基于交流伺服驅(qū)動(dòng)的檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　交流伺服系統(tǒng)的電流、電壓、轉(zhuǎn)速及位置信息反應(yīng)了伺服系統(tǒng)的運(yùn)行性能，為了深入分析交流伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)及各項(xiàng)性能指標(biāo)，本文設(shè)計(jì)了一種交流伺服系統(tǒng)的檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，可通過(guò)上位機(jī)或液晶屏、觸摸屏構(gòu)成的人機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)伺服系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及傳輸、故障報(bào)警等。

　　數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及實(shí)時(shí)可靠傳輸是整個(gè)系統(tǒng)核心部分之一，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以分為實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)信息和非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)信息兩類(lèi)。實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)指位置、速度、電流和實(shí)際反饋信息，這類(lèi)數(shù)據(jù)的傳輸速度要求較高。而非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)主要是參數(shù)設(shè)置、功能設(shè)定、診斷功能、伺服狀態(tài)與報(bào)警等，對(duì)傳輸速度的要求相對(duì)較低一些[1]。rs-232串行通訊應(yīng)用廣泛，但其通信速率較低、傳輸距離短、抗干擾能力差，本系統(tǒng)中采用高速、可靠、分布式的can總線、usb總線。

　　本系統(tǒng)選用dsp和fpga作為控制核心，ad7612作為高精度、高速采樣芯片，對(duì)四個(gè)采樣通道的直流母線電壓、定子三相電流采樣，選用ch375接口芯片實(shí)現(xiàn)dsp和上位機(jī)的usb總線通信，選用82c250接口芯片實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)器的can總線通信，同時(shí)可通過(guò)液晶屏和觸摸屏構(gòu)成的控制系統(tǒng)完成運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、采集的數(shù)據(jù)顯示及處理等功能。

　　系統(tǒng)構(gòu)成

　　全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是采集、處理和顯示直流母線電壓、定子三相電流。此外，還包括位置顯示、速度顯示、故障報(bào)警、參數(shù)設(shè)置、液晶顯示、觸摸屏控制等。

　　上位機(jī)控制系統(tǒng)可完成伺服系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、讀取及顯示，在測(cè)量期間，所有采集數(shù)值通過(guò)can總線傳輸給檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)usb總線傳送給上位機(jī)控制系統(tǒng)，在上位機(jī)系統(tǒng)中對(duì)采集的數(shù)值進(jìn)行數(shù)值處理，并實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　　硬件部分設(shè)計(jì)

　　在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中，采用人機(jī)交互控制，通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)完成對(duì)采樣系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)視。測(cè)量系統(tǒng)中主要硬件部分為：dsp/fpga控制部分，直流母線電壓檢測(cè)部分、定子電流檢測(cè)部分、信號(hào)調(diào)理部分和a/d測(cè)量部分、液晶顯示和觸摸屏控制部分、can總線接口部分、usb總線接口部分。

　　dsp部分和fpga部分

　　dsp/fpga部分是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心控制部分，它主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的分時(shí)變速率采樣控制、采樣結(jié)果取優(yōu)控制等。該模塊主要有三個(gè)部分組成：dsp，fpga和ram。本部分主要完成以下功能：多通道檢測(cè)板的分時(shí)控制、檢測(cè)板的多路模擬開(kāi)關(guān)控制、讀取adc的轉(zhuǎn)換結(jié)果存入ram中、fpga邏輯控制、測(cè)量信號(hào)輸入選擇控制、利用can、usb總線實(shí)時(shí)接收上位機(jī)控制系統(tǒng)的命令和實(shí)時(shí)發(fā)送采樣的直流母線電壓值、定子三相電流值、電機(jī)轉(zhuǎn)速等。

　　直流母線電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

　　當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或伺服系統(tǒng)帶大慣性負(fù)載進(jìn)行頻繁制動(dòng)等情況時(shí)，直流母線電壓也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，可能造成儲(chǔ)能電容、功率模塊等的損壞，從而導(dǎo)致伺服系統(tǒng)運(yùn)行故障，為此需要實(shí)時(shí)檢測(cè)母線電壓，電壓檢測(cè)方法通常有以下3種：①分壓電阻采樣;②采用電壓互感器;③采用磁場(chǎng)平衡式霍爾傳感器[2]，本系統(tǒng)采用第一種檢測(cè)方法，并通過(guò)線性光耦實(shí)現(xiàn)高壓和低壓之間的電氣隔離，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

　　信號(hào)調(diào)理及檢測(cè)模塊

　　信號(hào)檢測(cè)及調(diào)理模塊主要由幾個(gè)分模塊組成，如圖2所示：

　　(1)直流母線電壓和電流檢測(cè)模塊：該模塊的功能主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中直流母線電壓和定子相電流檢測(cè)。

