基于DSP和FPGA的电液伺服控制器的设计.pdf

2 0 1 2 年 9月 第 4 0卷 第 1 8期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUU CS S e p 2 01 2 Vo 1 4 0 No 1 8 DOI 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 8 0 3 5 基于 D S P和 F P G A的 电液伺服控制器的设计 杨韧 任德志 徐莉萍 河南科技 大学机电工程学院 河南洛阳 4 7 1 0 0 3 摘要 在分析液压伺服系统特点的基础上 设计 了以 T I 公司的 D S P芯片 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 P G F A作为主控制芯片 采用 F P G A进行逻辑时序控制的电液伺服控制器 介绍了该伺服控制器的硬件组成和软件结构 并通过实验验证了控制器具有 良好的稳态精度和动态特性 关键词 电液伺服控制器 D S P F P G A 中图分类号 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 1 8 1 1 2 3 De s ig n o f Ele ct r o h y dr a u lic S e r v o Co n t r o lle r Ba s e d o n DS P a nd FPGA YANG Re n REN De z h i XU Lip i ng H e n a n U n iv e r s it y o f S ci e n ce T e ch n o l o g y L u o y a n g H e n a n 4 7 1 0 0 3 C h in a Ab s t r a ct Ba s e d o n a n a ly z in g ch a r a ct e ri s t ics o f h y d r a u lic s e r v o co n t r o l s y s t e m a n e w e le ct r o h rd r an lic s e r v o co n t r o lle r wa s d e s i g n e d b y u s i n g TMS 3 2 0 F 2 8 1 2 as t h e ma in co n t r o l ch i p a n d a d o p t in g F P G A t o r e a l iz e t h e l o g i ca l s e q u e n ce co n t r o 1 T h e h a r d w a r e co n s t it u t io n an d s o f t wa r e a r ch it e ct u r e o f the s e r v o co n t r o lle r we r e in t r o d u ce d B y e x p e r ime n t s it is s h o w n tha t t h e co n t r o lle r h a s g o o d s t e a d y s t a t e a ccu r a cy a n d d y n a mi c p e r f o r mance s Ke y wo r d s E le ct mh y d r a u li e s e r v o co n t r o l l e r DS P F P GA 由于电液控制系统响应速度快 输出功率大 控 制精度高 因而在许多领域都得到了广泛的应用 随 着 电子技术 信息 技术 的 飞速发 展 原 有 的功 能简 单 控制对象单一的电液控制器已不能满足现代工业 的 需 要 作 者 设 计 的 控 制 器 采 用 D S P 芯 片 T MS 3 2 0 F 2 8 1 2 处理各任务 用可编程数字逻辑器件 E P M1 2 7 0 T 1 4 4 C 5集成大部分外围数字器件 实现了 L C D的显示 驱动 数字信 号的计数 处理 提供 了 R S 4 8 5 R S 2 3 2接 口和 P R O F I B U S D P接 口 适应信息 时代工业 自动化系统的网络化发展趋势 1 总体结构设计 D S P 不仅具有运算速度快的特点 而且集成了丰 富的片内外设资源 能够为控制器完成高速 