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在印染機械設備生產(chǎn)加工過(guò)程中，各個(gè)傳動(dòng)單元分別由獨立的電機驅動(dòng)。為了保證整機各單元同步協(xié)調工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量，需要設計相應的同步控制器。多單元同步傳動(dòng)是印染機械設備同步控制的關(guān)鍵，但由于交流電機嚴重的非線(xiàn)性，系統的動(dòng)態(tài)特性和相應的參數受外界擾動(dòng)因素的影響，增加了實(shí)際同步控制的難度，降低了實(shí)際的控制精度。傳統的控制方案設計如帶轉換式松緊架的同步系統可靠性差，控制精度不高，難以獲得滿(mǎn)意的控制效果，又由于系統要求快速同步動(dòng)態(tài)跟隨，不允許有大的超調。因此提出一種基于DSP和FPGA的嵌入式控制器，以提高系統的動(dòng)態(tài)跟隨速度和同步性能。該控制裝置可直接嵌入電控裝置內，實(shí)時(shí)、高性能地完成控制功能。 1 系統的總體控制策略 大多數印染設備根據工藝要求都采用聯(lián)合機方式組成多單元同步拖動(dòng)系統，主電機的速度作為各從動(dòng)電機的給定速度，各從動(dòng)單元分別由各自的異步電機拖動(dòng)，系統要求各單元電機保持同步運轉，即各從動(dòng)電機線(xiàn)速度始終保持與主電機速度一致，或保持一定的比例關(guān)系。為了驗證控制方案的可行性，以雙單元(主動(dòng)機、從動(dòng)機)交流同步拖動(dòng)系統為例進(jìn)行了研究。印染設備控制系統組成框圖如圖1所示。 主動(dòng)機和從動(dòng)機分別由變頻器1和變頻器2供電。同軸安裝光電旋轉編碼器，光電旋轉編碼器將主從動(dòng)機的轉速信號轉換成脈沖信號，并送給控制器進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)控制算法，輸出數字控制量到從動(dòng)機的變頻器，改變其運行頻率，調整從動(dòng)機的轉速，使之與主動(dòng)機保持同步。由以上分析可知，主從動(dòng)機保持同步是控制器設計的關(guān)鍵�？刂破骱诵挠�16位的微處理器(DSP)和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)組成�；贒SP+FPGA的嵌入式同步控制器，具有結構靈活，通用性強的特點(diǎn)，適用于模塊化設計，可大大減少系統的外圍器件，降低成本。DSP作為運算控制的核心，主要完成電機啟停，控制算法的實(shí)現和各類(lèi)接口處理等；FAPG作為數據采集模塊的核心，負責數據采集和鍵盤(pán)接口電路的實(shí)現。 為了使印染設備各單元同步協(xié)調工作，提高系統的響應速度，對各單元電機的線(xiàn)速度采用雙�？刂频姆椒�，即將Bang-Bang控制與PID控制結合起來(lái)使用。在∣e∣＞δ(δ為某一常數)時(shí)，實(shí)行Bang-Bang控制，以最快的速度使調節參數逼近給定值；在∣e∣＜δ時(shí)，實(shí)行數字PID調節，以消除系統的調節偏差。這樣即可加快控制過(guò)程，又可保證系統超調較小，從而取得良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 2 系統主要硬件組成 嵌入式控制器的硬件結構如圖2所示。DSP為系統的核心單元，它對采集的各種參數進(jìn)行運算、分析和顯示，并可通過(guò)通信模塊與本地帶485接口的儀表通信。選用TI公司的TMS320LF2407A型DSP芯片，它采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，供電電壓降為3.3 V，功耗小，具有30 MIPS的執行速度，使得指令周期縮短到33 ns，提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力；片內有高達32 KB的FLASH程序存儲器。16位TMS320LF2407A型DSP芯片具有采樣速度快，浮點(diǎn)處理速度高，穩定性好等特點(diǎn)。