（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的平网印花机刮印单元控制系统.pdf

搐姜 摘要 本论文研究的内容为陕西省教育厅产业化培育项目：基于d s p 的平网印花机刮印 单元。论文首先讲述了平网印花机的一般概况及电机控制专用d s pj 薛片，接下来阐述 了h y d r o m a g5 _ v 型平网印花机的技术特点及存在的不足，提出了用d s p 进行改造的必 要性，并用电机控制专用d s p 芯片( 数字信号处理器) 和1 p m ( 智能功率模块) 重新丌发 了该平网印花机印花单元的电气控制部分。 控制电路的d s p 编程是本课题的难点，在印花单元的软件设计一章中。笔者结合 在调试程序过程中的体会与心得，详细讲述了控制电路d s p 程序的原理、s p w m 信号 的生成方法及位置闭环的实现方法。 h y d r o m a g5v 印花单元在实际运行时存在脱机运行和联机运行两种模式。其在联 机运行时采用2 3 2 串行通讯与上位工控机通讯，由于2 3 2 串行通讯速度较慢，严重影响 了印花机的正常工作。为此论文提出了改进方法，并详细讲述了基于串行通讯的控制面 板、脱机模式的软硬件设计和基于c a n 总线联机模式的控制方法，并分别使用2 3 2 串 行通讯与c a n 总线来构成人机界面。 本文的选题及实施的创耨点在于：将当前先进的电机控制专用d s p 芯片应用于平 网印花机的刮印单元并在各刮印单元与上位p l c 之间使用c a n 总线进行组网通讯。将 当今工控领域的最新技术成果：现场总线技术与d s p 技术相结合，开发出了技术先进 的刮印单元专用交频控制器。目前在国内各实力较强的纺机生产厂家中还未见有采用以 上技术的产品投放市场，即使在发达的国家，应用d s p 技术和现场总线技术的印花设 各也非常少。h y d r o m a g5v 型平网印花机在我国的保有量较大，经过长时间使用，这 些设备现在都出现了电器控制部分老化、损坏，生产无法正常进行等问题。本研究能对 h y d r o m a g5v 型平网印花机进行改造，不仅可以使这些老设备重新投入生产，节约外 汇，而且可以达到甚至超过现有印花设备的技术水平，对新产品的丌发也有指导作用。 由于这次对h y d r o m a g5v 型平网印花机的改造中所使用的技术均为当前的先进 技术，国内目前尚无采用这些技术的印花设备。所以，本课题的研究，对于促进工控领 域的先进技术与我国印花行业的紧密结合，提高我国印花行业的技术水平，并缩小国产 设备与进口设备的技术差距均有较大的意义。 关键词：印花单元d s p 串行通讯c a n 总线 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec o n t e n t so ft h i s p a p e r i si n d u s t r i a l i z a t i o nc u l t i v a t ep r o j e c to f m i n i s t r yo fe d u c a t i o ni ns h a hx ip r o v i n e e ：p r i n t i n gu n i to ff l a t s c r e e np r i n t i n g m a c h i n eb a s e do nd s p f i r s t ，t h es u r v e yo ff l a t s c r e e np r i n t i n gm a c h i r ea n d d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) c h i pw h i c hu s e di nm o t o rc o n t r 0 1i sn a r r a t e di n t h i sp a p e r ，a n d t h e n ，t e c h n 0 1 0 9 yc h a r a e t e r i s ti ca n ds h o r t c o m i n go fh y d r o m a g5 一v f l a t s c r e e np r i n t i n gm a c h i r ei sn a r r a t e d ，a tt h es a m et i m e ，n e c e s s i t yt o r e c o n s t r u c tp r i n t i n gu n i to fh y d r o m a g5 vf l a t s c r e e np r i n t i n gm a c h i n ew i t hd s p i sp o i n t e do u t f i n a ll y ，a u t h o ro ft h i sp a p e rr e c o n s t r u c te l e c t r i cc o n t r o lp a r t o fp r i n t i n gu n i to fh y d r o m a g5 _ vf l a t s c r e e np r i n t i n gm a c h i n ew i t h d s p a n d i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) d