高精度 的伺服控制创造有利条件 为控制器实现各种复杂功 能提供硬件支持 为了能够采集编码器信号 解决高 速 C P U与低速 H M I 的匹配 问题和实 现灵 活 的硬件编 程 利用 F P G A的硬件可编程功能 减少了外围器件 的数量 简化了电路设计 控制器的总体硬件方案如 图 1 所示 可以看出 控制器的核心采用的是高速数 字信号处理的 D S P 检测反馈接口的输入信号主要有 传感器模拟信号和数字信号 总线通讯包括工业现场 总 线 如 P r o fib u s C A N 和 工 业 通 讯 接 口 如 R S 2 3 2 R S 4 8 5 图 1 电液伺服控制系统方案图 2 电液伺服控制器硬件 电路设计 2 1 D S P和 F P G A外 围电路 设 计 2 1 1 D A转换和运放电路设计 数模转换器选用 A D公式生产 的双通道 l6位 D A C芯片 D A C 8 5 3 4 芯片内部结构包括 C M O S逻辑 单元 薄片电阻单元 双极 MO S线性单元 图 2中 D A C 8 5 3 4左侧信号都来 自于 F P G A芯片 内的接 口电 路 其工作过程是 当 D S P对 F P G A中的 D A接 口 进行相应操作时 外来数据在时钟 S C L K的同步下输 入到 D A C 8 5 3 4 一旦通道使能信号有效 输入芯片 收稿 日期 2 0 1 1一 l0 0 9 作者简介 杨韧 1 9 8 6 一 男 硕士研究生 研究方向为电液控制 自动化 E m a i l y a n g r e n 2 0 0 0 1 6 3 co m 第 1 8期 杨韧 等 基于 D S P和 F P G A的电液伺服控制器的设计 1 1 3 的数据立刻进入相应的 D A数据转换寄存器 中 同 时启动相应的转换器 在芯片输出端得到相应的输出 电压 经过一个运算放大之后分别去驱动相应的伺服 驱动器 4 3 VDD VREF 工一 L 士 1 2 5 一 T 一 置 A VDD VREF SYNC 1 ok 0 l 1 5 丽 V OD V 7 一 n l I 卜于 1 0 LDAC VOC Z 一 l S CL K VOB DI N J I r 6 A s 4 7 r V 0 A kn l l P 1 广 H AI L 卫 A 0 G N D 亘 图2 D A转换和运放电路 2 1 2 差分整形硬件电路设计 增量式编码器和光栅所输出的数字量信号 由A B和 z三相脉冲组成 在 F P G A接收A B和z相脉 冲之前 必须进行信号调理 差分整形电路选用 的 芯 片是 T I 公 司 的 S N 7 5 L B C 1 7 5 D芯 片 是具 有 三 态 输出的单 片四差分接收器 每对接收端都 有使能 端 共模输入 电压范 围为 1 2 V 灵敏度高达 2 0 0 m V 抗干扰性强 采用了 5 V电源供 电 适用于 噪声环境中长总线线路的多点传输 差分整形电路 如 图 3 所 示 SV 图 3 差分整形硬件电路 2 2通讯模 块 电液伺服控制器开放性设计的一个重要体现是具 有 网络通讯 的功能 控 制器采用 3种通 讯接 口 即 R S 2 3 2通讯接 口 R S 4 8 5通讯接 口和 P r o fib u s D P通讯 接 口 R S 2 3 2常被用于短距离传输场合 R S 4 8 5采用 差分传输方式 抗干扰能力强 常被应用于长距离传 输的场合 目前工业现场的大型自动化控制系统很多 都使用 P L C以及由P L C构成的现场总线网络系统 为 控制器设计广泛使用的 P R O F I B U S D P现场总线可以 使控制器集成于企业的工业现场总线网络中 R S 2 3 2 和 R S 4 8 5电路接 口如图 4所示 5V S CI TXDA SCI RXDA SClTXDB SCI RXDB G盎 RIO UT RIl N 图4 串行通讯接 口电路 2 3 电源模 块 电源模块为整个硬件系统供电 在设计时要考虑 使提供的电源噪声小 输出电压稳定 根据硬件系统 各芯片的供电要求 以及为外设传感器供电 系统设 计有 2 4和 5 V电源输入接口 由专门的电源模块提 供 电源种类及其用途如表 1所示 电路如图 5所 示 表 1 电液伺服控制器电源种类 电源种类 主要用途 2 4 V DC 1 2 V DC 5 V DC 3 3 V DC 1 8 V DC 传感器电源 系统总电源 运算放大器电源 差分接收器 2 3 2 4 8 5 D P驱动器 