基于DSP的电机伺服控制系统研究

文章编号:100926825(2009)2620367202基于DSP 的电机伺服控制系统研究收稿日期:2009205210作者简介:丁瑞华(19792),女,硕士,助教,许昌学院电气信息工程学院,河南许昌　461000李丙寅(19802),男,助理工程师,天津市大港油田石化公司机动处,天津　300280丁瑞华　李丙寅摘　要:针对小型机器人和自动化设备的伺服驱动问题,提出了一种直流电机伺服控制系统,运行试验显示,该系统可以在计算机上显示两个电机的转角,并控制两个电机跟随计算机上绘制的转角轨迹曲线,该系统具有较好的实时性和精确性,可作为一种高性价比的工业伺服控制解决方案。

关键词:DSP ,伺服控制,单神经元,电机中图分类号:TM383.4文献标识码:A0　引言近年来,随着微电子技术的不断发展,基于高性能嵌入式微控制器的全数字化伺服控制系统[1]已成为当代电机伺服控制系统发展的趋势,广泛应用在高精度数控机床、机器人、特种加工和精密进给系统中。

随着具有高速运算能力和面向电机的高效控制能力于一体的数字信号处理器DSP 的性价比的不断提高,以DSP 为核心的电机伺服控制系统逐步成为电机控制系统的主流[2,3]。

本研究设计了一个基于DSP 的直流电机伺服控制系统,采用单神经元PID 自适应控制算法对两个直流电机的转角位置、转速和电流闭环控制;可实时地在计算机上显示两个转角位置、速度曲线;并能够根据计算机上给出的轨迹曲线控制两个电机转角跟随给定的轨迹曲线。

1　控制系统硬件结构整个伺服控制系统的硬件电路主要由以单芯片TMS320CF2812(以下简称F2812)为核心的电路、接口电路和外围的RS232、时钟、电源等支持电路以及伺服驱动电路几部分组成。

1.1　TMS320F2812结构本研究采用TI 公司的TMS320L F2812高性能DSP 处理器,它是专为数字电机控制而设计的。

除了具有一般DSP 的改进的哈佛结构、多总线结构和流水线结构等优点外,它还采用高性能静态CMOS 技术,电压从5V 降为3.3V ,减少了功耗。

并且指令执行速度提高到150MIPS ,几乎所有指令都可以在6.67ns 的单周期内完成。

如此高的运算速度使其可以通过采用高级控制算法如模糊控制、卡尔曼滤波以及状态控制等来提高电机控制系统的性能。

而且,它具有电机控制应用所必需的外设,如128K 片内FLASH ,18K 的RAM ,串行外设接口(SPI ),串行通信接口(SCI ),两个事件管理模块,16通道双12位A/D 转换器和CAN控制器模块,PWM 输出通道达12个。

F2812的片上资源已足够同时控制两台以上电机,使控制系统的价格大大降低而且体积缩小、可靠性提高,可以在高度集成环境中实现高性能的电机控制。

1.2　接口电路1.2.1　电流检测处理单元F2812芯片中集成的ADC 模块可以实现电流信号的直接采集,它的采集通道数、精度和速度上都满足电机实时控制要求。

选用电磁隔离式霍尔传感器来检测电机电流。

霍尔传感器输出的电流信号较弱,需要放大后输入DSP 的ADC 模块。

选用TI 公司的自校准精密双运算放大器TLC4502作为信号调理电路的核心芯片,TLC4502利用数字CMOS 技术制造的高性能运算放大器,具有非常高的直流增益以及良好的电源抑制比和共模抑制比。

1.2.2　光耦隔离单元光耦隔离能够有效实现强、弱电的隔离,提高DSP 控制器的抗干扰能力。

通常,电机用的PWM 信号的频率要超过20kHz 以上,频率较低会使电机产生噪声;因此,选用4N25高速光耦作为隔离元件,可以满足设计要求。

1.3　RS232串口通讯电路F2812控制器内部带有SCI 串口通信模块,它提供波特率可调的RS232通信标准,使用SCIA 模块的TX 和RX 引脚与计算机连接通信,实现较为简单。

选用Maxim 公司的Max232芯片与外围支持电路可实现此功能[4],其结构简单,性能可靠。

1.4　伺服驱动器驱动电路选用NSC 公司推出的专用于运动控制的H 桥直流制系统、操作员工作站及进行数据传输的通信设备等组成。

站控系统的基本功能如下:1)对现场的工艺变量进行数据采集和处理;2)显示动态工艺流程;3)显示各种工艺参数和其他有关参数;4)显示报警一览表;5)数据存储及处理;6)显示实时趋势曲线和历史曲线;7)压力、流量控制;8)ESD 连锁保护;9)打印报警和事件报告;10)打印生产报表;11)数据通信管理等。

