摘 要：針對印染設備多單元同步控制中動態性和穩定性的問題，提出一種基于DSP和FPGA的嵌入式同步控制器設計方案。DSP作為運算控制的核心，負責控制算法的實現；FPGA作為數據采集模塊的核心，負責數據采集的實現。該系統具有結構靈活，通用性強的特點，且大大減少了系統的外圍接口器件，降低了成本。采用Bang-Bang控制和數字PID控制相結合的雙模控制算法，滿足了系統響應快速性和穩定性的要求，提高了可靠性，具有很高的實用價值。
關鍵詞：嵌入式；同步控制；DSP；FPGA
在印染機械設備生產加工過程中，各個傳動單元分別由獨立的電機驅動。為了保證整機各單元同步協調工作，提高產品質量，需要設計相應的同步控制器。多單元同步傳動是印染機械設備同步控制的關鍵，但由于交流電機嚴重的非線性，系統的動態特性和相應的參數受外界擾動因素的影響，增加了實際同步控制的難度，降低了實際的控制精度。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，難以獲得滿意的控制效果，又由于系統要求快速同步動態跟隨，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，以提高系統的動態跟隨速度和同步性能。該控制裝置可直接嵌入電控裝置內，實時、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合機方式組成多單元同步拖動系統，主電機的速度作為各從動電機的給定速度，各從動單元分別由各自的異步電機拖動，系統要求各單元電機保持同步運轉，即各從動電機線速度始終保持與主電機速度一致，或保持一定的比例關系。為了驗證控制方案的可行性，以雙單元(主動機、從動機)交流同步拖動系統為例進行了研究。印染設備控制系統組成框圖如圖1所示。
主動機和從動機分別由變頻器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機的轉速信號轉換成脈沖信號，并送給控制器進行處理，經過控制算法，輸出數字控制量到從動機的變頻器，改變其運行頻率，調整從動機的轉速，使之與主動機保持同步。由以上分析可知，主從動機保持同步是控制器設計的關鍵。控制器核心由16位的微處理器(DSP)和現場可編程門陣列(FPGA)組成。基于DSP+FPGA的嵌入式同步控制器，具有結構靈活，通用性強的特點，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，控制算法的實現和各類接口處理等；FAPG作為數據采集模塊的核心，負責數據采集和鍵盤接口電路的實現。為了使印染設備各單元同步協調工作，提高系統的響應速度，對各單元電機的線速度采用雙模控制的方法，即將Bang-Bang控制與PID控制結合起來使用。在|e|>δ(δ為某一常數)時，實行Bang-Bang控制，以最快的速度使調節參數逼近給定值；在|e|<δ時，實行數字PID調節，以消除系統的調節偏差。這樣即可加快控制過程，又可保證系統超調較小，從而取得良好的動態品質。
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行運算、分析和顯示，并可通過通信模塊與本地帶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CMOS技術，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，提高了控制器的實時控制能力；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，浮點處理速度高，穩定性好等特點。DSP的特殊結構和優良性能滿足了系統的需要。
FPGA采用Altera公司的FLEX系列芯片EPFl0Kl0LC84，具有高密度，低成本，低功率等特點，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展起來的，非常適于時序、組合等邏輯電路的應用場合。FPGA作為一個外部協處理器使用，通過總線與DSP處理器連接，主要實現的功能是脈沖計數、鍵盤掃描等。FPGA最大的特點是它的內部邏輯在線的可重構性。當應用需求發生變化時，對FPGA重新進行編程，即可改變其邏輯行為，大大提高了系統的開放性和可重構性。FPGA的高速性和靈活性也保證了系統的實時性，并且簡化了系統的外圍電路，降低了成本。
顯示模塊采用G35LCD屏，通過總線與DSP的連接，通過配置相關寄存器，編寫調用相關應用程序接口函數即可顯示待測參數、運行狀態及其他輔助信息。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。通過通信實現由控制器設定和修改變頻器的參數，以監視其工作狀態。為了便于實現現場調試、數據輸入和命令傳送等控制功能，該系統設計了一個4×4的矩陣鍵盤。采用FPGA來完成鍵盤接口電路，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通過中斷讀取數值。經運算處理后，經通信模塊輸出控制量U(k)到各從動機的變頻器，通過變頻器調節從動機的轉速，使其不斷跟隨主動機轉速的變化而實現同步。以上設計提高了系統的靈活性和通用性，降低了開發成本，可作為一個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、雙模控制算法程序等。初始化程序主要完成各個寄存器的清零、定時器的初始化等。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。雙模控制程序主要用來提高系統的響應速度和穩定性能。主程序和雙模控制程序如圖3、圖4所示。
4 試驗驗證
為了驗證控制方案的可行性，在實驗室以雙單元異步電機(主動機、從動機)交流同步拖動系統為對象進行了模擬實際系統的實驗。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。選用直流發電機2臺，分別由2臺三相異步電動機拖動，加變阻箱后作為電動機的負載。兩臺變頻器對兩臺三項異步電動機進行驅動。光電編碼器將從動機的轉速信號轉換成脈沖信號，并送給控制器進行處理。
試驗測得兩電機的轉速后繪制的曲線如圖5～圖8所示。
結果顯示，系統運行過程中，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，動態過程的同步控制效果也較好，達到了預期的效果。
5 結 語
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態同步性能有了明顯的改善，運行穩定，無波動，達到了各分單元同步傳動的控制要求，兼顧了系統響應的快速性和穩定性的要求，且控制精度高，具有很高的實用價值。