s pp r o g r a mo fc o n t o r lc i r c u i ti st h en o d u so ft h et a s k ，i nt h ec h a p t e ro f n a r r a t i n gt h es o f t w a r ed e s i g n ，t h ea u t h o rc o a l e s c e n tt h ee x p e r i e n c ei n t h e p r o c e s so fp r o g r a m m ea n dd e b u g g i n g ，e x p a t i a t ep r i n c i p l eo fd s pp r o g r a m ，m e t h o d o f g e n e r a t es p w ms i g n a l a n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fp o s i t i o nc l o s e d l o o p d e t a i l e d l y h y d r o m a g5 _ vf l a t s c r e e np r i n t i n gm a c h i n ec a r r u n i no n l i n ep a t t e r no r o f f li n ep a t t e r ni nt h ep r o c e s so fp r a c t i c a lp r o d u c t i o n i tc o m m u n i c a t ew i t hp l c u s i n gr s 2 3 2s e r i a lp o r tw h e n i tr u ni no n l i n em o d e ，b e c a u s es p e e do fr s 2 3 2 c o m m u n i e a t i o ni ss l o wa f f e c tn o r m a l o p e r a t i o n o f p r i n t m a c h i n e s e r i o u s l y t h e r e f o r e ，t h ea u t h o ra d o p ta n e wm e t h o da n de x p a t i a t eo p e r a t i o np a n e l o fd s pb a s e do ns e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g ni nt h eo f f li n e m o d ea n dt h ed e s i g nm e t h o do fi n l i n em o d eb a s e do nc a n b u sd e t a i l e d l y ，d e s i g n h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c eu s e2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dc a n b u sr e s p e c t i v e l y i n n o v a t i o no fs e l e c tt o p i ca n dp u ti np r a e t i c ei nt h i sp a p e ri s ：m o t o rc o n t r o l s p e c i a ld s pc h i pa r eu s e di np r i n t i n gu n i to ff l a t s c r e e np r i n t i n gm a c h i n ea n d a d o p tc a n b u sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep r i n t i n gu n i ta n dp l c u pt od a t et e c h n o l o g yo u t c o m ec o m b i n e dw i t h d s pa n df i e l d b u st e c h n o l o g y ，a n d d e s i g na d v a n c e di nt e c h n o l o g ys p e c i a li n v e r t o r u s e d i nt h ep r i n t i n gu n i to f f l a t s c r e e np r i n t i n gm a c h i n e a tp r e s e n t ，t h ea b o v et e c h n o l o g yh a v e n tb e e nu s e d i np r i n t i n gu n i to ff l a t s c r e e np r i n t i n gm a c h i n ew h i c hi sp r o d u c e db yd o m e s t i c p o w e r f u lt e x t i l em a c h i n em a n u f a c