基于交流伺服驅動的檢測監控系統設計

分類：技術教程日期：2012-08-14 00:00:00 來源：西部工控網

　　引言

　　交流伺服系統的電流、電壓、轉速及位置信息反應了伺服系統的運行性能，為了深入分析交流伺服驅動器的運行狀態及各項性能指標，本文設計了一種交流伺服系統的檢測監控系統，可通過上位機或液晶屏、觸摸屏構成的人機交互系統對伺服系統的運行參數進行設置、數據實時采集及傳輸、故障報警等。

　　數據的實時采集及實時可靠傳輸是整個系統核心部分之一，傳輸的數據可以分為實時性數據信息和非實時性數據信息兩類。實時性數據指位置、速度、電流和實際反饋信息，這類數據的傳輸速度要求較高。而非實時性數據主要是參數設置、功能設定、診斷功能、伺服狀態與報警等，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，本系統中采用高速、可靠、分布式的can總線、usb總線。

　　本系統選用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dsp和上位機的usb總線通信，選用82c250接口芯片實現檢測系統和伺服驅動器的can總線通信，同時可通過液晶屏和觸摸屏構成的控制系統完成運行參數設置、采集的數據顯示及處理等功能。

　　系統構成

　　全數字交流伺服驅動器自動檢測監控系統的主要功能是采集、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、參數設置、液晶顯示、觸摸屏控制等。

　　上位機控制系統可完成伺服系統運行參數設置、讀取及顯示，在測量期間，所有采集數值通過can總線傳輸給檢測系統，檢測系統通過usb總線傳送給上位機控制系統，在上位機系統中對采集的數值進行數值處理，并實時顯示。系統總體框圖如圖1所示。

　　硬件部分設計

　　在整個測量系統中，采用人機交互控制，通過上位機系統完成對采樣系統的實時控制和監視。測量系統中主要硬件部分為：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部分是監測系統的核心控制部分，它主要完成對數據的分時變速率采樣控制、采樣結果取優控制等。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控制、讀取adc的轉換結果存入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控制系統的命令和實時發送采樣的直流母線電壓值、定子三相電流值、電機轉速等。

　　直流母線電壓檢測電路設計

　　當發生電網電壓的波動或伺服系統帶大慣性負載進行頻繁制動等情況時，直流母線電壓也會產生波動，可能造成儲能電容、功率模塊等的損壞，從而導致伺服系統運行故障，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]，本系統采用第一種檢測方法，并通過線性光耦實現高壓和低壓之間的電氣隔離，具有較強的抗干擾能力。

　　信號調理及檢測模塊

　　信號檢測及調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在系統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行檢測，并且把檢測的信號通過usb總線傳送給上位機控制系統進行處理。

　　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)而設計的液晶顯示控制模塊，具有8位數據總線(d0～d7)、地址總線(a1、a0)、讀(/rd)、寫(/wr)、片選控制信號(/cs)。當對顯示數據進行讀寫時，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開始的數據連續進行讀寫操作，無須重新設置x和y，在顯示數據的每次讀寫操作后，列地址x都將自動加1，當地址加到行尾時，地址將跳到下一行的行首，當要讀寫一個新的行時，必須重新設置x、y。

　　觸摸屏控制器工作過程是當有觸摸事件發生時，ads7846會產生中斷信號，當dsp接收到中斷信號后，會通過dsp的spi模塊發送相應的控制字，然后ads7846把觸摸點的電壓轉換為x坐標和y坐標再通過spi接口送回dsp，dsp根據得到的坐標作相應處理[3]。如圖3為dsp和液晶屏、觸摸屏的接口電路框圖。

　　dsp的can總線接口電路設計

　　使用can總線技術將伺服驅動和監控系統連成現場控制網絡。監控系統可通過can總線完成上位機對伺服系統運行參數設置、接收伺服系統的轉速等運行狀態參數，伺服驅動系統采用tms320lf2407a片內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驅動器芯片。82c250采用阻抗為120ω雙絞線作通訊介質，信號采用差動接收和發送抗干擾能力強，最高通信速率可達1mbps。通過對82c250引腳8(rs)的不同連接，可以實現三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機。本系統采用斜率控制，以降低射頻干擾。為了增加抗干擾能力，保護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總線接口電路設計

　　ch375具有8位數據總線(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的數據總線上。當a0為低電平時選擇數據端口，dsp通過8位并口對ch375進行讀寫數據;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，這些故障信號經過fpga綜合后送dsp處理，dsp通過usb總線傳送給上位機并給出通知信息進行相關處理。

　　軟件設計

　　系統的軟件設計采用分模塊設計，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的功能是在接收到上位機啟動檢測命令后，進行直流母線電壓、定子電流采樣，并將采樣的結果上傳至檢測系統，然后由檢測系統傳送給上位機。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、數據上傳子模塊。

　　(2)can總線、usb總線傳輸模塊：該模塊包含以下幾個子模塊：伺服電機運行參數設置子模塊、電機轉速傳輸子模塊、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主要用來實現邏輯控制。

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

　　(5)液晶顯示、觸摸屏控制模塊：該模塊可完成電機運行參數設置、直流母線電壓及定子電流采樣值顯示、數據處理后顯示模塊。

　　(6)人機界面、數據處理模塊：該模塊主要采用在vc++6.0軟件開發平臺上完成人機交互界面的設計[6]，進行電機運行參數設置、直流母線電壓及定子電流采樣值顯示、采集的數據存儲、采集的數據數字濾波、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，先執行檢測功能，以確保整套系統的正常工作，或者檢測那個環節出現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，硬件的放大倍數和零漂會波動，這里增加了上位機放大倍數實時校正功能，以及ad偏差校正子程序。

　　實驗結果

　　基于以上系統的設計，為了驗證系統設計的正確性和有效性，在實際系統中進行了相關性能、功能測試，主要包括：調節器參數設置、故障報警測試;電機轉速顯示及存儲;定子電流顯示及存儲等。

　　如圖6所示為調節器參數設置、故障報警顯示畫面，在此畫可對調節器的比例增益、積分增益進行設置，同時可顯示編碼器故障、過壓、欠壓、過電流、ipm故障等信息，綠燈表示系統運行正常，紅燈顯示時表示有故障，此時給出通知信息進行相關操作。

　　上圖7所示為給定速度500rpm、-500rpm交替給定的伺服系統電機轉速顯示畫面，通過設置讀取的驅動器序號，可讀取該驅動器的轉速值并顯示，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轉速值進行存儲，以便進一步分析電機的運行狀態。從圖中可看出，伺服電機響應速度快、無超調，從而可對伺服驅動器的性能進行分析及評估。