DSP的特殊結構和優(yōu)良性能滿(mǎn)足了系統的需要。 FPGA采用Altera公司的FLEX系列芯片EPF10K10LC84，具有高密度，低成本，低功率等特點(diǎn)，可支持多電壓I／O接口，是在PAL，GAL，EPLD等可編程邏輯器件的基礎上發(fā)展起來(lái)的，非常適于時(shí)序、組合等邏輯電路的應用場(chǎng)合。FPGA作為一個(gè)外部協(xié)處理器使用，通過(guò)總線(xiàn)與DSP處理器連接，主要實(shí)現的功能是脈沖計數、鍵盤(pán)掃描等。FPGA最大的特點(diǎn)是它的內部邏輯在線(xiàn)的可重構性。當應用需求發(fā)生變化時(shí)，對FPGA重新進(jìn)行編程，即可改變其邏輯行為，大大提高了系統的開(kāi)放性和可重構性。FPGA的高速性和靈活性也保證了系統的實(shí)時(shí)性，并且簡(jiǎn)化了系統的外圍電路，降低了成本。 顯示模塊采用G35LCD屏，通過(guò)總線(xiàn)與DSP的連接，通過(guò)配置相關(guān)寄存器，編寫(xiě)調用相關(guān)應用程序接口函數即可顯示待測參數、運行狀態(tài)及其他輔助信息。通信模塊由RS 485接口電路組成，可以用它將控制器和變頻器連接在一起。通過(guò)通信實(shí)現由控制器設定和修改變頻器的參數，以監視其工作狀態(tài)。為了便于實(shí)現現場(chǎng)調試、數據輸入和命令傳送等控制功能，該系統設計了一個(gè)4×4的矩陣鍵盤(pán)。采用FPGA來(lái)完成鍵盤(pán)接口電路，可節省I／O資源，減輕處理器負擔，提高系統的整體性能。數據采集模塊用2個(gè)旋轉編碼器把電機轉速轉換為數字脈沖，由FPGA記錄脈沖值，DSP通過(guò)中斷讀取數值。經(jīng)運算處理后，經(jīng)通信模塊輸出控制量U(k)到各從動(dòng)機的變頻器，通過(guò)變頻器調節從動(dòng)機的轉速，使其不斷跟隨主動(dòng)機轉速的變化而實(shí)現同步。以上設計提高了系統的靈活性和通用性，降低了開(kāi)發(fā)成本，可作為一個(gè)獨立模塊與嵌入式系統連接。 3 系統主要軟件設計 這里的程序采用模塊化設計，軟件主要包括主程序、數據采集程序、通信子程序、顯示子程序、雙�？刂扑惴ǔ绦虻�。初始化程序主要完成各個(gè)寄存器的清零、定時(shí)器的初始化等。數據采集程序主要完成各電機轉速的測量，顯示子程序主要完成各輸入量和各設定值的顯示。雙�？刂瞥绦蛑饕脕�(lái)提高系統的響應速度和穩定性能。主程序和雙�？刂瞥绦蛉鐖D3、圖4所示。 4 試驗驗證 為了驗證控制方案的可行性，在實(shí)驗室以雙單元異步電機(主動(dòng)機、從動(dòng)機)交流同步拖動(dòng)系統為對象進(jìn)行了模擬實(shí)際系統的實(shí)驗。主電機型號Y90S-4；額定功率1.1 kW；額定電壓380 V；額定電流2.8 A；額定轉速1 400 rad／min；接法Y；頻率50 Hz；從動(dòng)機型號Y80-4；額定功率0.75 kW；額定電壓380 V；額定電流7 A；額定轉速1 450 rad／min；接法Y；頻率50 Hz。選用直流發(fā)電機2臺，分別由2臺三相異步電動(dòng)機拖動(dòng)，加變阻箱后作為電動(dòng)機的負載。兩臺變頻器對兩臺三項異步電動(dòng)機進(jìn)行驅動(dòng)。光電編碼器將從動(dòng)機的轉速信號轉換成脈沖信號，并送給控制器進(jìn)行處理。 試驗測得兩電機的轉速后繪制的曲線(xiàn)如圖5～圖8所示。 結果顯示，系統進(jìn)行過(guò)程中，主從電機低頻段的跟隨精度稍差，而高頻段的跟隨精度較高。主從電機在較寬的調速范圍內都能達到很好的同步性能，動(dòng)態(tài)過(guò)程的同步控制效果也較好，達到了預期的效果。 5 結語(yǔ) 研究表明，系統采用基于DSP和FPGA的嵌入式同步控制器后，對于多單元同步系統的動(dòng)態(tài)同步性能有了明顯的改造，運行穩定，無(wú)波動(dòng)，達到了各分單元同步傳動(dòng)的控制要求，兼顧了系統響應的快速性和穩定性的要求，且控制精度高，具有很高的應用價(jià)值。 |
