基于交流伺服驅(qū)動的檢測監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

　　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)的運行性能，為了深入分析交流伺服驅(qū)動器的運行狀態(tài)及各項性能指標(biāo)，本文設(shè)計了一種交流伺服系統(tǒng)的檢測監(jiān)控系統(tǒng)，可通過上位機(jī)或液晶屏、觸摸屏構(gòu)成的人機(jī)交互系統(tǒng)對伺服系統(tǒng)的運行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、數(shù)據(jù)實時采集及傳輸、故障報警等。

　　數(shù)據(jù)的實時采集及實時可靠傳輸是整個系統(tǒng)核心部分之一，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以分為實時性數(shù)據(jù)信息和非實時性數(shù)據(jù)信息兩類。實時性數(shù)據(jù)指位置、速度、電流和實際反饋信息，這類數(shù)據(jù)的傳輸速度要求較高。而非實時性數(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)與報警等，對傳輸速度的要求相對較低一些[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，對四個采樣通道的直流母線電壓、定子三相電流采樣，選用ch375接口芯片實現(xiàn)dsp和上位機(jī)的usb總線通信，選用82c250接口芯片實現(xiàn)檢測系統(tǒng)和伺服驅(qū)動器的can總線通信，同時可通過液晶屏和觸摸屏構(gòu)成的控制系統(tǒng)完成運行參數(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)動器自動檢測監(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)運行參數(shù)設(shè)置、讀取及顯示，在測量期間，所有采集數(shù)值通過can總線傳輸給檢測系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)通過usb總線傳送給上位機(jī)控制系統(tǒng)，在上位機(jī)系統(tǒng)中對采集的數(shù)值進(jìn)行數(shù)值處理，并實時顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　　硬件部分設(shè)計

　　在整個測量系統(tǒng)中，采用人機(jī)交互控制，通過上位機(jī)系統(tǒng)完成對采樣系統(tǒng)的實時控制和監(jiān)視。測量系統(tǒng)中主要硬件部分為：dsp/fpga控制部分，直流母線電壓檢測部分、定子電流檢測部分、信號調(diào)理部分和a/d測量部分、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)測系統(tǒng)的核心控制部分，它主要完成對數(shù)據(jù)的分時變速率采樣控制、采樣結(jié)果取優(yōu)控制等。該模塊主要有三個部分組成：dsp，fpga和ram。本部分主要完成以下功能：多通道檢測板的分時控制、檢測板的多路模擬開關(guān)控制、讀取adc的轉(zhuǎn)換結(jié)果存入ram中、fpga邏輯控制、測量信號輸入選擇控制、利用can、usb總線實時接收上位機(jī)控制系統(tǒng)的命令和實時發(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。

　　直流母線電壓檢測電路設(shè)計

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

　　信號調(diào)理及檢測模塊

　　信號檢測及調(diào)理模塊主要由幾個分模塊組成，如圖2所示：

　　(1)直流母線電壓和電流檢測模塊：該模塊的功能主要用來實現(xiàn)在系統(tǒng)運行過程中直流母線電壓和定子相電流檢測。

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

　　(3)通道選擇模塊：該模塊主要通過fpga來控制四通道檢測信號是否接入ad采樣電路。

　　(4)ad采樣模塊：該模塊通過adc對輸入的雙極性信號進(jìn)行檢測，并且把檢測的信號通過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是專門針對分辨率為640×480的真彩屏(tft)而設(shè)計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(/wr)、片選控制信號(/cs)。當(dāng)對顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫時，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開始的數(shù)據(jù)連續(xù)進(jìn)行讀寫操作，無須重新設(shè)置x和y，在顯示數(shù)據(jù)的每次讀寫操作后，列地址x都將自動加1，當(dāng)?shù)刂芳拥叫形矔r，地址將跳到下一行的行首，當(dāng)要讀寫一個新的行時，必須重新設(shè)置x、y。

　　觸摸屏控制器工作過程是當(dāng)有觸摸事件發(fā)生時，ads7846會產(chǎn)生中斷信號，當(dāng)dsp接收到中斷信號后，會通過dsp的spi模塊發(fā)送相應(yīng)的控制字，然后ads7846把觸摸點的電壓轉(zhuǎn)換為x坐標(biāo)和y坐標(biāo)再通過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

