摘 要：針對(duì)印染設(shè)備多單元同步控制中動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性的問(wèn)題，提出一種基于DSP和FPGA的嵌入式同步控制器設(shè)計(jì)方案。DSP作為運(yùn)算控制的核心，負(fù)責(zé)控制算法的實(shí)現(xiàn)；FPGA作為數(shù)據(jù)采集模塊的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活，通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，且大大減少了系統(tǒng)的外圍接口器件，降低了成本。采用Bang-Bang控制和數(shù)字PID控制相結(jié)合的雙模控制算法，滿足了系統(tǒng)響應(yīng)快速性和穩(wěn)定性的要求，提高了可靠性，具有很高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：嵌入式；同步控制；DSP；FPGA
在印染機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)加工過(guò)程中，各個(gè)傳動(dòng)單元分別由獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了保證整機(jī)各單元同步協(xié)調(diào)工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的同步控制器。多單元同步傳動(dòng)是印染機(jī)械設(shè)備同步控制的關(guān)鍵，但由于交流電機(jī)嚴(yán)重的非線性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和相應(yīng)的參數(shù)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(tǒng)的控制方案設(shè)計(jì)如帶轉(zhuǎn)換式松緊架的同步系統(tǒng)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(tǒng)要求快速同步動(dòng)態(tài)跟隨，不允許有大的超調(diào)。因此提出一種基于DSP和FPGA的嵌入式控制器，以提高系統(tǒng)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(nèi)，實(shí)時(shí)、高性能地完成控制功能。
1 系統(tǒng)的總體控制策略
大多數(shù)印染設(shè)備根據(jù)工藝要求都采用聯(lián)合機(jī)方式組成多單元同步拖動(dòng)系統(tǒng)，主電機(jī)的速度作為各從動(dòng)電機(jī)的給定速度，各從動(dòng)單元分別由各自的異步電機(jī)拖動(dòng)，系統(tǒng)要求各單元電機(jī)保持同步運(yùn)轉(zhuǎn)，即各從動(dòng)電機(jī)線速度始終保持與主電機(jī)速度一致，或保持一定的比例關(guān)系。為了驗(yàn)證控制方案的可行性，以雙單元(主動(dòng)機(jī)、從動(dòng)機(jī))交流同步拖動(dòng)系統(tǒng)為例進(jìn)行了研究。印染設(shè)備控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
主動(dòng)機(jī)和從動(dòng)機(jī)分別由變頻器1和變頻器2供電。同軸安裝光電旋轉(zhuǎn)編碼器，光電旋轉(zhuǎn)編碼器將主從動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，并送給控制器進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)控制算法，輸出數(shù)字控制量到從動(dòng)機(jī)的變頻器，改變其運(yùn)行頻率，調(diào)整從動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使之與主動(dòng)機(jī)保持同步。由以上分析可知，主從動(dòng)機(jī)保持同步是控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。控制器核心由16位的微處理器(DSP)和現(xiàn)場(chǎng)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(jié)構(gòu)靈活，通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于模塊化設(shè)計(jì)，可大大減少系統(tǒng)的外圍器件，降低成本。DSP作為運(yùn)算控制的核心，主要完成電機(jī)啟停，控制算法的實(shí)現(xiàn)和各類接口處理等；FAPG作為數(shù)據(jù)采集模塊的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和鍵盤接口電路的實(shí)現(xiàn)。為了使印染設(shè)備各單元同步協(xié)調(diào)工作，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，對(duì)各單元電機(jī)的線速度采用雙模控制的方法，即將Bang-Bang控制與PID控制結(jié)合起來(lái)使用。在|e|>δ(δ為某一常數(shù))時(shí)，實(shí)行Bang-Bang控制，以最快的速度使調(diào)節(jié)參數(shù)逼近給定值；在|e|<δ時(shí)，實(shí)行數(shù)字PID調(diào)節(jié)，以消除系統(tǒng)的調(diào)節(jié)偏差。這樣即可加快控制過(guò)程，又可保證系統(tǒng)超調(diào)較小，從而取得良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。
2 系統(tǒng)主要硬件組成
