维普资讯 http://www.cqvip.com 第１９卷第２期 机电产品开簋白刨新 ＶＯＩ．１９．Ｎｏ．２ ２００６年３月 Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｍａｒ．．２００６ 基于ＤＳＰ交流伺服位置控制系统的研究 苏宏志，高文华 （陕西工业职业技术学院，陕西咸阳７１２０００） 摘要：提出一种基于数字信号处理器ｆＤＳＰ）的交流位置伺服控制系统。ＤＳＰ具有的强大高速运算能力， 片内集成了丰富的电机控制外围部件和电路，简化了控制电路的硬件设计，提高了系统的可靠 性，并且利用ＤＳＰ具有极强的数字计算能力，使很多新型的控制算法可以被用于伺服控制器中。 实现了“软件化”的全数字伺服驱动器。实验结果表明了该系统具有良好的动态和静态控制特性 和一定的实用性。 关键词：ＤＳＰ；ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ；交流伺服控制；位置控制 中图分类号：ＴＭ４９２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ｏ０２—６６７３（２００６）０２—１３９—０３ ０引言 踪精度和跟踪速度的要求。本文所采用的是半闭环位置 伺服控制系统。图１为位置伺服系统结构图。 当前针对伺服驱动系统高速度、高精度的要求，出 电机 现了许多适应不同工作状况的高性能的控制算法。但是 这些控制算法都是基于传统的硬件结构，伺服驱动器只 能采用某种固定的控制算法，系统不能根据工作环境、 图ｌ位置伺服系统结构图 负载状态的变化实时的调整控制算法和控制参数，不能 充分发挥不同控制算法的性能特点，从而影响了伺服驱 由于采用的被控对象是交流伺服电机，选用的驱动 动器在不同工作环境下性能的发挥。因此，为解决上述 器为ＭＳＤＡ０８３Ａ１Ａ。该驱动器的位置反馈检测元件为光 问题，本文提出了一种基于ＤＳＰ的交流伺服位置控制系 电编码器，它直接将电机角度和位移的模拟信号转换为 统。ＤＳＰ具有极强的数字计算能力，很多新型的控制算 数字信号，其输出有 Ｂ和同步脉冲Ｃ，其中Ａ，Ｂ为 法被用于伺服控制，实现了“软件化”的全数字伺服驱 差分脉冲信号，被用于判断方向和计量位移。这样，对 动器，有效地提高了伺服系统的动态和静态品质。如频 于电机驱动器需要输出一ＩＯＶ￣＋ＩＯＶ的电压控制信号，需 率特性、移动速度、跟随精度和定位精度等。同时使得 要设计Ａ／Ｄ转换电路。对于反馈同路，可利用ＤＳＰ的 用户根据负载状况（如惯量、间隙、摩擦力等）调整参 ＥＶ模块的正交编码脉冲电路。每个ＥＶ模块中的正交编 数更为方便，也省去了一些模拟回路所产生的漂移等不 码脉冲电路的方向检测逻辑决定了两个序列中的哪一个 稳定因素。 是先导序列。接着以它就产生方向信号作为通用定时器 的计数方向输入，通过定时器进行增计数或减计数来进 １位置控制系统的组成 行方向的确定。 位置伺服控制系统工作时，是以足够的位置控制精 由于在上位机需要对电机的运行进行控制，所以电 度（定位精度）、位置跟踪精度（位置跟踪误差）和足够 路中需要设计与上位机进行通讯的电路，这里采用ＵＳＢ 快的跟踪速度作为其的主要控制目标。随着智能功率集 总线与上位机通讯。控制系统的硬件结构图如图２。 成电路和数字信号处理器的发展，使得伺服系统模块化 整个控制系统以ＴＭＳ３２０Ｕ１２４０７Ａ为核心，可分为５ 和数字化以及长期以来建立起来的一些复杂控制算法得 个部分：①电源转换电路及复位电路；②存储器扩展电路 以容易实现，并且更好的满足了伺服系统定位精度、跟 及译码电路；③模拟量输出电路；④数字量输入输出电 路；⑤ＵＳＢ通讯接口电路。下面介绍其中几个主要电路。 收稿日期：２００６—０１—０９ １．１ 电源转换电路 作者简介：苏宏志（１９７３－），男。讲师，硕士研究生。研究 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ芯片的工作电压是３．３Ｖ，而很多 方向为机械电子工程。 围芯片的工作电压都是５Ｖ，因此就存在一个如何将３．３Ｖ １３９ 维普资讯 http://www.cqvip.com ・测试与控制・ 盥銎 数据总线直接相连。通过ＣＰＬＤ的不完全３—８译码，把 ＩＳＰ１５８１的寄存器地址放到ＤＳＰ的扩展数据区０ｂ（８０ｏＯ一 ０ｂ（９Ｏｏ０内。 目 ２系统软件的设计 Ｌ三 墨重量 本文位置伺服系统得软件设计分为两大部分，一是 上位机监控软件，二是控制器的软件设计。 