1、DSP在短行程直線電機精密位置控制中的應用研究作者：杜志強   來源：計算機測量與控制短行程直流直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能、而不需任何中間轉換機構的傳動裝置。主要應用在高頻往復短行程直線運動的特殊精密加工場合。其特點是具有較高的動態響應能力，和閉環控制系統結合在一起，可精密地控制位移。因此，位置信號的檢測及其位置伺服控制成為直線電機精密位置控制中的關鍵技術。選用DSP電機專用控制芯片，充分利用其片上功能外設，可對位置信號高速可靠地進行檢測，同時便于控制系統集成與實現。TMS320x24x系列DSP（Digital Signal Processor

2、 數字信號處理器）是美國TI公司專為實現高精度、高性能、功能多樣化的單片電動機控制系統或運動控制系統而設計的控制器芯片。它將TI公司的高性能16位DSP核C2xLP和豐富的功能外設電路集成在單個芯片上，為設計小體積、低功耗、高可靠性、高性能的電動機控制系統提供了理想的單片解決發案，使系統的整體成本大大降低，同時也使電機控制技術發生了深刻的變化，傳統的模擬控制方法已逐漸被以微控制器為核心的數字控制方法所取代。一、短行程直流直線電機的工作原理短行程直流直線電機的結構示意圖如圖1所示。該直線電機采用動圈型永磁式結構，主要由電機本體、移動線圈（動子） 、雙環狀永磁體、雙預壓彈簧和直線位移檢測裝置（光柵

3、尺）等組成。在動子的行程范圍內，永磁體形成均勻的徑向磁場B，當線圈中通入直流Ia電時，載有電流的導體在磁場中就會受到電磁力的作用，電磁力的方向可由Fleming 左手定則來確定。在電磁力的作用下，動子只要克服彈簧的彈力以及動子存在的靜摩擦阻力，即可沿軸向作直線運動。改變電流Ia的方向，動子的運動方向也隨之發生改變。直線電機的工作行程范圍為±5 mm。二、基于DSP的直流直線電機位置控制系統組成基于DSP的直線電機位置伺服控制系統采用數、?；旌峡刂品绞剑次恢铆h為數字控制，由數字信號處理器DSP完成，用于實現較高的位置控制精度，而電流環及PWM 由模擬電路完成，以滿足電流環實時控制的需

4、要。其伺服控制系統主要有直流直線電機、直線位移檢測裝置（光柵尺） 、驅動器和控制器四部分組成?？刂葡到y結構框圖如圖2 所示。在實際應用中，DSP控制器選用TI公司的TMS320L F2407A ，它采用多組總線結構實現并行處理機制，允許CPU 同時進行程序指令和存儲數據的訪問。獨立的累加器和乘法器，使得復雜的乘法運算能快速進行，40MIPS 的執行速度使得指令周期縮短到25 ns ，從而提高了控制器的實時控制能力。此外，它還帶有兩個事件管理器模塊，專用于電機數字化控制，完善的外圍通信接口，使之能夠與系統中的其它控制器進行通信。根據直線電機可正、反向往返移動的工作特性，電機驅動采用了雙極性可逆橋

5、式PWM 驅動系統。直線電機的位移檢測裝置采用德國JENA 公司生產的高速（418m/s）、高分辨率（1m）的光柵尺。三、基于DSP的直線電機位移檢測及實現方法（一）直線位移檢測原理及硬件電路直線位移檢測是直線電機實現精密位置控制的關鍵環節。TMS320L F2407A 有兩個事件管理器模塊，每個事件管理器模塊都有一個正交編碼脈沖（Quadrature Encoded Pulses，QEP）電路。該電路被使能后，可以對引腳CAP1/ QEP1 和CAP2/QEP2 （對于EVA 模塊） 或CAP4/ QEP3 和CAP5/ QEP4（對于EVB 模塊）上輸入的正交編碼脈沖信號進行譯碼和計數。正

6、交編碼脈沖電路用于連接光柵尺輸出的正交編碼脈沖信號，實現對直線電機的位移快速可靠的進行檢測。直線電機沿軸向直線運動時，光柵尺直接輸出與位置有關的6 路（三對反相） RS422A 方波信號Z、 、Z1 、 1 、Z2 、 2 ，經MC3486 差分接收后，產生兩路正交的編碼脈沖信號A、B 和一路參考點（直線電機有效行程的零點或中位點）脈沖信號R。兩路正交編碼脈沖信號A 、B 用于直線電機的位移檢測，參考點脈沖信號R 用于直線位移有效行程零點的檢測。SN74LVCH245A 可實現5V 的輸入信號到DSP可接收313 V的電平信號轉換，位移信號檢測電路原理圖如圖3 所示。實測的正交編碼脈沖及參考點