t u r e r e v e nt h o u g hi nt h ed e v e l o p e dc o u n t r y ，t h e p r i n t i n gm a c h i n e sw h i c ha d o p td s pa n df i e l d b u st e c h n o l o g yi sf e w n e s s o u rc o u n t r y h a sm a n yh y d r o m a g5 _ vf l a t s c r e e np r i n t i n gm a c h i n e ，e l e c t r i cc o n t r o lp a r to f 2 a b s t r a c t p r i n t i n gu n i ta g i n g 、d a m a g ea n da f t e rt h e ya r eu s e df o ra1 0 n gt i m e i nt h i s r e s e a r c h ，a u t h o rr e c o n s t r u c te l e c t r i cc o n t r o lp a r to fp r i n t in gu n i to fh y d r o m a g 5 一v f l a t s c r e e np r i n t i n gm a c h i n e ，n o to n l yt h eo l dm a c h i n e so ns t r e a ma n e w ， s a v i n gf o r e i g ne x c h a n g e ，b u ta l s ot h eo l dm a c h i n ec a nr e a c ho re x c e e dt e c h n o l o g y l e v e lo fp r i n t i n ge q u i p m e n ti ne x i s t e n c e ，h e l pt oe m p o l d e rt h en e wp r o d u c tt o o m a n yn e wt e c h n o l o g ya r eu s e di nt h i sr e s e a r c h ，m o r e o v e r ，h o m e m a d em a c h i n e h a v en o ta d o p t e dt h en e wt e c h n o l o g y s o ，t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h i st a s k ，i ti s s i g n i f i c a n tt oc o n t r i b u t et oc o m p a c tc o m b i n a t i o nb e t w e e n t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yi nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d a n dp r i n t i n g t r a d e ，e n h a n c et e c h n i c a ll e v e l o fo u rc o u n t r y s p r i n t i n gt r a d e ，a n d r e d u c e t e c h n i c a ld i f f e r e n c eb e t w e e nh o m e m a d em a c h i n ea n di m p o r t a t i o rm a c h i n e k e y w o r d s ：p r i n t i n gu n i t d s ps e r i a lc o m m u n i c a t i o nc a n b u s 绪论 绪论 随着市场经济的发展和国际市场的需求，对纺织品的质量，花色品种，复现性等要 求越来越高，而纺织品几乎都需要经过染整加工后才能满足对纺织品的性能，质量需求。 印花行业又是染整加工过程中的一道重要工序。为此，必须提高印花设备的高技术含量， 提高其自动化程度。 平网印花机属于筛网印花中的一种，与园网印花机相比，其主要缺点是速度慢，产 量较低。但其花回长度范围大，网面幅度宽，套色多且不易串色，并能获得清晰而精细 的花纹。因此，提高平网印花机的速度与产量将是一件很有意义的工作。由于现代的平 网印花机是由多个刮印单元和上位控制计算机构成的分布式控制系统，若想提高印花速 度，其关键是提高刮印单元的刮印速度和各个刮印单元与上位控制计算机之间的通讯速 度。近年来，随着大规模，超大规模集成电路等微电子技术迅速发展，d s p ( 数字信号处 理器) 芯片已广泛用于自动控制，图像处理，通讯技术等领域。d s p 以运算速度快为显著 特征，而单片机以数字控制功能强为特点。平网印花机的刮印单元本质上是一专用的变 频器，对刮印单元的控制既要求有强大的i 0 控制功能，又要求有高速的信号处理能力 以满足实时控制。为此，世界上各大d s p 生产厂商将d s p 的高运算速度与单片机的高控 制能力相结台，开发出了电动机控制专用d s p 。