基于DSP的全数字直线伺服系统设计.doc

1、伺服运动系统 综合课程设计报告 设计题目： 基于 DSP 的全数字直线伺服系统设计 姓 名： 专业班级： 自动化 学 号： 24 指导老师： 完成时间： 2010 年 12 月 28 日 设计报告 综合测试 平时 总评 格式 （ 10 分） 内容 （ 20 分） 图表 （ 10 分） 工艺 （ 10 分） 答辩 （ 20 分） 考勤 （ 30 分） 1 目 录 一、 课设介绍 . 2 1.1 目的和意义 . 2 1.2 任务及工作原理 . 2 1.3 直线电机的概述 . 4 二、 DSP 控制系统硬件设计 . 5 2.1 驱动电路设计 . 5 2.2 检测回路硬件设计 . 6 2.2.1 位移

2、和速度检测 . 6 2. 2. 2 电流检测 . 6 2. 2. 3 上位机（工控机）功能模块设计 . 7 2.2.4 下位机（ DSP 控制板）功能模块设计 . 9 2.2.5 电极间隙电压检测 . 9 2.2.6 串行通信接口设计 .10 三、软件程序设计 . 11 四、系统程序流程图 .16 4.1 上位机软件 .16 4.2 下位机软件 .17 五、设计中遇到的问题及解决方法 .18 六、学习心得及体会 .19 2 一、 课设介绍 1.1 目的和意义 目的：对长行程高响应直线电机伺服控制软硬件体系结构进行研究，采用全数字方式实现其伺服控制系统， 设计和开发基于数字信号处理器 DSP （

3、 Digital Signal Processor）的高响应直线电机伺服驱动系统，以满足高响应直线电机伺服控制的要求。 意义：直线驱动技术由于消除了 传统机械传动链所带来的一系列不良影响，因而极大地提高了进给系统的动态响应能力和运动精度，成为新一代数控设备中最具有代表性的先进技术之一。近十多年来，随着精密制造技术和数控技术等先进制造技术的发展，高速、高效、高精成为当前数控机床的发展方向，这对机床各功能部件的性能提出了更高的要求。以进给驱动部件为例，在大位移、高速超高速加工场合，如高性能加工中心、并联（杠机构）机床等，要求系统具有快速的移动速度（快移速度 100m/min，切削进给速度 60m/

4、min，加速度 2g）和极高的快速定位精度。而依靠传统的“旋转 电机 +滚珠丝杆”驱动方式难以达到这些性能指标，因此，开发新型的高性能进给部件成为解决问题的关键。其中，开发新型的高性能进给驱动部件，对直线电机的位置伺服控制系统以及高速、高加速度、高精度和高动态特性的研究，已成为当前各国研究的热点和前沿 1 6。 因此，对高响应直线电机伺服控制系统的研究，具有重要的理论意义和应用前景。 1.2 任务 及工作原理 介绍了一种利用 DSP 微处理器对电火花加工机床中驱动工具电极运动的直流直线电机进行控制的系统。充分利用 TMS320L F2407 控制器外设接口丰富及运算速度快的 特点 ,以 PC

5、机作为上位机、 DSP 作为下位机 ,以光栅尺作为位置和速度传感器 ,通过 PWM 控制策略实现对直流直线电机的位置和速度控制。重点介绍了硬件和软件设计方法。 电火花加工过程中必须使工具电极和工件之间维持较为合理的间隙 ,以满足脉冲电压击穿介质产生放电以及火花通道熄灭后介质消电离 ,同时顺利排除加工蚀除产物的要求。间隙偏大 ,加工效率低 ;间隙偏小 ,则产生短路或电弧放电等异常现象 ,影响加工质量。传统的电火花加工设备中 ,驱动工具电极运动主要是利用旋转电机加上滚珠丝杠来实现的 ,这种机构的主要 缺点是动态响应较慢 ,在发生短路脉冲放电时不能较好地满足瞬时抬刀的快速要求。为了达到控制的精度和快