　　(2)四通道信號(hào)檢測(cè)模塊：該模塊主要采用四路差分放大電路，提高了檢測(cè)精度。

　　(3)通道選擇模塊：該模塊主要通過(guò)fpga來(lái)控制四通道檢測(cè)信號(hào)是否接入ad采樣電路。

　　(4)ad采樣模塊：該模塊通過(guò)adc對(duì)輸入的雙極性信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并且把檢測(cè)的信號(hào)通過(guò)usb總線傳送給上位機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。

　　液晶顯示和觸摸屏控制部分

　　tfts6448b是專(zhuān)門(mén)針對(duì)分辨率為640×480的真彩屏(tft)而設(shè)計(jì)的液晶顯示控制模塊，具有8位數(shù)據(jù)總線(d0～d7)、地址總線(a1、a0)、讀(/rd)、寫(xiě)(/wr)、片選控制信號(hào)(/cs)。當(dāng)對(duì)顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，首先必須指定行地址y，以及列地址x，然后就可以將該行從地址x開(kāi)始的數(shù)據(jù)連續(xù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作，無(wú)須重新設(shè)置x和y，在顯示數(shù)據(jù)的每次讀寫(xiě)操作后，列地址x都將自動(dòng)加1，當(dāng)?shù)刂芳拥叫形矔r(shí)，地址將跳到下一行的行首，當(dāng)要讀寫(xiě)一個(gè)新的行時(shí)，必須重新設(shè)置x、y。

　　觸摸屏控制器工作過(guò)程是當(dāng)有觸摸事件發(fā)生時(shí)，ads7846會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，當(dāng)dsp接收到中斷信號(hào)后，會(huì)通過(guò)dsp的spi模塊發(fā)送相應(yīng)的控制字，然后ads7846把觸摸點(diǎn)的電壓轉(zhuǎn)換為x坐標(biāo)和y坐標(biāo)再通過(guò)spi接口送回dsp，dsp根據(jù)得到的坐標(biāo)作相應(yīng)處理[3]。如圖3為dsp和液晶屏、觸摸屏的接口電路框圖。

　　dsp的can總線接口電路設(shè)計(jì)

　　使用can總線技術(shù)將伺服驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控系統(tǒng)連成現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控系統(tǒng)可通過(guò)can總線完成上位機(jī)對(duì)伺服系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、接收伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用tms320lf2407a片內(nèi)can控制器。

　　tms320lf2407a型dsp芯片的can總線控制器與can物理總線的接口采用82c250驅(qū)動(dòng)器芯片。82c250采用阻抗為120ω雙絞線作通訊介質(zhì)，信號(hào)采用差動(dòng)接收和發(fā)送抗干擾能力強(qiáng)，最高通信速率可達(dá)1mbps。通過(guò)對(duì)82c250引腳8(rs)的不同連接，可以實(shí)現(xiàn)三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機(jī)。本系統(tǒng)采用斜率控制，以降低射頻干擾。為了增加抗干擾能力，保護(hù)can控制器，在tms320lf2407a與82c250之間加高速光電隔離器，光電隔離器采用hp公司hcpl-2630芯片，速度為10mhz，電路如圖4所示[4]。

　　dsp的usb總線接口電路設(shè)計(jì)

　　ch375具有8位數(shù)據(jù)總線(d0～d7)、地址輸入(a0)、讀rd#)、寫(xiě)(wr#)、片選控制線(cs#)以及中斷輸出int#)，可以方便地掛接到dsp的數(shù)據(jù)總線上。當(dāng)a0為低電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)端口，dsp通過(guò)8位并口對(duì)ch375進(jìn)行讀寫(xiě)數(shù)據(jù);為高電平時(shí)選擇命令端口，可以向其寫(xiě)入命令，如圖5為ch375構(gòu)成的usb接口電路框圖[5]。

　　故障檢測(cè)及處理模塊

　　故障信號(hào)主要包括ipm模塊損壞、三相輸出過(guò)電流、主電源過(guò)壓及欠壓、光電碼盤(pán)故障、過(guò)速、位置超差等，這些故障信號(hào)經(jīng)過(guò)fpga綜合后送dsp處理，dsp通過(guò)usb總線傳送給上位機(jī)并給出通知信息進(jìn)行相關(guān)處理。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用分模塊設(shè)計(jì)，主要分為以下六個(gè)部分：

　　(1)直流母線電壓、定子電流采樣模塊：該采樣模塊需要實(shí)現(xiàn)的功能是在接收到上位機(jī)啟動(dòng)檢測(cè)命令后，進(jìn)行直流母線電壓、定子電流采樣，并將采樣的結(jié)果上傳至檢測(cè)系統(tǒng)，然后由檢測(cè)系統(tǒng)傳送給上位機(jī)。該模塊包含以下幾個(gè)子模塊：直流母線電壓采樣模塊、定子電流采樣模塊、數(shù)據(jù)上傳子模塊。