其中应用最广泛的是t i ( 德州仪器公司) 生产的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p ，它所集成的p w m 信号发生器，高速高精度的a d c ，以及 用于电动机速度和位置反馈用的编码器接口电路和各种通讯接口电路等，非常适合用在 平网印花机的刮印单元上。d s p 芯片的使用将使印花单元的硬件电路大大简化，从而提 高了印花单元的工作可靠性，并减小了控制电路的尺寸，还为以后采用更复杂的控制方 法预留了空间。 现场总线是当今自动化领域的热点之，被誉为自动化领域的计算机局域网。国内 目前尚无采用现场总线的平网印花机，在本次对印花单元的改造中使用现场总线将大大 提高该设备的技术含量，使该设备在国内市场上处于优势地位。 为了解决所提出的问题，笔者用电机控制专用d s p 芯片重新设计了印花单元的控 制电路，亲自参与并独立完成了该课题的大部分工作。在科学技术突飞猛进的今天，科 技就是第一生产力! 若能通过本人的研究与实践为我国印花行业的发展出一份微力，将 是一件有意义且让人激动的事情。希望读者能从本文中体会到技术的发展对于印花行业 所起的推动作用。 本次研究的课题来源于陕西省教育厅产业化培育项目一平网印花机现场总线控制 系统，项目编号为( 0 3 j c 2 5 ) 平焉印花机帆遵 第一章平网印花机概述 1 1 平网印花机简介 纺织物印花是把一种或数种不同的颜色或颜料，用各种不同的方法在纤维制品上印 上所需要的花纹、图案的加工过程。目前使用较广泛的是筛网印花，它分为平网印花和 园网印花。 平网印花机是用平面框式筛网，在长而平直的台面上印制花纹的一类设备。它又可 分为台板式平网印花机和自动平网印花机。自动平网印花机又分为间歇进出布式和连续 进出布式。与园网印花机相比，平网印花机产量较低，但花回长度范围大，网面幅度宽。 套色多且不易串色，能获得清晰而精细的花纹，印花时织物所受张力小，适用于棉、丝、 合成纤维等机织物和针织物的印花，更适用于小批量、多品种的高档织物印花。 自动平网印花机实现了自动进布、织物自动粘贴在环形导带上、筛框自动升降、自 动刮印、自动烘干和出布，减轻了劳动强度，提高了生产效率，是目前使用较多的一类 平网印花机。一般车速在l o - - 3 0 m m i n 。 1 2 平网印花机的结构与工作原理 平网印花机一般为联合机，出进粕装嚣，印花装置、烘干设备和出布装置等部分组 成。如图卜1 所示。 图1 一l 平网印花机示意图 1 进布装置2 导带上浆装置3 筛网框架4 一筛网印花单元 5 导带水沈装置6 一热风烘房7 - 出布装置 1 2 1 进布装置 进布装置由导布辊、热压辊及张力调节架等部分组成。印花织物经导布辊、热压辊、 张力调节架后与印花导带粘贴在一起进入印花台板。 平碍呻花机概逑 众所周知，为了保证印花质量，首先要保证在印花的时候布料不能移动，这就要求 布料必须紧紧地粘贴在印花导带上。而进布装置的主要作用就是将布料均匀、平稳地粘 贴在印花导带上。 由于导带本身不具有粘性，为了粘住布料，必须在导带上涂一层被称为热塑胶的物 质，在常温下，热塑胶是没有粘性的，当热塑胶的温度为7 0 0 c 到8 0 0 c 的范围内时，就 显示出很强的粘性，足以将布料紧紧地粘在导带上。在平网印花机的实际工作中，布料 与导带被热压辊和导布辊兴在中间，当导布辊转动时就将布料送入印花装置。对热塑胶 进行加热是通过在热压辊内安装电热丝来实现的，当电热丝中通过电流时，与热压辊紧 贴的热塑胶就被加热。由于热塑胶的温度与热压辊内电热丝的温度和导带运动速度有 关，为此，就必须根据导带的运动速度来调节电热丝的温度，即导带运动速度快，电热 丝温度就应该高一些；导带运动速度慢，电热丝温度就应该低一些，以保证热塑胶的温 度基本维持在7 0 到8 0 的范围内。 1 2 2 印花装置 印花装置出自动导布机构、筛框自动升降机构、自动刮印机构等部分组成。 ( 1 ) 自动导布机构：由印花导带、导带传动及传动控制部分组成。印花导带是条无 接缝的环形橡胶导带，由多层帆布涂橡胶制成。印花导带按花回大小精确控制和调整运 行距离及暂停位置，能做出快速、慢速、刹车及自动循环动作。印花织物始终平整的粘 贴在印花循环导带上，并随导带一起运行和停止。导带由平行的台面支撑。 导带的传动有两种方式：一种是导带间歇传动，印花联合机间歇出布：另一种是导 带在印花区间间歇传动，在非印花区连续传动。 第一种传动方式可以分为机械传动和液压传动两类。其中机械传动是由电动机或油 马达经减速机构拖动拖引辊，拖引辊靠摩擦带动导带运行。拖引辊在机前和机尾各有一 只，同时起到张紧环形导带的作用。液压传动是由液压缸驱动导带央持器，导带夹持器 夹持导带一同运动。液压传动对花精度高，自动化程度高，便于集中控制，操作方便， 但动力消耗大。 第二种传动方式是将环形导带两端的两只支撑辊设计成能沿导带纵向游动的形式。 目前采用较多的是进布处支撑辊在垂直方向上下游动，出布处支撑辊在水平方向前后游 动。当印花区导带运行时，进布处支撑辊相应下降，出布处支撑辊向烘房方向水平移动； 而当印花导带区静止时，两处的支撑辊则反方向运动。从而实现连续进布、烘燥和出布， 解决了间歇进布所产生的织物容易变形、起皱等问题。 ( 2 ) 筛框升降机构：当织物和导带暂停时，制成花版的筛网框架需自动下降，压在布 面上进行刮印。而在刮印完毕时，又需要上升脱离布面，以便织物和导带的运行。筛网 框架的自动升降通常采用凸轮机构及偏心连杆机构等。 ( 3 ) 刮印机构：筛网框架下降到规定位置而停止运动时，刮刀或刮浆辊下压筛网进行 年舟印花机靓述 刮浆，使色浆透过筛网花纹部分的网孔，刮印到织物上。 刮印机构一般由刮刀或刮浆辊、传动及控制部分、给浆部分等组成。 刮浆刀多为丁氰橡胶制成，耐油，对色浆适应性较强。刮浆刀的刮印方向可分为纬 向和径向两种。径向刮印一般用于特宽织物或大花回花纹的印花，可提高产量，但对刮 刀架的平直度要求较高。纬向刮印是常用的刮印方向，因为刮刀的停刮位置在织物的左 右边部外侧，可以避免织物上的停刮接痕，减少因刮刀变形造成的幅向色光差异，方便 对花操作及色浆添加。 刮刀的刮浆是一种往复运动，往复次数按需要可以控制在l 一6 次范围内。往复运 动由专用电动机经减速器传动链条，带动刮刀架实现。往复运动的行程通过往复螺杆调 整两只限位开关的距离来调节控制。依据设备的不同，色浆可进行人工、半自动或自动 上浆，现在己实现了自动给浆。 ( 4 ) 对花装置：平网印花机的对花是按照平网的花回长度精确控制橡胶导带的运行距 离和静止状态来完成的。常用的有光电对花装置、液压变速机械传动对花、油缸定位液 压传动对花等。在本次所改造的h y d r o m a g5 v 型平网印花机中所采用的就是油缸定位 液压传动对花。 在油缸定位液压传动对花中，橡胶导带由其两侧的多只导带夹持器夹持运行，央持 器通过连接件与传动主油缸的缸体相连，由于活塞固定而缸体移动，所以主油缸缸体往 复运动时，就带动导带夹持器前进或后退：缸体前进时，夹持器央持导带边缘带动导带 一起前进；缸体后退时，夹持器松丌导带，随缸体复位，此时导带静止，刮印机构工作。 导带的运行距离依据花回长度通过调节夹持器的夹持时间来决定。 ( 5 ) 上浆及导带清洗装置：为了在印花时不使织物产生皱纹及位移，在导带的前下方 有上浆装置，它能在导带上刮上一层薄薄的贴布浆，使织物平整的粘贴在导带上。当织 物离开导带后，由装在导带下方的清洗装置洗除导带上的贴布浆，残余色浆及绒毛，并 用橡皮刮刀将导带上的水刮干，再进行下一次的上浆、贴布、清洗。 1 2 3 烘燥装置 采用热风烘燥机，实行松式烘燥。工作过程为：经过印花的织物离开印花导带，搁 置在主动运行的锦纶丝环形输送网带上，由输送网带托起织物反面，进入烘燥机，经多 层烘燥后出机。 烘燥导带( 织物输送网带) 的位置由烘房进句处的f 位装置调节。印花部分与烘燥 部分的车速，由装在印花导带和烘燥输送网带间的线速度调节器依据织物悬松位置的变 化来调节。悬松多，烘燥机提速，反之，烘燥机减速。 1 2 4 出布装置 平网印花机的出布装置有摆动折叠式和布卷式两种，可根据工艺需要选用。 平舟印花机帆述 1 3h y d r o m a g5 - - v 型平网印花机的计算机控制系统 h y d r o m a 9 5v 型平网印花机是瑞士b u s e r 公司8 0 年代中期推出的全电脑控制平网 印花机，该机采用上下位机控制，自动化程较很高，国内已与该公司联合生产，在全国 有广泛的用户。 h y d r o m a g5v 型平网印花机的计算机控制系统包括上位机控制部分，印花单元的 单片机控制部分，p w m 变频调速部分和晶闸管直流拖动部分等组成。由于本次改造的 主要工作是对该型印花机的印花单元的电气控制装置进行重新设计，故在这罩仅对其印 花单元的p w m 变频调速部分做简要的介绍。 印花单元控制系统的硬件原理图如下一页的图l 一2 所示。c p u 为i n t e l 8 0 4 0 单片机， 对外有4 0 个引脚，片内有带2 5 6 个字节韵数据存储器，2 7 根i o 口线分为p o r t l 、 p o r t 2 、b u s 三组，其中p o r t l 、p o r t 2 为准双向口，b u s ( d b 0 d b 7 ) 为双向口：8 0 4 0 外接e p r o m 2 7 3 2 作为外部程序存储器。串行通讯接口8 2 5 1 用于将c p u 的并行数据转 换成串行数据从其相应的引脚输出，或从输入引脚输入串行数据，转换成并行数据后再 输出给c p u 。由于2 3 2 串行通讯使用负逻辑来表示数据，既用3 v - 1 5 v 表示逻辑1 、 3 v 一1 5 v 表示逻辑0 。为此，还需将8 2 5 1 的t t l 电平转换成2 3 2 通讯的物理层电平， 为此，还使用了由三极管组成的电平转换电路( 图中未画出) 。 8 2 5 3 可编程定时器计数器内部包括三个独立的十六位计数器，8 2 5 3 的片选信号c s 图1 - 2h y d r o m a g5 _ v 印花单元控制系统的硬件原理图 为低电平有效，由 8 0 4 0 的r d 、w r 信号控制端口的 读、写，它的数据 线d 肛d 7 与8 0 4 0 的数据总线 d b 0 d b 7 相连。各 个计数器的工作状 态及计数值由8 0 4 0 通过数据总线写 入。计数器0 的时 钟脉冲有8 0 4 0 的 t o 输入，计数器1 、 计数器2 的时钟脉 冲由8 0 4 0 的机器 周期信号a l e 输入。 当8 0 4 0 对其中一个计数器赋值后，计数器就在时钟脉冲的作用下进行减计数，当计数 平一印花机 屯遵 值到0 时，o u t 端输出一高电平。在该控制电路中，8 2 5 3 计数器0 主要用于为8 2 5 1 串 行口提供时钟信号，以调节串行口的波特率：计数器l 用于选择p w m 波形存储器的程 序起始地址。 印花单元的控制面板上有四位l e d 数码显示，它可以分别显示刮印次数、副印速 度、印花单元号数以及故障类型编号等。