hào)和限位信號(hào)，并控制隨動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

驅(qū)動(dòng)器是專為交流電機(jī)設(shè)計(jì)的，內(nèi)部嵌有交流電機(jī)控制算法、與交流電機(jī)編碼器構(gòu)成速度環(huán)和電流環(huán)，可以利用其RS-232串口對(duì)其內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，比如最大加速度的設(shè)置以保證系統(tǒng)的響應(yīng)特性;還可以接收驅(qū)動(dòng)器使能信號(hào)，當(dāng)使能信號(hào)為高時(shí)，控制電機(jī)鎖緊，當(dāng)使能信號(hào)為低時(shí)，控制電機(jī)與減速器解脫鎖緊。

交流電機(jī)是隨動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)器輸出三相交流電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過減速器，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的位置控制。

制動(dòng)器是用于在某些工作狀態(tài)或故障狀態(tài)時(shí)，為保護(hù)系統(tǒng)的安全性而設(shè)置的電機(jī)抱閘裝置。當(dāng)控制電壓為零時(shí)，電機(jī)處于抱閘狀態(tài)，當(dāng)控制電壓為+24 V時(shí)，電機(jī)處于解脫狀態(tài)。

電源為隨動(dòng)系統(tǒng)中的各部件提供相應(yīng)的電源，同時(shí)在隨動(dòng)控制器的控制下，控制電機(jī)制動(dòng)器的工作狀態(tài)。

本文主要介紹隨動(dòng)控制器中串行接口的設(shè)計(jì)、電氣限位和制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。

2 DSP56F807處理器的特點(diǎn)

●計(jì)算機(jī)具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間和程序存儲(chǔ)空間，支持并行處理;在80 MHz時(shí)鐘頻率下，可達(dá)到40 MIPS的指令執(zhí)行速度;單指令周期可以完成16位×16位的并行乘-加運(yùn)算。

●特殊的多功能DSP指令，即一條指令可以完成幾種不同的操作;針對(duì)電機(jī)控制DSP集成了許多相關(guān)的外設(shè)模塊。增加了電機(jī)控制系統(tǒng)的集成度，并有效地降低了系統(tǒng)的成本，同時(shí)還使系統(tǒng)的可靠性大大提高。

●支持C語(yǔ)言編程，C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言的混合編程更加靈活、方便。JTAG/OnCE程序調(diào)試接口，允許在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中隨時(shí)進(jìn)行調(diào)試，并可對(duì)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試。

●電源采用3.3 V供電，但允許輸入端口使用5 V TTL電平。

3 隨動(dòng)控制器

該部分的設(shè)計(jì)采用子母板架構(gòu)，子板具有獨(dú)立的復(fù)位電路、時(shí)鐘電路，以及JTAG接口。母板只需要設(shè)計(jì)串口電路，鎖定、限位控制電路等。

3.1 串口電路的設(shè)計(jì)

串口電路如圖2所示。

隨動(dòng)控制器需要與高低、方位伺服驅(qū)動(dòng)器，高低、方位旋轉(zhuǎn)變壓器以及上位機(jī)等進(jìn)行通訊，而DSP56F807只有兩路串口0、串口1，遠(yuǎn)不能滿足要求，因此需要將兩路串口擴(kuò)展成為5路。

串口0的GPIO RXD0、GPIO TXD0直接通過MAX1482ESD轉(zhuǎn)換成RS-422接口，與上位機(jī)進(jìn)行通信。串口1的GPIO RXD1、GPIO TXD1通過MAX3232轉(zhuǎn)換成兩路RS-232接口分別與高低、方位驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通信，通過兩片MAX1482ESD轉(zhuǎn)換成兩路RS-422分別與高低、方位旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行通信。

接收選用8選一數(shù)據(jù)選擇器74HCT151D，發(fā)送選用8通道多路器74HC4051D。將DSP的GPIO管腳49、50、51做為74HCT151D和74HCA051D的輸入A、B、C經(jīng)過譯碼成8路接收或發(fā)送來自不同通道的信號(hào)。