　　使用can總線技術(shù)將伺服驅(qū)動和監(jiān)控系統(tǒng)連成現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控系統(tǒng)可通過can總線完成上位機(jī)對伺服系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)置、接收伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速等運行狀態(tài)參數(shù)，伺服驅(qū)動系統(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)動器芯片。82c250采用阻抗為120ω雙絞線作通訊介質(zhì)，信號采用差動接收和發(fā)送抗干擾能力強(qiáng)，最高通信速率可達(dá)1mbps。通過對82c250引腳8(rs)的不同連接，可以實現(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

　　ch375具有8位數(shù)據(jù)總線(d0～d7)、地址輸入(a0)、讀rd#)、寫(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為低電平時選擇數(shù)據(jù)端口，dsp通過8位并口對ch375進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù);為高電平時選擇命令端口，可以向其寫入命令，如圖5為ch375構(gòu)成的usb接口電路框圖[5]。

　　故障檢測及處理模塊

　　故障信號主要包括ipm模塊損壞、三相輸出過電流、主電源過壓及欠壓、光電碼盤故障、過速、位置超差等，這些故障信號經(jīng)過fpga綜合后送dsp處理，dsp通過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

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

　　(1)直流母線電壓、定子電流采樣模塊：該采樣模塊需要實現(xiàn)的功能是在接收到上位機(jī)啟動檢測命令后，進(jìn)行直流母線電壓、定子電流采樣，并將采樣的結(jié)果上傳至檢測系統(tǒng)，然后由檢測系統(tǒng)傳送給上位機(jī)。該模塊包含以下幾個子模塊：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子模塊：伺服電機(jī)運行參數(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主要用來實現(xiàn)邏輯控制。

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

　　(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軟件開發(fā)平臺上完成人機(jī)交互界面的設(shè)計[6]，進(jìn)行電機(jī)運行參數(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、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：檢測模塊、放大倍數(shù)校正模塊、ad偏差校正模塊。檢測模塊主要包括dsp正常工作檢測、供電電路檢測、測量板檢測。在使用測量儀時，先執(zhí)行檢測功能，以確保整套系統(tǒng)的正常工作，或者檢測那個環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤以便更快的找到問題，排除問題。考慮到硬件的長期使用，硬件的放大倍數(shù)和零漂會波動，這里增加了上位機(jī)放大倍數(shù)實時校正功能，以及ad偏差校正子程序。

　　實驗結(jié)果

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

　　如圖6所示為調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置、故障報警顯示畫面，在此畫可對調(diào)節(jié)器的比例增益、積分增益進(jìn)行設(shè)置，同時可顯示編碼器故障、過壓、欠壓、過電流、ipm故障等信息，綠燈表示系統(tǒng)運行正常，紅燈顯示時表示有故障，此時給出通知信息進(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)速顯示畫面，通過設(shè)置讀取的驅(qū)動器序號，可讀取該驅(qū)動器的轉(zhuǎn)速值并顯示，1線曲線表示速度給定曲線，2線曲線表示實際采集的速度曲線，采集完成后可對電機(jī)轉(zhuǎn)速值進(jìn)行存儲，以便進(jìn)一步分析電機(jī)的運行狀態(tài)。從圖中可看出，伺服電機(jī)響應(yīng)速度快、無超調(diào)，從而可對伺服驅(qū)動器的性能進(jìn)行分析及評估。

　　上圖8所示為帶額定負(fù)載時的伺服系統(tǒng)電機(jī)定子電流顯示畫面，通過設(shè)置讀取的驅(qū)動器序號，可讀取該驅(qū)動器的伺服電機(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，采集完成后可對電機(jī)定子電流值進(jìn)行存儲，以便進(jìn)行頻譜分析等。

　　結(jié)論

　　本文設(shè)計了一種伺服驅(qū)動器檢測監(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)，實現(xiàn)了電壓、電流高精度、高速采樣，實現(xiàn)了伺服驅(qū)動器故障論斷、性能分析，本系統(tǒng)已經(jīng)在實際伺服驅(qū)動器上得到了成功應(yīng)用，具有良好的實時性、較高的測量精度、方便的人機(jī)交互操作界面及數(shù)據(jù)分析處理功能。