摘要：根據(jù)開放式數(shù)控系統(tǒng)對(duì)高精度交流伺服控制的要求，設(shè)計(jì)了兩路并行通用數(shù)字交流伺服控制模塊．每路控制模塊均以單片高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片為楮心，構(gòu)成奉模塊的控制系統(tǒng)；以單片大規(guī)模在系統(tǒng)可編程器件（ISP）構(gòu)成本模塊酌數(shù)字lAD電路．采用此模塊控制兩路相同或不同的對(duì)象，只需由軟件包中調(diào)用相應(yīng)的交流伺服控制軟件廈相應(yīng)的構(gòu)成數(shù)字I／O電路的ISP下載軟件．設(shè)計(jì)的交流伺服控制系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、性能／價(jià)格比高、模塊化的特點(diǎn)，適用于多種控制對(duì)象． 關(guān)鍵字：開放式系統(tǒng)；伺服控制；在系統(tǒng)可編程技術(shù)；數(shù)字I／0電路 通用PC機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，大大促進(jìn)了開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)，使得設(shè)計(jì)、研究人員可以根據(jù)不同類型的數(shù)控機(jī)床分析其控制方式，以功能模塊方式研制不同功能的硬件通用模塊及相應(yīng)的軟件通用模塊，并由這些硬、軟件通用模塊的裁剪組合，組成開放式數(shù)控系統(tǒng)．隨著高性能數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）芯片性能／價(jià)格比的大幅度提高，由DSP為核心的通用數(shù)字交流伺服控制模塊在開放式數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛．因DSP具有高速數(shù)據(jù)處理能力、修正的啥佛結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的指令系統(tǒng) 1，所以非常適合于執(zhí)行現(xiàn)代控制算法及各種智能控制算法，為先進(jìn)控制理論的在線實(shí)時(shí)應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，使我們可以通過軟件控制模塊實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制功能，以DSP為核心組成的數(shù)字控制系統(tǒng)具有高精度、高可靠性、控制靈活、智能化、參數(shù)易于修改、無零漂等特點(diǎn)． 1 通用DSP數(shù)字交流伺服控制模塊的設(shè)計(jì) 在開發(fā)開放式多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，需要設(shè)計(jì)通用伺服控制模塊，以適應(yīng)開放式系統(tǒng)的要求．這類模塊應(yīng)具備以下特性：① 通用性，即在同一類模塊上通過軟件的裁剪組合，便可改變控制對(duì)象；②高可靠性、高抗干擾能力及高性能／價(jià)格比；③ 單塊模塊控制多臺(tái)伺服電機(jī)．本文所設(shè)計(jì)的通用伺服控制系統(tǒng)由兩路數(shù)字交流伺服控制模塊組成，并行控制兩臺(tái)交流伺服電機(jī)．該模塊集成了DSP最小系統(tǒng)、ISP器件、A／D器件、高速光耦等．采用此模塊，只須針對(duì)不同的控制對(duì)象，由交流伺服控制軟件及根據(jù)I／o要求設(shè)計(jì)的ISP軟件，便可裁剪組合成所需的控制模塊．所用的DSP為TI公司的32位高速浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器 TMS320C31，具有60ns單周期指令執(zhí)行時(shí)間，每秒33．3x l06次的浮點(diǎn)運(yùn)算速度⋯1．采用DSP數(shù)字交流伺服控制模塊的原因是，多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)需要每隔8oµs對(duì)多個(gè)軸的交流伺服電機(jī)進(jìn)行一次同步數(shù)據(jù)采樣，進(jìn)行電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置的閉環(huán)控制，且每隔80µs同步發(fā)出一組PWM控制信號(hào)，即在80µs內(nèi)要完成多個(gè)軸的采樣、控制運(yùn)算及處理、輸出PWM信號(hào)等工作．如果這些工作全部由上位工控機(jī)處理，不僅會(huì)嚴(yán)重加大上位機(jī)的負(fù)載，而且實(shí)時(shí)性也無法得到保證． 1．1控制策略 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)對(duì)控制的要求是響應(yīng)快、精度高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，而實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的高性能控制，則成為滿足這些要求的關(guān)鍵因索．因此，現(xiàn)代高精度交流伺服系統(tǒng)的控制策略大多采用磁場定向控制 2及直接轉(zhuǎn)矩控制L3-5 J．這兩種控制不同于早期變頻調(diào)速系統(tǒng)僅按交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行的平均值控制，它們完全不考慮電磁過渡過程的控制方法，而是根據(jù)電機(jī)的瞬時(shí)特性進(jìn)行控制，從而使控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性都有很大提高．