On application of SCADA system in urban oil and gas pipeline projectWU X ue 2yong SUN Dong 2xiaoAbstract :The paper introduces the application of SCADA system in the urban oil and gas pipeline ,points out the principle for the application of SCADA system in the design for the urban oil and gas pipeline construction ,and illustrates the functions of all controlling system ,so as to exert the SCADA system ’s inspection role and to meet the speedy development of cities.K ey w ords :SCADA system ,oil and gas pipeline ,application ,principle ,function・763・ 第35卷第26期2009年9月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.35No.26Sep.　2009电机驱动芯片LMD18200构成,其连续输出电流达3A ,工作电压高达55V ,并具有过载保护功能,外围支持电路简单,性能稳定,可以直接输入PWM 信号。

2　控制程序结构由于F2812内部集成了PWM 信号输出电路、脉冲计数电路速度检测、AD 电路等常用电机控制功能电路,利用这些功能电路可以简化程序结构,提高运行速度,增加系统的性价比。

本研究中的伺服控制程序主要包括DSP 程序和上位机监控程序两部分。

2.1　DSP 程序结构2.1.1　主程序主程序结构如图1所示。

2.1.2　伺服控制程序伺服控制程序采用三环控制结构,即转角环、转速环和电流环调节控制结构。

单神经元自适应PID 控制算法[5,6]结构简单,学习算法物理意义明确、计算量小,并具有较强的鲁棒性。

其具体控制算法如下:U (k )=U (k -1)+KW ′(k )T X (k )(1)W ′(k )=W (k )∑3i =1|w i (k )|(2)其中,X (k )=[x 1(k )x 2(k )x 3(k )]T 为神经元的输入;W (k )=[w 1(k )w 2(k )w 3(k )]T 为输入X 对应的权值;U 为控制器输出量,实际为电压输出量;k 为采样时刻。

x 1=e (k ),x 2=Δe (k ),x 3=Δ2e (k )为误差、误差的一阶差分和二阶差分;K 为控制比例系数,决定了神经元的控制强度,其值可按线性再励方法推算。

K (k )=1.1K (k -1),e (k )>0.02V r ′(k )K (k )=K (k -1),|e (k )|≤0.02V r ′(k )K (k )=0.9K (k -1),e (k )<-0.02V r ′(k)(3)控制过程中权系数W 的调整采用H ebb 学习规则,学习算法为:W (k )=W (k -1)+Dz (k )U (k )[e (k )+Δe (k )](4)其中,D =[d I d P d D ]T 为学习速率;z (k )为教师信号,这里取作e (k )。

图2为单神经元PID 转速调节程序结构。

2.2　监控软件设计 计算机端程序采用VC #语言编写,主要任务是响应用户输入的操作指令,发送给DSP 转角位置参考值;接收DSP 发送的测量数据,并实时绘出电机转角曲线。

3　试验根据设计制作了试验装置。

试验结果表明了控制系统能够实时地显示电机转角运行轨迹,并能精确的跟随设定的轨迹曲线。

4　结语本研究充分利用了DSP 实时运行速度快的特点,设计了一个基于DSP 的直流电机伺服控制系统,实现了单神经元自适应PID 智能控制算法对电机的转角,转速和电流调节控制;为提高控制系统的易操作性、直观性,设计了可视化的操作控制界面实时地绘制电机转角曲线。

试验证明该系统具有较好的直观性、实时性和精确性,并具有结构紧凑,成本低,控制精度较高等特点,可适用于数控移动工作平台、绘图设备等。

参考文献:[1]　张世文.基于PSOC —CPLD 的高精度位置伺服控制系统设计[J ].伺服控制,2009(4):41243.[2]　贾　军,房建成.基于DSP 的磁悬浮控制力矩陀螺框架数字伺服系统[J ].微电机,2007,40(6):50253.[3]　李凌志,张文志,孟瑞锋.基于DSP 的无刷直流电机伺服控制系统[J ].机电工程,2007,24(5):66269.[4]　巩　琼,马毛粉.一种在DSP 和PC 之间实现串行通信的方法[J ].南阳师范学院学报,2008,7(12):40242.[5]　林　立,杨　勇.电主轴伺服系统的单神经元自适应PID 控制[J ].微电机,2009,42(4):52255.[6]　杨　平,吕文婕,徐春梅.管式炉温度的单神经元PID 实时控制[J ].上海电力学院学报,2009,25(2):1012104.Study on servo control system of motor based on DSPDING Rui 2hu a L I Bing 2yinAbstract :Aiming to resolve the problems of drivers of robots and automation devices ,a servo control system of DC motor was introduced.The operation experiment verified that the control system can show the angles of two DC motor as well as controlling two motors to trace the curve path of rotation angle inputted in computer.The designed control system has the good real 2time and accuracy performance ,and it is a cost 2ef 2fective solution for servo control system of industrial equipment.K ey w ords :DSP ,servo control ,single neuron ,motor・863・第35卷第26期2009年9月山西建筑 。