对于刮印次数、刮印速度、刮印行程等可分别 由面板上的按键进行设定。 r e f 、c l ka 、c l kb 分别连接三个微型接近开关，能从刮刀电动机轴上分别获 得刮刀位置和电动机转向的脉冲信号，用以检测电动机转速、刮刀行程、方向、起始位 置等信号。c l ka 、c l kb 信号经双d 触发器7 4 l s 7 4 来判断电动机的正反转，并进 行脉冲计数；r e f ( 零位) 信号用于使c p u 的计数值强制清零，即每当刮刀经过零位时 r e f 信号都会产生跳变，尽管此时计数器的计数值可能不为零，但c p u 捕捉到该跳变 后就会将计数器强制清零以消除由于积累所产生的位置误差。 晶体管脉宽调制变频调速系统( p w m ) 是一种性能较好的交流调速系统。由于它 具有很宽的调速范围，电流波形好( 接近于正弦) 无须换向电路，高精度，高响应， 具有良好的电气性能，所以在很短的时间内取得了迅速的发展，在纺织行业中已逐步取 代晶闸管直流调速系统。h y d r o m a g5v 型平网印花机的印花单元是纺织机械上较早采 用晶体管p w m 变频调速传动的设备之一，具有其技术上的先进性。 h y d r o m a g5v 型平网印花机上的p w m 变频调速系统包括两个部分：脉冲宽度调 制信号发生器和p w m 逆变电源。该印花机上的p w m 信号发生器采用存储式波形发生 器，既将要产生的p w m 波形按定的编码方式存储于e p r o m 中，以组成所需要的任 何波形，并可以改写。这种方式比一般使用分立元件、数字逻辑电路组成的脉宽调制电 路要简单的多，集成度高，若需要变换波形，不增加任何电路，只要改变e p r o m 执行 的地址，就可以选择出需要变换的波形码，实现波形的变换。 电机控制专用d s p 琏片 第二章电机控制专用d s p 芯片 一个多世纪以来，电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民 经济的各个领域和人们的日常生活。过去，电动机的调速控制一般采用模拟法，随着计 算机、微电子技术的发展以及新型电力电子器件的不断涌现，电动机的控制策也发生了 深刻的变化。传统的模拟控制方法已逐渐被以微控制器为核心的数字控制方法所取代。 变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。 在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合( 如火炮瞄准系统、数控机床、工 业机器人、工业缝纫机、磁盘驱动器等设备中，要求电动机实现精确快速的定位) ，以 m c s5 1 为代表的单片机以难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控 制系统也在朝着高精度、高性能、网络化、信息化、系统芯片化的方向不断前进。 2 1d s p 芯片概述与特点 d s p 芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于数字信号处理运算的微处理器， 其主要应用是实施的实现各种数字信号处理算法。 现代d s p 芯片作为可编程超大规模集成电路( v l s i ) 器件，通过可下载的软件或内 部硬件来实现复杂的数字信号处理能力。d s p 芯片除了具备普通的微处理器的高速运算 和控制功能外，针对高速数据传输、数值运算密集的实时数字信号处理操作，在处理器 结构、指令系统和指令流程设计等方面都做了较大的改进。其主要特点如下： ( 1 ) 采用哈佛结构或改进的哈佛结构 早期的微处理器内部大多采用v o n n e u m a n 结构，其片内程序空间和数据空间和在 一起，将数据，指令、地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地 址对指令、数据、地址信息进行区分。这种将程序和数据存储在同个存储空间中的设 计思想简化了系统的结构，但由于取指令和取操作数要访问同一存储空涮，指令和数据 分时读写，因此在高速运算时，不但不能同时取得指令和操作数，而且还会造成传输通 道上的瓶颈现象。 现代的d s p 芯片采用了程序存储器和数据存储器分离的基本哈佛结构。这样，一条 指令的读取可以与前一条指令、操作数的读取同时进行，但这种基本的哈佛结构无法实 现对多个数据存储器的访闯操作，无法实现单指令周期的多操作数指令。 为了进一步提高c p u 的运行速度和芯片的灵活性，在较新的d s p 芯片中常采用改进 的哈佛结构。改进的方案有以下三种： a 允许数据存放在程序存储器中，并可被算术指令直接用。 b 将指令存储在高速缓存中，当执行此指令时，不需要在从程序数据存储器中读 取指令，节省了一个指令周期的时间。 c 改进存储器块的结构，允许在一个存储周期内同时读取指令和两个操作数，具有 电瓤柱甜专焉d s p 芯片 更高的访问能力。 与哈佛结构配合，许多d s p 芯片的内部采用多总线结构，这样从另一个方面保证了 在一个机器周期内对程序空间和数据空间的多次访问。 ( 2 ) 使用专用的硬件乘法器 从数字信号的理论研究可知，在数字信号处理算法中，数量最多的运算类型是乘 法和加法运算。在通用的微处理器中，乘法一般由软件实现，需要多个指令周期来完成， 这样就限制了数字信号处理算法的执行速度。