　　(2)can總線、usb總線傳輸模塊：該模塊包含以下幾個(gè)子模塊：伺服電機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置子模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速傳輸子模塊、直流母線電壓采樣值傳輸子模塊、定子電流采樣值傳輸子模塊。

　　(3)fpga邏輯處理模塊：fpga主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯控制。

　　(4)主要有以下幾個(gè)子模塊組成：ad讀信號(hào)邏輯轉(zhuǎn)換子模塊、模擬開(kāi)關(guān)邏輯轉(zhuǎn)換信號(hào)、ram讀取邏輯子模塊、ad轉(zhuǎn)換開(kāi)始邏輯轉(zhuǎn)換子模塊、ad的busy信號(hào)邏輯轉(zhuǎn)化子模塊、ad選通信號(hào)邏輯轉(zhuǎn)換子模塊、故障信號(hào)綜合子模塊。

　　(5)液晶顯示、觸摸屏控制模塊：該模塊可完成電機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、直流母線電壓及定子電流采樣值顯示、數(shù)據(jù)處理后顯示模塊。

　　(6)人機(jī)界面、數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊主要采用在vc++6.0軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上完成人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)[6]，進(jìn)行電機(jī)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、直流母線電壓及定子電流采樣值顯示、采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、采集的數(shù)據(jù)數(shù)字濾波、fft變換、ifft變換、諧波分析等。

　　(7)輔助功能模塊：檢測(cè)模塊、放大倍數(shù)校正模塊、ad偏差校正模塊。檢測(cè)模塊主要包括dsp正常工作檢測(cè)、供電電路檢測(cè)、測(cè)量板檢測(cè)。在使用測(cè)量?jī)x時(shí)，先執(zhí)行檢測(cè)功能，以確保整套系統(tǒng)的正常工作，或者檢測(cè)那個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤以便更快的找到問(wèn)題，排除問(wèn)題。考慮到硬件的長(zhǎng)期使用，硬件的放大倍數(shù)和零漂會(huì)波動(dòng)，這里增加了上位機(jī)放大倍數(shù)實(shí)時(shí)校正功能，以及ad偏差校正子程序。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　基于以上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和有效性，在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行了相關(guān)性能、功能測(cè)試，主要包括：調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警測(cè)試;電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示及存儲(chǔ);定子電流顯示及存儲(chǔ)等。

　　如圖6所示為調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置、故障報(bào)警顯示畫(huà)面，在此畫(huà)可對(duì)調(diào)節(jié)器的比例增益、積分增益進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)可顯示編碼器故障、過(guò)壓、欠壓、過(guò)電流、ipm故障等信息，綠燈表示系統(tǒng)運(yùn)行正常，紅燈顯示時(shí)表示有故障，此時(shí)給出通知信息進(jìn)行相關(guān)操作。

　　上圖7所示為給定速度500rpm、-500rpm交替給定的伺服系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示畫(huà)面，通過(guò)設(shè)置讀取的驅(qū)動(dòng)器序號(hào)，可讀取該驅(qū)動(dòng)器的轉(zhuǎn)速值并顯示，1線曲線表示速度給定曲線，2線曲線表示實(shí)際采集的速度曲線，采集完成后可對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速值進(jìn)行存儲(chǔ)，以便進(jìn)一步分析電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。從圖中可看出，伺服電機(jī)響應(yīng)速度快、無(wú)超調(diào)，從而可對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器的性能進(jìn)行分析及評(píng)估。

　　上圖8所示為帶額定負(fù)載時(shí)的伺服系統(tǒng)電機(jī)定子電流顯示畫(huà)面，通過(guò)設(shè)置讀取的驅(qū)動(dòng)器序號(hào)，可讀取該驅(qū)動(dòng)器的伺服電機(jī)定子電流值并顯示，2線曲線表示a相電流曲線，1線表示b相電流曲線，采集完成后可對(duì)電機(jī)定子電流值進(jìn)行存儲(chǔ)，以便進(jìn)行頻譜分析等。

　　結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種伺服驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，包括上位機(jī)控制系統(tǒng)和液晶屏、觸摸屏控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電壓、電流高精度、高速采樣，實(shí)現(xiàn)了伺服驅(qū)動(dòng)器故障論斷、性能分析，本系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)際伺服驅(qū)動(dòng)器上得到了成功應(yīng)用，具有良好的實(shí)時(shí)性、較高的測(cè)量精度、方便的人機(jī)交互操作界面及數(shù)據(jù)分析處理功能。