6、速响应的目的 ,直线电机应用于电火花加工机床已成为一种新的发展趋势。 本文介绍了采用直流直线电机对电火花加工机床的电极进给单元实施位移和速度控制的 DSP 系统 ,并重点介绍了系统硬件和软件的设计方法。 控制系统组成及工作原理伺服系统结构框图如图 1 所示。 3 图 1 伺服系统结构框图 主要由 DSPWM 驱动隔离模块、 H 型桥式功率驱动模块、 位速度检测模块、 电流检测模块、 电极间隙电压检测块、 串行通信模块和显示模块等组成。系统采用从结 构 , 以 PC 机 作 为 上 位 机 , 以 DSP 芯 TMS320L F2407 为核心构成的直流直线电机控系统为下位机。上位机利用 Del

7、phi 来开发 DSPPC 机的异步串行通讯 ,以便进行命令的发送和实监控。下位机 DSP 主要完成闭环系统数据的采和控制算法 ,从而对直线电机驱动的电极进给单进行实时控制。 为了满足伺服系统高精度位置控制、 快速回退响应和跟踪平稳等要求 ,系统采用串级控制 ,分为电流环、 速度环和位置环。直线电机电枢电流通过霍尔电流传感器 检测 ,经过电流反馈处理电路后 ,送入 DSP 的 ADC 转换口 ADCIN1 ;利用光栅尺输出两路相位相差 90 的正交信号到 QEP ,通过对两路信号的上升沿和下降沿检测生成四倍频信号 ,从四倍频信号的频率得到直线电机的速度。由于加工过程中电极处于液面以下且有损耗

8、,故很难确定电极所处的状态 ,为此 ,DSP 根据电极间隙电压来判断电极的状态。当电极处于开路和短路状态时 ,系统主要采用速度控制 ;当电极处于除开路和短路以外的其他状态时 ,系统主要采用位置控制。给定位移量 Uy 与当前位置反馈量 Uy 的偏差 U = Uy- Uy , 作为数字位置控制器的输入 ,用以确定速度给定值 Un ;计算速度给定值 Un 与速度反馈值 Un 的偏差电压 Un = Un - Un ,作为数字速度控制器的输入 , 经过运算处理后得到电流给定 Ui。 Ui 再与电流反馈 Ui作偏差运算后得 Ui = Ui- Ui , Ui作为数字电流控制器的输入 , 经过运算处理后 ,得

9、到控制电压 Uc。 Uc 经过处理后 ,由软件来生成两路带死区的 PWM 信号 PWM1 和 PWM2。经过隔离、 驱动、 光电隔离整形电路 ,分别 加 到 功 放 前 置 驱 动 芯 片IR2110 的高低输入端。然后驱动 H 型桥式功放电路中两组 MOSFET 管 ,产生有规律的4 双极性电压 ,加在直流直线电机线圈上 ,通过调节 PWM 脉冲宽度 ,从而控制直线电机的位移与速度。 1.3 直线电机的概述 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能、而不需要任何中间转换机构的传动装置，具有结构简单、运行可靠、传递效率高、机械损耗小、噪声低、环境适应性好等显著优点，直线电机已经被广泛应用于

10、工业、民用、军事及其它各种直线运动的场合。具有广泛的应用和发展前景。 是 20 世纪下半叶电工领域出现的具有新原理、新理论的新技术。它所具有的突出优势，已越来越受到人们的重视。直线电机可以采用交流电源、直流电源或脉冲电源等各种电源进行工作。同传统的旋转电机相比，它有以下一些优点 7： 高刚度 采用直线电机驱动的传动装置，不需要任何转换装置而直接产生推力。因此，它可以省去中间转换机构，简化了整个装置或系统，有更高的动态刚度。同时保证了运动的可靠性，提高了传动效率，降低了制造成本，易于维护。 更宽的速度范围 现代电机技术，很容易实现宽调速，速度变化范围可 达 1:10000 以上。 但是由于普通旋

