基于DSP的交流隨動(dòng)系統設計

摘要：DSP56FS07芯片采用了不同于通用CPU和MCU的特殊軟硬件結構，實(shí)現了高速的數字處理以及實(shí)時(shí)地進(jìn)行系統控制。作為控制電機的專(zhuān)用產(chǎn)品，許多片內外設的功能設置大大簡(jiǎn)化了電機控制系統的設計。文章通過(guò)隨動(dòng)控制器串口的設計、限位及制動(dòng)的實(shí)現過(guò)程介紹了DSP56 F807的應用。

1 隨動(dòng)系統的組成及功能簡(jiǎn)介

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

隨動(dòng)控制器是由DSP芯片為核心擴展而成的。它可以接收上位機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(guò)前饋PID控制算法，輸出模擬電壓量送入驅動(dòng)器中，實(shí)現對負載運動(dòng)狀態(tài)的控制?？刂破骺梢圆杉S動(dòng)轉塔的鎖定信號和限位信號，并控制隨動(dòng)系統的工作狀態(tài)。

驅動(dòng)器是專(zhuān)為交流電機設計的，內部嵌有交流電機控制算法、與交流電機編碼器構成速度環(huán)和電流環(huán)，可以利用其RS-232串口對其內部參數進(jìn)行設置，比如最大加速度的設置以保證系統的響應特性;還可以接收驅動(dòng)器使能信號，當使能信號為高時(shí)，控制電機鎖緊，當使能信號為低時(shí)，控制電機與減速器解脫鎖緊。

交流電機是隨動(dòng)系統的執行機構，由驅動(dòng)器輸出三相交流電壓，控制電機的轉速，通過(guò)減速器，最終實(shí)現對負載的位置控制。

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

電源為隨動(dòng)系統中的各部件提供相應的電源，同時(shí)在隨動(dòng)控制器的控制下，控制電機制動(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計、電氣限位和制動(dòng)的實(shí)現。

2 DSP56F807處理器的特點(diǎn)

●計算機具有獨立的數據存儲空間和程序存儲空間，支持并行處理;在80 MHz時(shí)鐘頻率下，可達到40 MIPS的指令執行速度;單指令周期可以完成16位×16位的并行乘-加運算。

●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;針對電機控制DSP集成了許多相關(guān)的外設模塊。增加了電機控制系統的集成度，并有效地降低了系統的成本，同時(shí)還使系統的可靠性大大提高。

●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程序調試接口，允許在系統設計過(guò)程中隨時(shí)進(jìn)行調試，并可對軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)調試。

●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

該部分的設計采用子母板架構，子板具有獨立的復位電路、時(shí)鐘電路，以及JTAG接口。母板只需要設計串口電路，鎖定、限位控制電路等。

3.1 串口電路的設計

串口電路如圖2所示。

隨動(dòng)控制器需要與高低、方位伺服驅動(dòng)器，高低、方位旋轉變壓器以及上位機等進(jìn)行通訊，而DSP56F807只有兩路串口0、串口1，遠不能滿(mǎn)足要求，因此需要將兩路串口擴展成為5路。

串口0的GPIO RXD0、GPIO TXD0直接通過(guò)MAX1482ESD轉換成RS-422接口，與上位機進(jìn)行通信。串口1的GPIO RXD1、GPIO TXD1通過(guò)MAX3232轉換成兩路RS-232接口分別與高低、方位驅動(dòng)器進(jìn)行通信，通過(guò)兩片MAX1482ESD轉換成兩路RS-422分別與高低、方位旋轉變壓器進(jìn)行通信。

接收選用8選一數據選擇器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(guò)譯碼成8路接收或發(fā)送來(lái)自不同通道的信號。

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(lèi)及原理

限位在隨動(dòng)系統中可分為軟件限位、電氣限位和機械限位三種。

●軟件限位就是通過(guò)軟件的分析計算，控制系統運動(dòng)位置不超過(guò)設定的位置，它是限位里最低級的一種。

●電氣限位就是當系統發(fā)生故障，軟件限位沒(méi)有起到限位作用時(shí)，系統超過(guò)軟件限定的位置而繼續運動(dòng)，在到達電氣限定位置時(shí)，使限位微動(dòng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，通過(guò)電路控制使制動(dòng)器處于抱緊狀態(tài)，控制電機停止轉動(dòng)，從而實(shí)現限位的功能。

●機械限位是通過(guò)機械結構的設計，對系統進(jìn)行位置的限制。這是一種最基本也是最原始的限位方法，是系統限位的最后一道關(guān)卡。當軟件限位和電氣限位均未產(chǎn)生作用時(shí)，必須通過(guò)機械限位(硬碰撞)使系統停止在某一位置，保證系統的安全性。

3.2.2 電氣限位和制動(dòng)的實(shí)現

圖3所示為電氣限位、鎖定電原理圖：

開(kāi)機初始化過(guò)程中，首先通過(guò)DSP的I/O口，檢測鎖定開(kāi)關(guān)是否處于閉合狀態(tài)。如果鎖定開(kāi)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(mén)輸出為0，控制光電耦合管處于導通狀態(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，控制電機制動(dòng)器處于制動(dòng)狀態(tài)。軟件將檢測到鎖定開(kāi)關(guān)狀態(tài)上傳，提醒操作手解脫鎖定裝置。

如果鎖定開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，DSP送出方位制動(dòng)命令0、高低制動(dòng)命令1，檢測上下限位(是指高低方向的限位，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)為限位，閉合為非限位)開(kāi)關(guān)是否處于閉合狀態(tài)。假設限位開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)，DSP檢測到后，送出限位控制命令0，與非門(mén)輸出為1，光電耦合管不導通，電源模塊輸出+24 V，使高低電機制動(dòng)器處于非制動(dòng)狀態(tài)，由DSP程序控制電機轉動(dòng)，系統處于正常工作狀態(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的導通與否受限位開(kāi)關(guān)的控制，當上、下限位開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)時(shí)，光電耦合管非導通，電源模塊輸出+24 V，使電機制動(dòng)器處于非制動(dòng)狀態(tài);只要上、下限位開(kāi)關(guān)其中之一處于斷開(kāi)狀態(tài)，光電耦合管導通，電源模塊輸出為0 V，電機制動(dòng)器處于制動(dòng)狀態(tài)，從而保護整個(gè)系統的安全。

4 結束語(yǔ)

串口電路通信功能正常，鎖定、限位控制電路穩定有效，整套電路已成功應用于某型武器系統中。實(shí)踐證明，作為電機控制的專(zhuān)用芯片DSP56F807具有以下優(yōu)勢：較高的運算速度能夠滿(mǎn)足電機高性能的控制算法;較大的片內存儲空間(基本不需要外擴存儲器)降低了用戶(hù)成本并且提高了程序安全性;高度集成的片內外設增加了電機控制系統的集成度使系統的可靠性大大提高;良好的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供了大量的專(zhuān)用函數庫，大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。