在d s p 芯片中，一般都有专用的硬件乘法 器，使得一次或多次乘法运算可以在一个单指令周期中完成，从而极大的提高了d s p 芯 片的运算性能和运算速度。 ( 3 ) 多个功能单元 为了进一步提高速度，现代d s p 芯片内部设置了多个并行操作的功能单元( 如算 术逻辑单元、乘法器、地址产生器等) 。由于多个功能单元的并行操作，使d s p 芯片在 相同的时间内可完成更多的操作，因而提高了程序的执行速度。 ( 4 ) 专用的寻址单元 d s p 芯片是面向数据密集型应用场合，伴随着频繁的数据访问次数，数据地址的计 算时间也线性增长。如果不在地址计算上作考虑，有时计算地址的时制比实际的算术操 作时间还长。因此，现代d s p 芯片内一般都有支持地址运算的算术单元地址产生器。 地址产生器与算术逻辑单元并行工作，使得地址的计算不再额外占用c p u 的时间。 ( 5 ) 指令系统的流水线操作 d s p 芯片执行一条指令通常需要经过取指、译码、取操作数和执行等几个阶段。为 了提高芯片的计算速度，现代的d s p 芯片普遍采用流水线结构。也就是说，将个任务 分解为若干个子任务，在子任务的连续执行过程中，这些子任务可以相互重叠进行。d s p 指令系统的流水线操作与其哈佛结构和内部的多总线结构相配合，提高了d s p 的处理能 力，把指令周期减到最小值。 ( 6 ) 片内存储器 由于d s p 芯片面对的是数据密集型应用，因此，存储器的访问速度对处理器的性 能影响很大。现代微处理器内部般都集成了高速缓存( c a c h e ) ，但是片内一般不设存 储的r o m 和存储数据的r a m ，这是因为通用微处理器的程序一般都很大，片内存储器不 会给处理器性能带来明显的改善。 d s p 算法的特点是需要大量的重复运算，其程序一般都比较短小，存放在片内可以 减少指令的传输时间，并有效的缓解芯片外部接口总线的压力。除了片内程序存储器外， d s p 芯片一般还集成了片内数据存储器，用于存放参数和数据。 ( 7 ) 快速的指令周期 与传统的微处理器相比，d s p 芯片快速度指令周期是一个明显的特征与优势。改进 电机控瑚专用d s p 芯片 的哈佛结构、专用的硬件乘法器、流水线操作、多个功能单元的并行处理、特殊的指令 系统，再配合现在集成电路的优化设计工艺，使现代d s p 芯片的单指令周期下降到5 0 n s 以下，远远超过通用的1 6 位单片机。 ( 8 ) 强大的片内硬件配置 为了实现s o c ，现代d s p 芯片内部除了d s p 核以外，一般还集成了一些其他功能外 设，如通用串行口、事件管理器模块、d 眦控制器、c a n 总线控制器模块、软件等待状 态发生器、锁相环电路、a d c 模块以及实现在片仿真的j t a g 测试仿真口等；另外，许多 d s p 芯片可工作于低功耗模式，使系统功耗进一步降低。 自1 9 8 2 年美国德州仪器( t i ) 公司推出通用可编程d s p 芯片以来，d s p 技术取得了 突飞猛进的发展。在d s p 技术与d s p 芯片的相互推动下，在计算机技术与微电子技术飞 速发展的基础上。d s p 芯片的性能已得到了极大的提高。作为实现数字信号的硬件核心， d s p 的应用领域取得了不断的拓展。d s p 芯片己深入到我们的工作于生活中，无论是在 计算机外设、通讯、工业控制、航空航天、精密仪器、还是在家用电器、如c d 机、变 频空调器、数码相机中都有d s p 芯片的身影。 2 2 电动机控制概述及实现方法 2 2 1 电动机控制概述 在电气时代，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在 工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务和办公设备中，还是在日常 生活的家用电器和消费电子产品中等，都大量使用着各种各样的电动机。据资料统计， 在所有的动力源中，9 0 以上来自于电动机；同样，我国生产的电能中有6 0 是用于电 动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。 在一个电动机控制系统中，所使用的方法可分为两类： f 1 ) 简单控制，是指对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制 可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。 ( 2 ) 复杂控制，是指对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制。 有时，这种控制的精度要求是非常高的。 过去，对电动机的简单控制应用比较多。但随着现代化步伐的加快，人们生 活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，从而使电动机的复杂控制成为主要的 控制方式，其应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯 性导航、卫星姿态、飞船光电池对太阳的跟踪等控制；工业生产方面的各种加工中心、 数控机床、工业机器人、塑料机械、印刷机械、纺织机械等设备的控制。 