11、转电机受到离心力的作用， 其圆周速度受到限制；而直线电机运行时，它的零部件和传动装置不象旋转电机那样会受到离心力的作用，因而它的直线速度可以不受限制。 直线电机是通过电能直接产生电磁推力的，它在驱动装置中，其运动可以无机械接触，使传动零部件无磨损，从而大大减少了机械损耗，例如直线电机驱动的磁悬浮列车就是如此。 旋转电机通过钢绳、齿条或传动带等转换机构转换成直线运动，这些转换机构在运行中，其噪声是不可避免的；而直线电机是靠电磁推力驱动运行的，故整个装置或系 统的噪声很小或无噪声，运行环境好。 由于直线电机结构简单，且它的初级铁心在嵌线后可以用环氧树脂等密封成整体，所以可以在一些特殊场合中应用，例

12、如可在潮湿甚至水中使用，可在有腐蚀性气体或有毒、有害气体中应用，也可在几千度的高温下或零下几百度的低温下使用。 由于直线电机结构简单，其散热效果也较好，特别是常用的扁平型短初级直线电机，初级的铁心和绕组端部直接暴露在空气中，同时初级很长，具有很大的散热面，热量很容易散发掉。所以这一类直线电机的热负荷可以取的很高，而且不需要附加冷却装置 。 5 二 、 DSP 控制系统硬件设计 2.1 驱动电路设计 为了满足加工时电极快速前进与快速回退的双向运动需要 , 驱动器产生的驱动力必须能改变方向 , 这就要求在磁场方向恒定的条件下 ,圈内能流过两个方向的电流 , 因此功率驱动电路必须是 H 型桥式斩波驱

13、动电路。其中功率开关器件采用 IR 公司的 IRF640 功率 MOSFET 管。 IRF640 的最小漏源击穿电压为 200 V ,最大栅源电压为 20 V ,超过此限度值 ,即使电流被限制在很小值 ,也可能击穿栅源间的氧化层而造成损坏 ,为此 ,在 IRF640 的栅源 间加了 15 V 的齐纳二极管 1N4744 和一个 20 k的无感电阻 ,用以降低振荡和减小峰值电流。由于 MOSFET 内部的续流二极管在高频 PWM 开关下恢复时间不甚理想 ,为此 ,分别在 4 个 IRF640 的漏源之间各接了一个快恢复二极管 ,即 VD1、 VD2、 VD3、 VD4 ,选用 MUR820。 1

14、0K10K 10K.10K1K1K1KU?A-+VCCttt t+12VCCN2100pF1K图 2 H 型功率驱 动电路 H 桥的前置驱动采用 IR 公司的 IR2110。 IR2110 是一种双通道高压高速功率 MOSFET 驱动器。由 L F2407 提供的 PWM 脉冲信号通过隔离变 换后作用于控制输入端 Hin 和 Lin ,两路输出 Ho 和 Lo 与输入 Hin 和 Lin 相对应 ,当关闭功能端 SD 为低电平时 ,在对应输入端的上升沿时刻 ,对应输出端有输出信号 ;当 SD 端为高电平时 ,将同时关断高端和低端的输出信号 ,这为保护功率管和电机提供了很好的可控性。正常工作时

15、,电源对自举电容的充电是在快恢复二级管 VD1 的导通期间进行。此时 ,MOSFET 截止 ,其源极电位接近地电位 , + 15 V 电源通过 D7 给 C9 充电 ,使 C9 上的电压接近 + 15 V。当 MOSFET 导通而 VD1 截止时 ,C9 自举 ,D7 截止 ,C9 上存储6 电荷为 IR2110 的高端驱动输出提供电源。自举电容应选用损耗小、 绝缘电阻高、频率特性好的电容 ,例如涤纶或 CBB 电容。 D7、 D8应选用快恢复二极管 ,且反向耐压要能满足电路要求。 2.2 检测回路硬件设计 2.2.1 位移和速度检测 本系统采用光栅尺作为位移速度传感器 ,光栅尺输出两路相位相

