dsp在短行程直线电机精密位置控制中的应用研究

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1、61IC中国电子在线www.61ic.comDSP在短行程直线电机精密位置控制中的应用研究作者：杜志强   来源：计算机测量与控制短行程直流直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能、而不需任何中间转换机构的传动装置。主要应用在高频往复短行程直线运动的特殊精密加工场合。其特点是具有较高的动态响应能力，和闭环控制系统结合在一起，可精密地控制位移。因此，位置信号的检测及其位置伺服控制成为直线电机精密位置控制中的关键技术。选用DSP电机专用控制芯片，充分利用其片上功能外设，可对位置信号高速可靠地进行检测，同时便于控制系统集成与实现。TMS320x2

2、4x系列DSP（DigitalSignalProcessor数字信号处理器）是美国TI公司专为实现高精度、高性能、功能多样化的单片电动机控制系统或运动控制系统而设计的控制器芯片。它将TI公司的高性能16位DSP核C2xLP和丰富的功能外设电路集成在单个芯片上，为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的电动机控制系统提供了理想的单片解决发案，使系统的整体成本大大降低，同时也使电机控制技术发生了深刻的变化，传统的模拟控制方法已逐渐被以微控制器为核心的数字控制方法所取代。一、短行程直流直线电机的工作原理短行程直流直线电机的结构示意图如图1所示。该直线电

3、机采用动圈型永磁式结构，主要由电机本体、移动线圈（动子）、双环状永磁体、双预压弹簧和直线位移检测装置（光栅尺）等组成。在动子的行程范围内，永磁体形成均匀的径向磁场Bδ，当线圈中通入直流Ia电时，载有电流的导体在磁场中就会受到电磁力的作用，电磁力的方向可由Fleming左手定则来确定。在电磁力的作用下，动子只要克服弹簧的弹力以及动子存在的静摩擦阻力，即可沿轴向作直线运动。改变电流Ia的方向，动子的运动方向也随之发生改变。直线电机的工作行程范围为±5mm。二、基于DSP的直流直线电机位置控制系统组成基于DSP的直线电机位置伺服控制系统采用数、模混合

4、控制方式，即位置环为数字控制，由数字信号处理器DSP完成，用于实现较高的位置控制精度，而电流环及PWM由模拟电路完成，以满足电流环实时控制的需要。其伺服控制系统主要有直流直线电机、直线位移检测装置（光栅尺）、驱动器和控制器四部分组成。控制系统结构框图如图2所示。61IC中国电子在线www.61ic.com61IC中国电子在线www.61ic.com　　在实际应用中，DSP控制器选用TI公司的TMS320LF2407A，它采用多组总线结构实现并行处理机制，允许CPU同时进行程序指令和存储数据的访问。独立的累加器和乘法器，使得复杂的乘法运算能快速进

5、行，40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns，从而提高了控制器的实时控制能力。此外，它还带有两个事件管理器模块，专用于电机数字化控制，完善的外围通信接口，使之能够与系统中的其它控制器进行通信。根据直线电机可正、反向往返移动的工作特性，电机驱动采用了双极性可逆桥式PWM驱动系统。直线电机的位移检测装置采用德国JENA公司生产的高速（418m/s）、高分辨率（1μm）的光栅尺。三、基于DSP的直线电机位移检测及实现方法（一）直线位移检测原理及硬件电路直线位移检测是直线电机实现精密位置控制的关键环节。TMS320LF2407A有两个事件管理器

6、模块，每个事件管理器模块都有一个正交编码脉冲（QuadratureEncodedPulses，QEP）电路。该电路被使能后，可以对引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2（对于EVA模块）或CAP4/QEP3和CAP5/QEP4（对于EVB模块）上输入的正交编码脉冲信号进行译码和计数。正交编码脉冲电路用于连接光栅尺输出的正交编码脉冲信号，实现对直线电机的位移快速可靠的进行检测。直线电机沿轴向直线运动时，光栅尺直接输出与位置有关的6路（三对反相）RS422A方波信号Z、、Z1、1、Z2、2，经MC3486差分接收后，产生两路正交的编码脉冲信号A

7、、B和一路参考点（直线电机有效行程的零点或中位点）脉冲信号R。两路正交编码脉冲信号A、B用于直线电机的位移检测，参考点脉冲信号R用于直线位移有效行程零点的检测。SN74LVCH245A可实现5V的输入信号到DSP可接收313V的电平信号转换，位移信号检测电路原理图如图3所示。实测的正交编码脉冲及参考点脉冲信号如图4所示。正交编码脉冲包括两个脉冲序列，是频率变化的正交（相差四分之一周期，即90°）脉冲序列。两路正交的编码脉冲信号送入DSP事件管理器A61IC中国电子在线www.61ic.com61IC中国电子在线www.61ic.com的正交编码

8、脉冲（QEP1、QEP2）输入单元，正交输入脉冲的两个边沿（上升沿和下降沿）都被正交编码脉冲电路计数，即其本身能进行4倍频，并可根据两路脉冲的先后次序