1、基于 TMS320LF2407 的直流直线电机控制系统设计设计?研究 电加工与模具 12005 年第 3 期基于 TMS320LF2407 的直流直线电机控制系统设计霍孟友张光远(山东大学机械工程学院,山东济南 250061)摘要: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 TMS320LF2407 控制器外设接口丰富及运算速度快的特点,以 PC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.关键词:DSP 控制;直流直线电机;P
2、WM;光栅尺TheDesignOfDCLinearMotorControlSystemBasedonTM$320LF2407HuoMengyou,ZhangGuangyuan(ShandongUniversity,Jinan250061,China)Abstract:ThispaperpresentsaDClinearmotorfeedingcontrolsystemwhichisappliedtothefeedingunitsoftheelectricaldischargemachiningtoolbasedonDSP.Itfullyutilizesthewealthyperipherala
3、ndhighspeedcalculationfunctionofDSP,andusesthedoubleCPUconstitutedPCandDSP,byutilizingPWMcontrolstrategies,usingarasterrulerassensorofspeedandposition,andimplementsthetaskofpositionandspeedcontro1.Thedesignmethodofthehardwareandsoftwareisdescribedindetails.Keywords:DSPcontrol;DClinearmotor;PWM;raste
4、rruler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 L1J.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
5、收稿日期:20050lO6基金项目:山东省优秀中青年科学家奖励基金资助项目 (02BS078)第一作者简介:霍孟友,男,1964 年生,副教授.重点介绍了系统硬件和软件的设计方法.1 控制系统组成及工作原理伺服系统结构框图如图 1 所示.主要由 DSP,PWM 驱动隔离模块,H 型桥式功率驱动模块,位移速度检测模块,电流检测模块,电极间隙电压检测模块,串行通信模块和显示模块等组成.系统采用主从结构,以 PC 机作为上位机 ,以 DSP 芯片TMS320LF2407 为核心构成的直流直线电机控制系统为下位机.上位机利用 Delphi 来开发 DSP 与PC 机的异步串行通讯,以便进行命令的发送和
6、实时监控.下位机 DSP 主要完成闭环系统数据的采集和控制算法,从而对直线电机驱动的电极进给单元进行实时控制.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 J.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,送一19电加工与模具2005 年第 3 期设计?研究,_l_二二.7 二.显巫堕丛 l,通摸,/,/:二二:一存储器 IsPISCII/O控制控制控制控制T/if 露婀需一一一一兰三兰一|l_一一鬣一;一一二.二一塑垦 l,冲 I.Ii 二=二 llI 匮图 1 伺服系统结构框图入 DSP 的 ADC 转换口 A
7、DCIN1;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 L3J.由于加工过程中电极处于液面以下且有损耗,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 U 与当前位置反馈量 U的偏差U=U一U,作为数字位置控制器的输入,用以确定速度给定值 Urj;计算速度给定值与速度反馈值的偏差电压U=UU, 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
8、U.再与电流反馈 U作偏差运算后得U=U一U,U 作为数字电流控制器的输入,经过运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.2DSP 控制系统硬件设计2.1 功率驱动电路设计接口电路图见图 2.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,线圈内能流过两个方向的电流
9、,因此功率驱动电路必须是 H 型桥式斩波驱动电路.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 200V,最大栅源电压为20V,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 15V 的齐纳二极管1N4744 和一个 20kt2 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算处理后,得到控制电压.U 经过处理后,由管,即 VD1,VD
10、2,VD3,VD4,选用MUR820.TlI】丌 8 目 I蓖.耍卜卜眩卜=浮嚼=m 牛牛篇 =学滢IR 朋 lJ 一)】(一 IlL 一I图 2H 型功率驱动电路图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 LF2407 提供的 PWM 脉冲信号通过隔离变换后作用于控制输入端 Hi 和 Li,两路输出 H.和一20 一L.与输入 Hi 和 Li 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设计
11、?研究 电加工与模具 72oo5 年第 3 期好的可控性.正常工作时,电源对自举电容的充电是在快恢复二级管 VD 的导通期间进行.此时,MOSFET 截止,其源极电位接近地电位,+15V 电源通过 D,给 Cq 充电,使 C 上的电压接近+l5V.当 MOSFET 导通而 VD1 截止时,Cq 自举,D7 截止,Cq 上存储电荷为 IR2Ii0 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
12、尺输出两路相位相差 90.的+5V 方波脉冲信号,经74LS14 整形和 SN74LvTH245 的隔离后,送人LF2407 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 电流检测接口电路图如图 3 所示.