16、差 90的 + 5 V 方波脉冲信号 ,经 74LS14 整形和 SN74LVTH245 的隔离后 ,送入 L F2407 的 QEP3 和 QEP4 引脚。当 QEP 功能被启动后 ,定时器 T4 会对 QEP3 和 QEP4 引脚上的正交脉冲进行解码和计数 ,即对两路正交脉冲的每个上升和下降沿都进行计数 ,其频率为正交脉冲信号的 4 倍。计数的方向由两路脉冲的相位决定 ,如果 QEP3 连接的是两路脉冲中的先导序列 ,就进行增计数 ,反之则减计数。通过计数正交脉冲的数目 ,就可测量直线电机的当前位移值。同时 ,通过检测四倍频信号的频率就可得到直线电机的当前速度。 2. 2. 2 电流检测

17、接口电路图如图 3 所示。电流环构成电枢电流负反馈 ,主要目的是在允许的 范围内产生一个适当的电流参考值 ,以减小电源电压波动、负载作用和惯量变化带来的影响 ,使系统恒流起、 制动 ,同时 ,如果电流检测值超过了所允许的最大值 ,则会产生中断 ,调用过流保护程序 ,关断 PWM 输出。但电流的采集必须考虑频率问题 ,本系统电流环的控制频率等于 PWM 信号的载波频率 ,也即每个 PWM 周期控制一次电流环。电流检测电路由磁平衡式霍尔电流传感器、放大电路、电平转换电路及限幅电路组成。霍尔电流传感器通过采样电阻输出与电流成正比的电压信号的范围为 - 1. 65 + 1. 65 V。 而 L F24

18、07 的 ADC 的输入电压信号要求是 0 3. 3 V ,为此 ,利用偏置电路和限幅电路将放大的电压范围限制在 0 3. 3 V 之间 ,以便供给 L F2407A 的 ADC 转换部分。经过 DSP 的 A/ D 转换之后 ,采集 5 个数据 ,去掉最大值和最小值 ,对剩下的 3 个求平均值 ,得到方波信号电流的幅值。 7 +15v1-15v2GND3OUT4*Component_11161161161 1611611611678124, 9 - 1678124, 9 - 167814, 9 - 1678124, 9 - 16-12v+12v+33v+33v图 3 电流检测电路图 2. 2

19、. 3 上位机（工控机）功能模块设计 工控机：英文简称 IPC，通俗的说就是专门为工业现场的过程测量、过程控制及监督管理而设计的计算机。为了适应各种 控制对象的要求，它与一般的通用计算机相比有以下几个特点： 可靠性要求高：通常工控机的平均故障间隔时间 MTBF 达到几千到几万小时，且故障修复时间短，运行效率高。 实时响应性好：工控机内具有实时时钟和完善的中断系统，保证快速的中断响应和直接存贮器存取 DMA 功能。 环境适应性强：工控机一般能适应较恶劣的环境，对工业现场的电磁抗干扰性强，且对温度、湿度变化的适应范围宽。 系统配套性、扩充性好：工控机采用积木化的结构方式，具有灵活的扩充性。 控制软

20、件支持功能强。 在本文所研究的直线电机伺服控制系统中，采用的研华公司生产的 610 型工控机作为上位机，它通过 ISA 总线，采用并口的形式与 DSP 控制板、 ISA 板卡进行通讯。上位机（工控机）的主要功能包括定时读取位置、电流信号，电机动子速度的计算以及进行位置、速度和电流三闭环的反馈调节。即：工控机通过周期性的读取位置、电流反馈信号，并将获得的位置反馈信号与用户设置的位置值比较后经过位 23 置环、速度环控制算法，从而获得三相电流的计算值，再与反馈的实际电流值比较后经电流环控制算法最终得到三相电流的控制值。 位置、速度和 电流三闭环的控制算法均在工控机的一个定时中断服务程序中进行。通常