與RS-422接口通信采用MAX1482ESD低功耗收發(fā)器，接收輸出使能端RE為低，輸入A大于B，接收輸出端RO為高;反之，輸入A小于B，接收輸出端RO為低。接收輸出使能端RE為高，接收輸出端RO為高阻狀態(tài)。發(fā)送輸入使能端DE為高，發(fā)送輸入端DI為低，輸出差分信號(hào)Y端為低，Z端為高;反之，發(fā)送輸入端DI為高，輸出差分信號(hào)Y端為高，Z端為低。發(fā)送輸入使能端DE為低時(shí)，發(fā)送輸入端DI無(wú)效，輸出端Y、Z為高阻狀態(tài)。

3.2 電氣限位和制動(dòng)

3.2.1 限位的種類及原理

限位在隨動(dòng)系統(tǒng)中可分為軟件限位、電氣限位和機(jī)械限位三種。

●軟件限位就是通過軟件的分析計(jì)算，控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)位置不超過設(shè)定的位置，它是限位里最低級(jí)的一種。

●電氣限位就是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障，軟件限位沒有起到限位作用時(shí)，系統(tǒng)超過軟件限定的位置而繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，在到達(dá)電氣限定位置時(shí)，使限位微動(dòng)開關(guān)斷開，通過電路控制使制動(dòng)器處于抱緊狀態(tài)，控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)限位的功能。

●機(jī)械限位是通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行位置的限制。這是一種最基本也是最原始的限位方法，是系統(tǒng)限位的最后一道關(guān)卡。當(dāng)軟件限位和電氣限位均未產(chǎn)生作用時(shí)，必須通過機(jī)械限位(硬碰撞)使系統(tǒng)停止在某一位置，保證系統(tǒng)的安全性。

3.2.2 電氣限位和制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

圖3所示為電氣限位、鎖定電原理圖：

開機(jī)初始化過程中，首先通過DSP的I/O口，檢測(cè)鎖定開關(guān)是否處于閉合狀態(tài)。如果鎖定開關(guān)閉合(即鎖定器處于鎖定狀態(tài))，DSP送出方位制動(dòng)命令1、高低制動(dòng)控制命令0和限位控制命令1，與非門輸出為0，控制光電耦合管處于導(dǎo)通狀態(tài)，光電耦合管的輸出作為可控+24 V電源模塊的控制端，使電源不輸出+24 V電壓，控制電機(jī)制動(dòng)器處于制動(dòng)狀態(tài)。軟件將檢測(cè)到鎖定開關(guān)狀態(tài)上傳，提醒操作手解脫鎖定裝置。

如果鎖定開關(guān)處于斷開狀態(tài)時(shí)，DSP送出方位制動(dòng)命令0、高低制動(dòng)命令1，檢測(cè)上下限位(是指高低方向的限位，開關(guān)斷開為限位，閉合為非限位)開關(guān)是否處于閉合狀態(tài)。假設(shè)限位開關(guān)處于閉合狀態(tài)，DSP檢測(cè)到后，送出限位控制命令0，與非門輸出為1，光電耦合管不導(dǎo)通，電源模塊輸出+24 V，使高低電機(jī)制動(dòng)器處于非制動(dòng)狀態(tài)，由DSP程序控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。

在正常工作時(shí)，DSP送出限位控制命令為1、方位制動(dòng)命令為0、高低制動(dòng)命令為1，使光電耦合管V5的導(dǎo)通與否受限位開關(guān)的控制，當(dāng)上、下限位開關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí)，光電耦合管非導(dǎo)通，電源模塊輸出+24 V，使電機(jī)制動(dòng)器處于非制動(dòng)狀態(tài);只要上、下限位開關(guān)其中之一處于斷開狀態(tài)，光電耦合管導(dǎo)通，電源模塊輸出為0 V，電機(jī)制動(dòng)器處于制動(dòng)狀態(tài)，從而保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

串口電路通信功能正常，鎖定、限位控制電路穩(wěn)定有效，整套電路已成功應(yīng)用于某型武器系統(tǒng)中。實(shí)踐證明，作為電機(jī)控制的專用芯片DSP56F807具有以下優(yōu)勢(shì)：較高的運(yùn)算速度能夠滿足電機(jī)高性能的控制算法;較大的片內(nèi)存儲(chǔ)空間(基本不需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器)降低了用戶成本并且提高了程序安全性;高度集成的片內(nèi)外設(shè)增加了電機(jī)控制系統(tǒng)的集成度使系統(tǒng)的可靠性大大提高;良好的軟件開發(fā)環(huán)境，提供了大量的專用函數(shù)庫(kù)，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。