圈２控制系统硬件结构圈 上位机监控软件是在Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ操作系统下利用 ＤＳＰ芯片与５Ｖ芯片接口的问题。５Ｖ ＩⅡ输出到３．３ＶＤＳＰ Ｖｉｓｕａｌ Ｃ＋＋进行开发的多文档模板应用程序。在ＭＦＣ的 ＣＭ０Ｓ，５Ｖ ＣＭ０Ｓ输出到３．３Ｖ ＤｓＰ ＣＭＯＳ，３．３Ｖ ＤｓＰ ＣＭＯＳ ＭＤＩ框架中对文档的处理是通过文档模板来实现的，每 输出到５Ｖ ＩⅡ，３．３Ｖ ＤＳＰ ＣＭＯＳ输出到５Ｖ ＣＭＯＳ等，这 一个文档模板都有其对应的资源、文档类、视图类、子 些接口都需要首先进行电平转换。图３，图４分别给出了 框架窗口类四个要素。文档模板通过ＲＵＮ ⅡＭＥ— ３．３Ｖ ＤＳＰ ＣＭ０Ｓ输出到５Ｖ ＣＭＯＳ输入和５ Ｖ ＣＭＯＳ输出 ＣＬＡＳＳ ０宏使应用程序在运行时动态生成上述文档、视 到３．３ Ｖ ＤＳＰ ＣＭＯＳ输入的典型电平转换电路。 图和子框架窗口派生类的对象，并使其协调工作以支持 ＤｓＰ 文档／视图结构。视图类是用来与用户进行信息交换的； ３．３Ｖ ５Ｖ ５Ｖ —－＿＿ ＿ 子框架窗口类则负责集成对文档的处理功能。多文档模 — 匕： Ｌ ・ ． 板程序的构建需要对相应的资源和代码进行修改，并响 匕ｊ － ｃｎ 应具体所对应的消息。 Ｉ ＣＭＯＳ ． ｒ ＣＭＯＳ 控制器中软件采用Ｃ语言进行编写和调试的，编译 圈３ ３．３Ｖ一５Ｖ电平转换 圈４ ５Ｖ一３．３Ｖ电平转换 环境是ＣＣＳ（Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ）。该控制软件总体上 由一个初始化程序和一个运行程序两部分组成。主程序 １．２模拟量输出电路 主要完成ＤＳＰ硬件及软件变量的初始化，使能中断的功 对于高性能的运动控制器应该采用高分辨率的Ｄ／Ａ 能；初始化程序在每次复位中断驱动中执行，ＤＳＰ的复 转换器，为保证模拟量控制信号的精度，并考虑到模拟 位中断是一种不可屏蔽中断，在系统上电、片内看门狗 量信号在线上传输所引起的漂移和电压压降，运动控制 定时器溢出、非法抵制操作及软件指令触发，都可以产 器和伺服驱动器之间的模拟控制接口信号至少应该在１２ 生复位中断。运行程序包括一个无限循环和一个中断服 位以上的精度。由于ＴＭＳ３２ＯＬＦ２４０７Ａ中的Ｄ／Ａ转换为 务程序，在中断服务程序中处理与上位机的通讯，读取 １Ｏ位的，对于高精度的伺服控制并不能达到要求，这里 ＱＥＰ的计数和控制算法程序。这里中断采用的是ＥＶＡ 采用了ＰＣＭ５６Ｕ。它是一个串行输入的１６位的单片集成 模块中的ＧＰＴｉｍｅｒｌ的下溢中断来启动中断程序的运行。 电路，采用双电源供电，供电范围从士５Ｖ到士１２Ｖ。 控制软件的结构图如图５。 ＰＣＭ５６Ｕ的数据输入来自于ＤＳＰ，利用２４ｏ７的串行外设 接口模块（ＳＰ１）发送波特率为２Ｍ的串行数据。 １．３ ＵＳＢ通讯接口电路 在传统的控制系统中，大部分采用ＲＳ２３２，Ｒｓ４８５ 实现上位机与控制器的通讯，但这种通讯方式速度慢， 而且Ｒｓ２３２的误码率高。本控制器采用的是ＵＳＢ通讯， 用ＵＳＢ２．０芯片ＩｓＰ１５８１。其内部含有两种总线结构配 置，即：通用处理器工作模式和断开总线工作模式，上电 时由ＢＵＳ－ＣＯＮＥ输入管脚进行选择。由于断开总线工 （ａ）主程序流程 （ｂ）中断服务程序 作模式的ＡＤ用的是８位本地微处理器总线（多路复用 圈５控制器软件结构圈 地址／数据），而ＤＳＰ（２４０７）的地址线和数据线是分开 的，所以这里只能采用通用处理器工作模式。令ＢＵＳ＿ ３实验研究 ＣＯＮＦ＝Ｉ，选用８位地址总线，本文采用的是ＤＳＰ的１６ 以交流伺服电机（ＭＩＮＡＳ Ａ系列）作为被控对象， 位地址总线的低８位，选用１６位数据总线（处理器和 利用该系统做了半闭环位置伺服实验。在实验时设计了 ＤＭＡ共享），这里将ＩＳＰ１５８１的数据总线和ＤＳＰ的１６位 经典的ＰＩＤ控制方法以及人工神经网络结合ＰＩＤ的复合 １４０ 维普资讯 http://www.cqvip.com ・测试与控制・ 控制方法，并且分别设计它们的控制程序。在阶跃信号 了伺服系统的体积，降低了成本。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ先进 输下经典ＰＩＤ和神经网络ＰＩＤ算法的时域响应，实验效 的内部总线结构及指令执行的高速性，极大提高了系统 果良好，证明了基于ＤＳＰ交流伺服位置系统的实用性。 