电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料 技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控 制技术在近2 0 多年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退 电机控堪毒喝d s p 芯片 出历史舞台，而采用微处理器、f p g a c p l d 、通用计算机、d s p 控制器等现代化手段 构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分已逐渐被m o s f e t 和i g b t 等全控型器件所取代。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机 控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制技术( s p w m 和s v p w m ) 、变频技术在支流调 速和交流调速系统中得到了广泛的应用。 2 2 2 电动机控制的实现方法 目前，电动机控制系统的实现方法主要有以下几种： ( 1 ) 以模拟电路硬接线方式建立的电机控制系统。 ( 2 ) 以微控制器为核心的电动机控制系统 ( 3 ) 在通用计算机上用软件实现的电机控制系统 ( 4 ) 利用专用芯片实现的电机控制系统 ( 5 ) 用f p g a c p l d 等可编程逻辑器件实现的电机控制系统 ( 6 )以可编程d s p 控制器为核心构成的电机控制系统。 在此，我们仅对较为常用的( 1 ) 、( 2 ) 、( 6 ) 等电机控制实现方法做一简单的对比。 传统的电动机控制系统一般由模拟器件以硬接线方式构成。模拟控制系统价格便 宜，使用方便，在很长一段时间里，它们是构成各类电动机控制系统的主要手段。 然而，模拟元器件的物理特性决定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元器件会随 着使用时间的推移而老化，元器件的特性参数受温度变化的影响；另外，现代电子系统 的一个使用原则就是要便于维护、为将来的产品升级留有余地，而模拟控制系统由于采 用硬接线方式构成，一经投用，基本上没有升级的可能。 由于模拟控制系统的本质缺陷，使它满足现代电子系统的设计要求。因此，数字控 制系统应运而生。数字控制系统一般由可编程的微处理器为硬件核心，系统开发人员将 预先编制好的控制软件存放在系统存储器中。在硬件的辅助下，通过软件的执行来完成 预定的功能。由于控制系统的主要功能由软件来实现，从而使得这些电子产品很容易通 过修改软件来实现升级。另外，随着微处理器能力的不断提高，在一个控制系统中实现 多种功能变换变得更容易、更方便。 从2 0 世纪7 0 年代以来，通用单片机开始在电动机控制中广泛使用，如 i n t e l 8 0 3 1 8 0 5 l 、a t 8 9 c 5 2 等。在单片机控制系统中，单片机作为系统的硬件核心，主要 用来完成一些控制算法，同时还要处理一些输入输出、显示任务等，单片机的使用使电 动控制系统的性能得到了很大的提高。 然而，受单片机本身结构的限制，以之为核心所构成的单片机控制系统仍然需要较 多的外围元器件，例如：需要扩展外部存储器以保存用户程序、需要外接模拟数字( a d ) 转换器来实现模拟信号的输入、需要外边沿捕获电路来检测计数脉冲等。系统中元件的 增加使得系统的可靠性、可维护性降低，增加了印制电路板的尺寸，同时也增加了系统 电机控制专用d s p 芯片 的成本；单片机的处理速度比较慢( 指令周期为毫秒或微秒级) ，因此，对于一些可提 高系统性能的复杂控制算法，如k a l m a n 滤波、鲁棒控制等，很难做到实时执行。此外， 现代电动机广泛采用p w m 控制方法，在弹片机中都是通过软件编程来实现的，这一方 面增加了软件开发人员的负担，另一方面也限制了该类系统性能的提高。因此，基于单 片机的电动机控制系统主要用于那些控制精度、性能要求不高的场合。 后来，一些工程师又设计了以单片机和电机控制专用芯片为核心的电动机控制系 统。在这些系统中，利用单片机的可编程特点，用于执行一些检测、控制算法，并输出 相应的控制信号给专用芯片；利用专用芯片内部具有的专用硬件机构( 产生p w m 波、 检测计数脉冲信号等) 快速的产生用于控制电动机功率电子电路的信号。这些系统将单 片机和专用芯片的优点结合起来，使得系统既可满足实时性要求，由具有用户可编程的 灵活性，从而迅速成为主流的电动机控制系统设计方法。但是，这些系统仍然具有单片 机系统固有的缺点，即系统组成元件较多、处理能力有限等，从而使最终系统的可靠性 降低、成本提高，对于一些性能要求较高的场合也难以适应。 为了使电动机控制系统既可以适用于一般的应用场合，又可满足一些高精度、高性 能的使用要求，t i 公司推出了面向工业控制、电动机控制的t m s 3 2 0 x 2 4 x 系列d s p 控 制器。它把一个1 6 位的定点d s p 核和用于运动控制的外设、大容量片上存储器集成在 单芯片上，为电动机控制系统的设计注入了新的活力。 x 2 4 x 系列d s p 控制器的内部d s p 核具有2 0 3 5 4 0 m i p s ( 每秒百万条指令) 的执 行速度，1 6 位字长：同时，配合专用的p w m 脉冲发生器、模拟数字( a d ) 转换器、 脉冲捕获单元、数字i 0 口等用于电动机控制的片上外设，使得他们从硬件机制上可以 较好的满足任意电动机控制系统的要求。它们可以实时的执行一些高精度的复杂控制