嵌入式控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。DSP為系統(tǒng)的核心單元，它對(duì)采集的各種參數(shù)進(jìn)行運(yùn)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(zhí)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(nèi)有高達(dá)32 KB的FLASH程序存儲(chǔ)器。16位TMS320LF2407A型DSP芯片具有采樣速度快，浮點(diǎn)處理速度高，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。DSP的特殊結(jié)構(gòu)和優(yōu)良性能滿足了系統(tǒng)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(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(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，非常適于時(shí)序、組合等邏輯電路的應(yīng)用場(chǎng)合。FPGA作為一個(gè)外部協(xié)處理器使用，通過(guò)總線與DSP處理器連接，主要實(shí)現(xiàn)的功能是脈沖計(jì)數(shù)、鍵盤掃描等。FPGA最大的特點(diǎn)是它的內(nèi)部邏輯在線的可重構(gòu)性。當(dāng)應(yīng)用需求發(fā)生變化時(shí)，對(duì)FPGA重新進(jìn)行編程，即可改變其邏輯行為，大大提高了系統(tǒng)的開放性和可重構(gòu)性。FPGA的高速性和靈活性也保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，并且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的外圍電路，降低了成本。
顯示模塊采用G35LCD屏，通過(guò)總線與DSP的連接，通過(guò)配置相關(guān)寄存器，編寫調(diào)用相關(guān)應(yīng)用程序接口函數(shù)即可顯示待測(cè)參數(shù)、運(yùn)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(xiàn)由控制器設(shè)定和修改變頻器的參數(shù)，以監(jiān)視其工作狀態(tài)。為了便于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、數(shù)據(jù)輸入和命令傳送等控制功能，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)4×4的矩陣鍵盤。采用FPGA來(lái)完成鍵盤接口電路，可節(jié)省I/O資源，減輕處理器負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性能。數(shù)據(jù)采集模塊用2個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器把電機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，由FPGA記錄脈沖值，DSP通過(guò)中斷讀取數(shù)值。經(jīng)運(yùn)算處理后，經(jīng)通信模塊輸出控制量U(k)到各從動(dòng)機(jī)的變頻器，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)從動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其不斷跟隨主動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而實(shí)現(xiàn)同步。以上設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的靈活性和通用性，降低了開發(fā)成本，可作為一個(gè)獨(dú)立模塊與嵌入式系統(tǒng)連接。
3 系統(tǒng)主要軟件設(shè)計(jì)
這里的程序采用模塊化設(shè)計(jì)，軟件主要包括主程序、數(shù)據(jù)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(gè)寄存器的清零、定時(shí)器的初始化等。數(shù)據(jù)采集程序主要完成各電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量，顯示子程序主要完成各輸入量和各設(shè)定值的顯示。雙模控制程序主要用來(lái)提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性能。主程序和雙模控制程序如圖3、圖4所示。
4 試驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證控制方案的可行性，在實(shí)驗(yàn)室以雙單元異步電機(jī)(主動(dòng)機(jī)、從動(dòng)機(jī))交流同步拖動(dòng)系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行了模擬實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。主電機(jī)型號(hào)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(zhuǎn)速1 400 rad/min；接法Y；頻率50 Hz；從動(dòng)機(jī)型號(hào)Y80-4；額定功率0.75 kw；額定電壓380 V；額定電流7 A；額定轉(zhuǎn)速1 450 rad/min；接法Y；頻率50 Hz。選用直流發(fā)電機(jī)2臺(tái)，分別由2臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，加變阻箱后作為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載。兩臺(tái)變頻器對(duì)兩臺(tái)三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。光電編碼器將從動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，并送給控制器進(jìn)行處理。
試驗(yàn)測(cè)得兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速后繪制的曲線如圖5～圖8所示。
結(jié)果顯示，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，主從電機(jī)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(jī)在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)都能達(dá)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(dá)到了預(yù)期的效果。
5 結(jié) 語(yǔ)
研究表明，系統(tǒng)采用基于DSP和FPGA的嵌入式同步控制器后，對(duì)于多單元同步系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)同步性能有了明顯的改善，運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)波動(dòng)，達(dá)到了各分單元同步傳動(dòng)的控制要求，兼顧了系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和穩(wěn)定性的要求，且控制精度高，具有很高的實(shí)用價(jià)值。