的实时性和控制精度，使得一些复杂的算法得以实现。 ４结论 参考文献： ［１】陈伯时．电力拖动自动控制系统【Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９９３． 目前大多数运动控制系统仍采用单片机来进行设 ［２】ＴＭＳ３２０Ｆ２ｄＯＸＤＳＰＣｏｎｌｒｏｌｌｅｒｓＲｅｆｅｒｅｎｃｅＳｅｔ［ｑＣｕ．ｃｓ￣Ｐｒｉｎｔｉ．ｇ Ｃｏｍｐａｎｙ， 计，虽然成本相对较低，但运算能力较弱难以完成大运 １９９７，２． 算量算法。以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ作为控制芯片设计了位 ［３】吴峻，赵葵银．基于ＤＳＰ的全数字交流位置伺服控制系统的研究 ［ＪＪ＿机床与液压，２００３，５． 置控制器，弥补以往控制器与上位计算机通讯速率低的 ［４】崔海波，唐平．基于ＤＳＰ的全数字交流位置伺服控制系统的研究 缺陷，并且通过ＴＭＳ３２０ＴＪＦ２４０７Ａ具有的强大高速运算 ［Ｊ】．湘潭师范学院学报（自然科学版），２００２。４． 能力，片内集成了丰富的电机控制外围部件和电路，简 ［５】唐勇奇，赵葵银．基于Ｉｎｔｅ１８０Ｃ１９６的通用伺服控制系统Ⅲ．电子技 化了控制电路的硬件设计，提高了系统的可靠性，减小 术应用，２０ｏｌ，４． ＡＣ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｒｖｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ＳＵ Ｈｏｎｇ－Ｚｈｉ，ＧＡ０ Ｗｅｎ—Ｈｕａ （Ｓｈａａｎｘｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃｌａ Ｉｎｓｉｔｔｕｔｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ Ｓｈａａｎｘｉ ７１２０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｄｉｇｉｉｔｚｅｄ ＡＣ ｐｏｓｉｉｔｏｎ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ．Ｉｔ ｆｔｄｌｙ ｕｔｉｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｗｅａｌｔｈｙ ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌｓ ａｎｄ ｇｈ— ｓｐｅｅｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ＤＳＰ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｓｉｍｐｌｙ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｄｅｐｅｎｄａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｔ ｕｔｉｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｅｘ竹ｅｍｅｌｖ ｓｔｒｏｎｇ ｉｄｉｇ￣ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｙｔ ｏｆ ＤＳＰ ｔｏ ｍａｋｅ ａ ｌｏｔ ｏｆ ｎｅｗ—ｔｙｐｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｈｔｍｓ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｈａｖｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ａｌｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｅｒｖｏ ｄｒｉｖｅｒｓ ｏｆ“ｓｏｆｔｗａｒｅ”．