L C D电源 D S P F P G A A D C D A C L C D电源 D S P内核 电源 1 1 4 机床与液压 第 4 0卷 图 5 系统 电源 电路 3 电液伺服控制器软件设计 稳定 可靠和高效的软件系统是数字式控制器设 计的重点内容 电液伺服控制器软件设计包括驱动层 软件 系统层软件及任务层软件 的设计 下面 以驱动 层软件设计 为例说 明 驱动层 软件直 接面向控制器 的物理硬件系统 它 是控制器各项功能 实现的基础 它 向上层软件提供了 与具体硬件无关的软件接 口 驱动层软件大体上可以 分为 A D与 D A驱动 数字量采集与驱动 人机界 面驱动 通讯驱动以及其他扩展驱动 5个部分 驱动 层软件体系结构如图6所示 其中控制器的数字量采 集 与输 出分别通过 F P G A的硬件接 口以及 D S P片内外 设 接 口实现 软件系统驱动层 A D 与 D A l I 数字量采 J 人机界面 驱动 l f 集与输 出l l 驱动 口 采 集 驱 动 委 l l i 蓁 l 曩 l 萋 l 其他 驱动 工 其 他 扩 展 功 能 驱 图 6 软件系统驱动层结构图 4实验及分析 电液伺服实验系统原理如图7 在电液伺服实验 台上 调节液压系统压力为 6 M P a 设定控制器最大 驱动电流为伺服阀额定电流的 1 2 0 即 1 2 mA 输入通过按 键 发 出位 移 阶跃控 制 信号 位移设 定 为 L 5 0 m m 系统阶跃响应 如图 8 所示 指令 图 7 电液伺服实验系统原理图 80 60 昌 4o 20 0 图8 电液伺服控制实验阶跃响应曲线 从图8 可以看出 其上升时间约为3 2 0 m s 运动 过程中 初始 阶段 伺服阀以额定 电流 的 1 2 0 工 作 系统达到最大响应能力 接近 目标值时 系统改 为完整 P I D控制 保证系统无超调 由在线调试软件 的采样数据可知 系统稳态偏差为0 0 2 m i ll 系统响 下转 第 1 3 9页 工 4 8 通信驱动 工R s 2 u 器 工 口 总 线 驱 动 第 1 8期 杨金鹏 等 配 F A N U C系统数控机床抗干扰措施 1 3 9 作 用 故必须安装断路器 4 因为正 常运行 时 没有 电流 通过 浪 涌吸 收 器 1和2 所 以断路器 5 A 可以与机床上其他电 气元件共用 可用于伺服单元中电源模块的电源控制 或主轴风扇电机的电源控 制 5 屏蔽接地 C N C需要进行屏 蔽 的电缆 必须使 用 下 面的方 法 进行卡紧 这种电缆卡子的目的是为了支撑电缆和电 缆屏蔽 为了保证 C N C系统操作 的稳定性 请按如 下介绍的电缆卡紧方法处理 将电缆外层剥掉一块露 出屏蔽层 用电缆卡子夹紧此处 并卡在地线板上 按 图 2安装 接 地板 图2 电缆卡子安装方法 接地板按图3设计 安 a 三 维 图 地端 子 b 二 维 图援地 板 图 3 接地板 注意 地线板应使用2 m m或更细的镍表面金属 板 电缆在做屏蔽安装时 注意动力线和信号线要分 开 即动力线与信号线的电缆卡子不要卡在同一块接 地板上 而应使用不同的接地板 6总 结 在数控机床的电气设计过程中 数控系统对干扰 的抑制是数控机床可靠性的最重要关口 如果处理不 好 经常会发生数控系统和电动机反馈的异常报警 在机床 电气完成装 配后 处理 这类 问题就非 常 困难 设计 的先 天缺 陷对产 品的可靠性影响非常大 有时是 无法补救的 采用文中介绍的几种方法可有效抑制干 扰 参考文献 1 日本 F A N U C 0 iC 硬件连接说明书 M 2 0 0 9 2 13 本 F A N U C 0 iC 功能说明书 M 2 0 0 9 3 日本 F A N U C 0 iC 参数说明书 M 2 0 0 9 4 日本 F A N U C 0 iC 系列机床维修说明书 M 2 0 0 0 5 杨卫玲 数控机床抗干扰性能 的检测及措施 J 电工 技术 2 0 0 8 1 0 4 6 4 8 6 王宏颖 抗干扰技术在数控机床中的应用 J 机电设 备 2 0 0 6 2 3 6 3 7 4 0 上接 第 1 1 4页 应速度快 精度高 无超调 验证了智能 P I D控制算 法的分段控制效果 5 结束语 结合液压伺 服 控制 系统 的 特点 提 出一 种 以 T I 公司的 3 2位定点数字信号处理器 T M S 3 2 0 F 2 8 x为核 心 以 A l t e r a 公 司 C y clo n e lI 系列 F P G A为辅