從交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀看，這兩種控制理論各有其特長，應(yīng)用也不盡相同．對(duì)同步電機(jī)的控制，尤其對(duì)交流永磁同步電機(jī)的控制，主要采用磁場定向控制方法．這種方法具有控制結(jié)構(gòu)簡單、控制軟件易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)．對(duì)異步電機(jī)，兩種控制都可采用，但近幾年的研究多在直接轉(zhuǎn)矩控制方面，這主要是因?yàn)閷?duì)異步電機(jī)進(jìn)行磁場定向控制極其復(fù)雜，控制效果遠(yuǎn)遜于對(duì)永磁同步電機(jī)的控制效果． 磁場定向控制理論是建立在對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的一種解耦控制方法，因此電機(jī)的非線性及電機(jī)參數(shù)的變化對(duì)控制性能有一定影響．同樣，直接轉(zhuǎn)矩控制理論也存在蓍受電機(jī)參數(shù)影響的情況，特別是在低速運(yùn)行狀態(tài)下，參數(shù)對(duì)二者控制性能的影響均較大．因?yàn)橹悄芸刂凭哂袩o需對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型．可以在處理不精確和不確定性問題中獲得可處理性、魯棒性的特點(diǎn)，將其與磁場定向控制理論和直接轉(zhuǎn)矩控制理論結(jié)合，能夠充分發(fā)揮二者的優(yōu)點(diǎn)，使控制性能獲得較大提高． 1．2軟件包夏通用控制模塊 在設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同的控制對(duì)象，設(shè)計(jì)了磁場定向控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、數(shù)字I／O電路、智能控制、故障監(jiān)測、自診斷、通訊、功率器件保護(hù)等軟件模塊．并由此組成了DSP控制系統(tǒng)軟件包．應(yīng)用中根據(jù)控制對(duì)象，由軟件便可在線構(gòu)成硬件控制模塊．為降低控制模塊電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，提高通用性及可靠性，由ISP器件設(shè)計(jì)了單片I／o硬件電路．在實(shí)際應(yīng)用中，只需調(diào)用與控制對(duì)象有關(guān)的數(shù)字I／o電路軟件及相應(yīng)的控制軟件，便可組成全數(shù)字智能磁場定向控制模塊和全數(shù)字智能直接轉(zhuǎn)矩控制模塊，分別應(yīng)用于同步伺服電機(jī)及異步伺服電機(jī)的控制． 1．3DSP數(shù)宇交流伺服控制模塊夏控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 由于所用伺服電機(jī)是交流永磁同步伺服電機(jī)，所以實(shí)驗(yàn)中采用的控制模塊為智能磁場定向控制模塊，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖l所示．模塊的工作原理是：A／D、ISP將定子電流、轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)子速度等反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由DSP對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣，根據(jù)上位工控機(jī)發(fā)出的速度給定信號(hào)，按磁場定向控制規(guī)律進(jìn)行控制計(jì)算．將結(jié)果輸出至由ISP器件組成的 信號(hào)發(fā)生電路中，產(chǎn)生PWM 信號(hào)，并通過智能功率開關(guān)模塊控制交流永磁同步伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速．當(dāng)需要修改控制器參數(shù)和控制模型時(shí)，只需對(duì)軟件進(jìn)行修改便可． 2 通用單片數(shù)字I／o 本文介紹適用于交流永磁同步伺服電機(jī)、由ISP器件組成的單片數(shù)字I／O電路．設(shè)計(jì)中采用Lattice公司的ISP器件ISPLSI1032一舳設(shè)計(jì)數(shù)字I／O電路，用于電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)的測量及形成PWM 信號(hào)．該器件的集成規(guī)模為6 000個(gè)PLD等效門．一片ISP器件可以容納整個(gè)數(shù)字I／O電路．因?yàn)橥粋€(gè)芯片內(nèi)的門電路、觸發(fā)器、三態(tài)門等的參數(shù)特性是完全一致的．所以由它們所構(gòu)成的電路具有一致的特性．整個(gè)I／0電路做在單片ISP器件上，抗干擾性能和可靠性比由分離器件構(gòu)成的電路有極大的提高． 由于光電式測量系統(tǒng)具有低慣量、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)，因而常用于電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的測量．