21、，三闭环的响应时间常数不同，电流环响应时间更短一些，因为小的电流环采样时间能减小系统的转矩脉动，获得更好的低速性能，提高系统的稳定性，达到更高的综合性能。一般速度环的采样时间是电流环的 310 8 倍。在本伺服控制系统设计中位置环、速度环和电流环的时间常数分别设置为 1ms、0.5ms 和 0.1ms。三个时间常数之间的相对关系是在中断服务程序中通过软件编程来实现的，调试中可进行修改。 转 速 检 测 过流 保护 电路 过压保护电 路 欠压 保护 电路 TMS320LF2407A 控制单元 光耦隔离电路 IPM 智能功率模块 直流电机 电 流 检 测 双 口 RAM AT89C51 单片机控制

22、单元 液晶显示单元 D/A输出 USB接口电路 键盘输入接口 整流模块 AC 9 2.2.4 下位机（ DSP 控制板）功能模块设计 数字信号处理器（ DSP）是一种高速专用微处理器，运算功能强大，能实现高速输入和高速率传输数据。它专门处理以运算为主且不允许延迟的实时信号，可高效进行快速傅立叶变换运算。它包含灵活可变的 I/O 接口和片内 I/O 管理，高速并行数据处理算法的优化指令集。数字信号处理器的精度高，可靠性好，其先进的品质与性能可为电机控制提供高效可靠的平台。数字信号处理器保持了微处理器自成系统的特点，有具有优于通用微处理器对数字信号处理的运算能力。数 字信号处理器为完成信号的实时处

23、理，采用了改进的哈佛结构。程序和数据存储器相隔离，双独立总线，在确保运算速度的前提下，还提供程序总线和数据总线之间的总线数据交换器，以间接实现冯诺伊曼结构的一些功能，提高系统的灵活性。数字信号处理器中专门设置了乘法累加器结构，从硬件上实现了乘法器与累加器的并行工作，可在单指令周期内完成一次乘法并将乘积求和的运算，这是数字信号处理器区别于其它通用微处理器的主要特征，也是实现数字信号处理的必要部件。概括起来， DSP 芯片一般具有以下主要特点： 在一个指令周期内可完成一次乘法 和一次加法。 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 片内具有快速 RAM， 通常可通过独立的数据总线同时访问两块不

24、同区域。 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 快速的中断处理和硬件 I/O 支持。 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 可以并行执行多个操作。 支持流水线操作，使取指令、译码和执行等操作可以重叠执行。 由于具有以上特点， 数字信号处理器在交流电机数字控制领域得到了极为广泛的应用。其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理及 控制、观测算法。 2.2.5 电极间隙电压检测 本系统采用间隙电压平均值检测法。间隙脉冲电压经过 R22 分压 ,由 R5、 C5 组成的滤波电路可获取间隙电压平均值 ,二极管 D5 主要防止 C5 通过 R5 迅速放电。检测到的间隙电压信号经过有源滤波电路和线性光电隔离电路 ,将得到的间隙电压限制在 0 + 3. 3 V ,由 L F2407A 的 ADCIN2 输入以进行 A/ D 转换。经过 DSP 的 A/ D 转换之后 ,采用防脉冲干扰平均值法数字滤波 ,即先对平均值法的 n 个数据进行比较 ,去掉其中最大值和 最小值 ,然后计算余下的 ( n - 2)个数据的算术平均值 ,从而得到间隙电压值。根据电极处于开路、 正常火花放电、 短路几种状态的间隙电压不同 ,可以判断电极所处的状态 ,从而对直线电机采取不同的控制策略。