13、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一 1.65+1.65V. 而 LF2407的 ADC 的输入电压信号要求是 03.3V,为此,利用偏置
14、电路和限幅电路将放大的电压范围限制在 03.3V 之间,以便供给 LF2407A 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,得到方波信号流的幅值.图 3 电流检测电路图2.2.3 电极间隙电压检测接口电路图如图 4 所示.本系统采用问隙电压平均值检测法.间隙脉冲电压经过 R22 分压,由 R,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+3.3v,由 LF2407A的 ADCIN2 输入
15、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(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.2.3 串行通信接口设计为了实时地监控下位机的工作状态,本系统设计了上位机与下位机通信的电路模块.利用TMS320LF2407A 的串行通信接口 SCI 与 RS 一 232串行口进行 DSP 与 PC 机之间的异步通信.上位机PC 需要向下位机发出各种控制命令和参数,而下位机
16、也要及时将电机的运行状态信息送到上位机,以一21电加工与模具2OO5 年第 3 期设计?研究图 4 间隙电压检测电路便上位机进行数据分析,存储和显示.由于上位机的 RS 一 232C 电平与下位机的 TTL电平不一致,系统利用电平转换芯片 MAX232 进行串行通信.另外,由于 LF2407 的 SCITXD 和SCIRXD 输入输出高电平只有+3.3V,而 MAX232属于 5V 器件,故在 MAX232 与 TMS320LF2407 之间需加电平匹配电路.3DSP 控制系统软件设计3.1 上位机软件上位机软件采用 Delphi6.0 编写,主要完成控制命令的操作,控制参数设置,系统状态数据
17、处理和界面处理.程序流程图见图 5.开始一串 L】初始化设置,I,_图 5 上位机程序流程不意图3.2 下位机软件下位机软件主要由主程序和中断子程序组成.主程序主要完成 DSP 系统初始化,变量初始化.中断子程序主要包括捕获周期中断,ADC 数据采集中断,串行口中断.捕获周期中断主要用于定时完成电极当前位置和速度的采集.ADC 数据采集中断一22 一主要完成电流和电极间隙电压的采集,程序流程图见图 6.断人【 l采样电流 A,D 转换二二:二二.j采样间隙电压计算反馈速度值 A/D 转换 l二二二!一一l 计算当前速度与乜压值数字滤波一给定速度的误差一厂一_ 读光栅尺脉冲速度 PID 调节计算
18、位移计算当前电流点设定电流的误差一一电流 PI 调节计算 PWM 的占空比计算位置误差直线电机运行方向控制生土一位置 PID 调节返回I图 6 中骱子程序流程不恿图4 结论本系统利用直线电机的优点,结合电火花加工的工艺需要,采用电流环,速度环和位置环控制电极的位置和速度,并充分利用了 DSP 丰富的外部资源和快速性,能达到较高的控制精度并具备良好的调速特性.同时,系统采用 Delphi6.0 开发的用户监控程序能对下位机进行实时监控和操作,具有良好的实时性.参考文献:1孟繁华,赵玉新 ,高新.直线电动机驱动电火花成形机主轴头的研制.电加工与模具,2001(1):2l232秦继荣,沈安俊 .现代直流伺服控制技术及其系统设计.北京:机械工业出版社,19933曲智勇,董申 ,张飞虎.基于 DSP 的直线电机位置伺服系统 .机械工程师,2002(5):l5l7