其工作原理是：與電機(jī)同軸的光電編碼器隨電機(jī)的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的、兩相（A相、B相）相隔 ／2電脈沖角度的正交編碼脈沖，該正交編碼脈沖通過四倍額電路產(chǎn)生四倍頻脈沖信號(hào)，由計(jì)數(shù)電路對(duì)其計(jì)數(shù)，便可獲得轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子位置的瞬時(shí)值． 數(shù)字I／O電路的結(jié)構(gòu)如圖2所示． 單片數(shù)字I／O電路由5部分組成：①數(shù)字四倍頻電路；②地址譯碼器；③ 轉(zhuǎn)子位置測量電路；④PWM 信號(hào)產(chǎn)生電路；⑤ 轉(zhuǎn)速測量電路．?dāng)?shù)字四倍頻電路將輸入的正交編碼脈沖細(xì)分后．產(chǎn)生數(shù)字四倍頻脈沖，供計(jì)數(shù)、采樣使用．同時(shí)，由正交編碼脈沖產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)，供DsP控制時(shí)使用．?dāng)?shù)字四倍頻電路的輸出端設(shè)計(jì)了脈沖寬度調(diào)節(jié)電路．以根據(jù)需要調(diào)節(jié)輸出脈沖的寬度．脈沖寬度最小為60 m，寬度調(diào)節(jié)以60 ns的倍數(shù)增加． 地址譯碼器是將DSP發(fā)出的地址信號(hào)、讀／寫（R／W）信號(hào)、擴(kuò)展總線IO（IOSTRB）信號(hào)譯碼，作為片選信號(hào)．以控制單片數(shù)字I／O電路內(nèi)相應(yīng)電路的讀／寫．同時(shí)．片選信號(hào)還送至外部A／D器件．供DSP對(duì)A／D進(jìn)行讀操作． 轉(zhuǎn)子位置測量電路包括：模10000可逆計(jì)數(shù)器，數(shù)據(jù)鎖存器（14位）及輸出三態(tài)門（14位），電流及轉(zhuǎn)子位置采樣信號(hào)調(diào)節(jié)電路．可逆計(jì)數(shù)器用于轉(zhuǎn)子瞬時(shí)位置計(jì)數(shù)，根據(jù)光電編碼器發(fā)出的正交編碼脈沖經(jīng)過四倍頻后得到的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)及額定轉(zhuǎn)速．設(shè)計(jì)成l4位模10000可逆計(jì)數(shù)器．ISP的I／O單元作為輸出時(shí)具有三態(tài)緩沖特性[sup][6] [/sup]，利用其中的14個(gè)I／O單元構(gòu)成輸出三態(tài)門，連劐DSP的32位數(shù)據(jù)總線上．DSP內(nèi)部定時(shí)器發(fā)出的電流、轉(zhuǎn)子位置采樣信號(hào)經(jīng)過電流、位置采樣信號(hào)調(diào)節(jié)電路，進(jìn)行時(shí)序及脈沖寬度調(diào)后，按順序分別輸出轉(zhuǎn)子瞬時(shí)位置鎖存、A／D采樣及轉(zhuǎn)換、中斷請(qǐng)求等信號(hào) 當(dāng)DSP中斷響應(yīng)并發(fā)出外部IO讀信號(hào)后，經(jīng)地址譯碼器譯碼，讀出轉(zhuǎn)子瞬時(shí)位置計(jì)數(shù)值． PWM信號(hào)產(chǎn)生電路包括：6位PwM數(shù)據(jù)鎖存器，PWM 時(shí)序電路，鎖存延時(shí)器．DSP定時(shí)發(fā)出寫數(shù)據(jù)信號(hào)，其數(shù)據(jù)總線中的一位與地址譯碼器的譯碼信號(hào)在延時(shí)器中組合，延時(shí)器的輸出鎖存信號(hào)確保數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)被正確地鎖存至PwM數(shù)據(jù)鎖存器中，其輸出經(jīng)過PWM 時(shí)序電路的調(diào)節(jié)與時(shí)序校正，產(chǎn)生PwM 信號(hào)．PWM 時(shí)序電路同時(shí)保證PWM信號(hào)以先關(guān)斷、后開通的方式控制智能功率器件．避免相同橋路上的功率器件因同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生短路事故．速度測量電路包括：速度采樣信號(hào)調(diào)節(jié)電路，數(shù)字四倍頻脈沖計(jì)數(shù)器（12位計(jì)數(shù)器1），高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)器（16位計(jì)數(shù)器2），數(shù)據(jù)鎖存器（29位），輸出三態(tài)門（29位）等．轉(zhuǎn)速的測量采用變脈沖數(shù)／脈沖周期（變M／T）測速法，其測量原理如圖3所示． [align=center] [/align] 變M／T測速法的原理是：在測速過程中，不僅被測的四倍頻測速脈沖信號(hào)的頻率 f[sub]m[/sub]隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，而且檢測時(shí)間T也隨電機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化，時(shí)間T將始終等于f[sub]m[/sub] 的M[sub]p[/sub]個(gè)脈沖周期之和．通過測量時(shí)間T和在此時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器對(duì) f[sub]m[/sub]的計(jì)數(shù)值M[sub]p[/sub]，就可以確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速．