7、脈沖信號如圖4 所示。正交編碼脈沖包括兩個脈沖序列，是頻率變化的正交（相差四分之一周期，即90°） 脈沖序列。兩路正交的編碼脈沖信號送入DSP事件管理器A 的正交編碼脈沖（QEP1 、QEP2）輸入單元，正交輸入脈沖的兩個邊沿（上升沿和下降沿）都被正交編碼脈沖電路計數，即其本身能進行4 倍頻，并可根據兩路脈沖的先后次序判別直線電機的運動方向（4 倍頻后，直線位移計數分辨率為1m ，即每移動1m ，DSP就進行一次計數，計數范圍為±5000）。此時，正交編碼脈沖電路既為定時器T2 提供時鐘又提供計數方向，如圖5 所示。 QEP1 、QEP2都以通用定時器T2 作為時基，T2

8、設置成定向的增/ 減計數模式，并以正交編碼脈沖電路作為時鐘源，對脈沖信號CL K進行計數并將所計脈沖數裝入計數器T2CNT 中。計數器的計數方向由DIR 信號決定，當QEP1 輸入是先導序列時，通用定時器進行增計數，當QEP2 輸入是先導序列時，則通用定時器進行減計數，計數器的狀態字中有專門的一位用于保存計數方向信息，即為直線電機的運動方向信息。在程序中可以方便的讀取當前的計數值和計數方向，由此獲得直線電機的直線位移和移動方向。正交編碼脈沖、增/ 減計數方向以及時鐘如圖6 所示。（二）零點（中位點） 的檢測直線電機的零點（中位點）是直線電機有效行程±5 mm的零點。由于直線電機每次斷

9、電后，平衡位置不在一個準確的點上，而是位于零點附近（小于±1 mm），因此，要精密控制直線電機的位移必須確定零點的位置，即通電后首先要回零操作。光柵尺上帶有零點位置檢測信號，即光柵尺的讀頭與尺帶產生相對運動經過零點時，光柵尺輸出一對反相的脈沖信號Z、 。經MC3486 差分接收后，產生脈沖信號R，如圖4 所示。該脈沖信號可通過捕獲單元引腳CAP3 捕獲到。在捕獲單元使能后，輸入引腳CAP3 上的指定跳變設定為上升沿觸發，指定跳變將所選通用定時器的計數值裝入到相應的FIFO 棧的同時，相應的中斷標志位被置位，可通過查詢中斷標志位來判斷是否找到零點。在進行回零操作時，為了實現快

10、速找到零點，首先應確定零點位于平衡點的哪一側，然后再慢速回零。實現方法是控制直線電機從平衡位置沿一個方向移動1mm ，然后通過軟件查詢事件管理器A中的中斷標志寄存器C的CAP3INT 標志位是否為1，如為1，說明中斷標志位被置位，捕獲輸入引腳CAP3發生過信號跳變，即發生過中斷事件（此時中斷被屏蔽，不產生中斷請求，僅置位中斷標志位）。從而，可確定零點在移動的這一側，否則零點在平衡點的另一側（反向移動2mm 重新查詢中斷標志位）。清除CAP3INT的標志位后，控制直線電機反向微量進給，同時查詢CAP3INT 標志位是否被重新置位為1，如為1，說明已檢測到零點。（三）直線位移檢測時相關的寄存器設置

11、直線電機位置檢測主要是由DSP的事件管理器A 完成的，因此，必須對事件管理器A的功能寄存器進行設置。QEP電路寄存器的設置：定時器T2周期寄存器；捕獲控制寄存器A；中斷屏蔽寄存器B、C；中斷標志寄存器B、C。四、數模轉換硬件擴展電路為了提高直線電機的位置控制精度，外擴了一片16位雙極性輸出的D/ A轉換器，16位D/ A轉換器選用TI公司的DAC7641，該芯片為16位雙緩沖DAC芯片，即在數據傳送到實際轉換器前，數據可以寫到保持寄存器中，然后由LDAC上升沿觸發進行D/ A轉換。數/ 模轉換器映射到I/ O地址空間：0x0000，地址0x0002用來傳送保持寄存器的值到轉換器。數模轉換后的輸

12、出電壓是±215V，經TLC2272放大后，實現±5 V輸出。74ALVC164245 實現數據線信號從3.135V的傳輸。數模轉換工作原理如圖7 所示。DAC 可按如下方式進行編程： 首先向I/ O 映射空間的保持寄存器0x0000寫入數據，然后向傳送寄存器0x0002寫任何一個值，就可以將保持寄存器的數據送到轉換器并輸出。例程如下：五、控制軟件設計直線電機的位置控制程序使用C語言和匯編語言混合編程的方法來實現。主要由主程序，回零操作程序，串口通信子程序，通用定時器T1周期中斷子程序，位置控制算法程序這些模塊組成。主程序主要完成系統的初始化及直線電機的位置控制，串口通信子程序用來接收上位機發出的位置指令，通用定時器T1周期中斷子程序完成對直線位移的周期采樣，進行位置控制計算，并輸出D/ A 控制值。其軟件實現流程如圖8 所示。六、結論文章分析了基于DSP的短行程直流直線電機位置控制系統