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｓｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ａｙｎａｍｉｃ ａｎｄ ｓ￣ｔｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｅｒｔａｉｎ ｕｓａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＤＳＰ；ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ；ＡＣ ｓｅｒｖｏ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ （上接第１３６页）动静态特性的进一步提高，需要更为 高功率低速运行的应用也将成为未来的发展方向。 完善的逆变器／电机模型，综合考虑不同运行条件下的 电机磁路饱和、绕组集肤效应、逆变器的非线性以及电 ３结束语 机参数变化等因素。在更为精确的自适应电机模型基础 无速度传感器矢量控制（ＳＶＣ）由于省去速度传感 上，低速转矩脉动将进一步减小，稳速精度将进一步提 器，取消了相关的码盘连线，减小了系统的维护成本， 高，对负载扰动的响应更快，对电机参数变化的稳定性 提高了系统可靠性，为逆变器／电机的一体化设计奠定 将进一步加强。特别是具有宽范围调速（包括零速）和 了基础。先进的ＳＶＣ控制在高速数字信号处理平台上， 高精度转速调节、转矩控制（而不仅是转矩限定）的 通过建立精确的电机模型和引入高级控制策略大幅度提 ＳＶＣ控制系统与ＦｖＣ控制系统的差距将逐步减小，并有 高驱动器的动静态性能，并向上发展取代部分闭环矢量 望取代部分伺服应用领域。 控制与伺服控制应用领域。ＳＶＣ已成为通用变频器中的 未来的一些进步还将体现在高速处理器及外设上。 事实驱动标准，其应用领域将进一步拓展。 ＤＳＰ十ＡＳＩＣ／ＦＰＧＡ的控制器结构使得系统的信号并行处 参考文献： 理能力更为强大，在此基础上可以支持核心程序以非 【１】王耀南．智能控制系统［Ｍ】．长沙：湖南大学出版社，１９９６． 常快的速度运行，保证ＳＶＣ系统对速度指令及负载变 【２】刘金琨．先进ＰＩＤ控制ＭＡＴＬＡＢ仿真【Ｍ】．北京：电子工业出版 社．２００４． 化有更快的响应，这对高性能的数字控制系统是非常 ［３】冯国楠．现代伺服系统的分析与设计［Ｍ】．北京：北京工业大学出 重要的。 版社，２００１． 此外，无速度传感器控制方式下的多机运行以及在 ［４】尔联洁．自动控制系统【Ｍ】．北京：航空工业出版社，１９９４． Ｔｈｅ Ｓｔｕｄｙ Ａｂｏｕｔ ｔｈｅ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｗａｙ ｏｆ Ｎｏ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｓｅｎｓｏｒ ｏｆ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｃｈｉｎｅ ＱＩＡＮ ｌｉｎ，ＬＩＵ Ｙｉｎｇ－Ｈｕｉ （Ｈｕｎａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ，Ｚｈｕｚｈｏｕ Ｈｕｎａｎ ４１２０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ａｕｔｈｏｍ ｂａｓｅ ｔｈｅｉｒ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｙ ｔｈｅ ｗａｙｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ａｂｏｕｔ ｎｏ—ｖｅｌｏｃｉｙｔ ｓｅｎｓｏｒ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｂｏｕｔ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅｙ ａｌｓｏ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅｉｒ ｃｏｎｃｅｉｖｅｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ Ｓ ｐｏｓｔｅｒｉｏｒ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｃｈｉｎｅ；ｗｉｔｈｏｕｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｓｅｎｓｏｒ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ １４１