時(shí)間T可由計(jì)數(shù)器2對(duì)頻率為f[sub]c[/sub] 的高頻時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)所得的計(jì)數(shù)值M[sub]c[/sub]獲得，T=M[sub]c[/sub]/f[sub]c[/sub]設(shè)電機(jī)每轉(zhuǎn)發(fā)出M 個(gè)編碼脈沖，四倍頻后每轉(zhuǎn)可得到4N 個(gè)測速脈沖，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角。則轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為 n=600／（2 T）=60f[sub]c[/sub]M[sub]p[/sub]／（4NMc ）（r／min）． 在速度測量電路中，由ISP器件的29個(gè)I／0單元組成輸出三態(tài)門，連到DsP的32位數(shù)據(jù)總線上．其中，低16位包含計(jì)數(shù)器2的數(shù)據(jù)，高16位中的低12位包含計(jì)數(shù)器1的數(shù)據(jù)，最高位（第32位）包含電機(jī)的轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)．地址譯碼器的譯碼信號(hào)作為輸出三態(tài)門的門控信號(hào)，同時(shí)接到29個(gè)輸出三態(tài)門的輸出使能靖上。速度采樣信號(hào)調(diào)節(jié)電路首先輸出數(shù)據(jù)鎖存信號(hào)，并將信號(hào)前沿到達(dá)時(shí)計(jì)數(shù)器1、計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值及轉(zhuǎn)向信號(hào)（“0”或⋯1’）同時(shí)鎖存至數(shù)據(jù)鎖存器中，然后發(fā)出中斷請(qǐng)求和計(jì)數(shù)器清零信號(hào)，以申請(qǐng)中斷且對(duì)計(jì)數(shù)器。1、計(jì)數(shù)器2清零，并開始新一輪計(jì)數(shù)．DSP中斷響應(yīng)并發(fā)出外部10讀信號(hào)，譯碼后讀出計(jì)數(shù)器1、計(jì)數(shù)器2的計(jì)數(shù)值和電機(jī)轉(zhuǎn)向信號(hào)． 速度采樣信號(hào)調(diào)節(jié)電路的作用是，當(dāng)DSP定時(shí)器輸出的速度采樣信號(hào)到達(dá)時(shí)。并不立即發(fā)出數(shù)據(jù)鎖存、中斷申請(qǐng)和計(jì)數(shù)器清零信號(hào)，僅將速度采樣信號(hào)鎖存至鎖存器中，只有當(dāng)四倍頻脈沖的上升沿到達(dá)時(shí)，才使速度采樣信號(hào)調(diào)節(jié)電路按順序發(fā)出信號(hào)．另外，該電路中也包含脈沖寬度調(diào)節(jié)電路，以便按要求的脈沖寬度輸出信號(hào)，保證電路能夠準(zhǔn)確無誤地傳遞數(shù)據(jù)． 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 用所設(shè)計(jì)的DSP數(shù)字交流伺服控制模塊在交流永磁同步電機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，所用電機(jī)型號(hào)為MFA15OMB5，額定輸出功率為1．5 kW，額定電流f=7．5 A，額定轉(zhuǎn)速”：2 000 r／min，編碼器脈沖為2 500 p／r（P為脈沖數(shù)）．實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示．圖4是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相電流波形，圖5是電機(jī)空載時(shí)從靜止到500 r／min的速度響應(yīng)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的DSP數(shù)字交流伺服控制模塊達(dá)到了設(shè)計(jì)要求． 4 結(jié)論 本文介紹的通用DSP數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、性能／價(jià)格比高、模塊化的特點(diǎn)，同時(shí)模塊本身也具有集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、便于維修調(diào)試、適用于多種控制對(duì)象的特點(diǎn)，不僅可用于交流同步、異步電機(jī)控制，在控制軟件上加以擴(kuò)充也可用于直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及交流直線電機(jī)的控制．單片數(shù)字I／O電路可用于光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等的數(shù)字測速及多種PWlVI輸出．由此設(shè)計(jì)的通用數(shù)字交流伺服控制模塊僅包含DSP最小系統(tǒng)、單片大規(guī)模在系統(tǒng)可編程邏輯器件、電流采樣A／D器件、高速光耦等．在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，用所設(shè)計(jì)的模塊在多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行了試運(yùn)行．運(yùn)行結(jié)果表明，作為其中一個(gè)坐標(biāo)閉環(huán)位置控制的速度內(nèi)環(huán)，可以保證位置伺服控制精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求．