摘 要：針對印染設備多單元同步控制中動態(tài)性和穩(wěn)定性的問題，提出一種基于DSP和FPGA的嵌入式同步控制器設計方案。DSP作為運算控制的核心，負責控制算法的實現(xiàn)；FPGA作為數(shù)據(jù)采集模塊的核心，負責數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)。該系統(tǒng)具有結構靈活，通用性強的特點，且大大減少了系統(tǒng)的外圍接口器件，降低了成本。采用Bang-Bang控制和數(shù)字PID控制相結合的雙模控制算法，滿足了系統(tǒng)響應快速性和穩(wěn)定性的要求，提高了可靠性，具有很高的實用價值。
關鍵詞：嵌入式；同步控制；DSP；FPGA
在印染機械設備生產(chǎn)加工過程中，各個傳動單元分別由獨立的電機驅(qū)動。為了保證整機各單元同步協(xié)調(diào)工作，提高產(chǎn)品質(zhì)量，需要設計相應的同步控制器。多單元同步傳動是印染機械設備同步控制的關鍵，但由于交流電機嚴重的非線性，系統(tǒng)的動態(tài)特性和相應的參數(shù)受外界擾動因素的影響，增加了實際同步控制的難度，降低了實際的控制精度。傳統(tǒng)的控制方案設計如帶轉(zhuǎn)換式松緊架的同步系統(tǒng)可靠性差，控制精度不高，難以獲得滿意的控制效果，又由于系統(tǒng)要求快速同步動態(tài)跟隨，不允許有大的超調(diào)。因此提出一種基于DSP和FPGA的嵌入式控制器，以提高系統(tǒng)的動態(tài)跟隨速度和同步性能。該控制裝置可直接嵌入電控裝置內(nèi)，實時、高性能地完成控制功能。
1 系統(tǒng)的總體控制策略
大多數(shù)印染設備根據(jù)工藝要求都采用聯(lián)合機方式組成多單元同步拖動系統(tǒng)，主電機的速度作為各從動電機的給定速度，各從動單元分別由各自的異步電機拖動，系統(tǒng)要求各單元電機保持同步運轉(zhuǎn)，即各從動電機線速度始終保持與主電機速度一致，或保持一定的比例關系。為了驗證控制方案的可行性，以雙單元(主動機、從動機)交流同步拖動系統(tǒng)為例進行了研究。印染設備控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
主動機和從動機分別由變頻器1和變頻器2供電。同軸安裝光電旋轉(zhuǎn)編碼器，光電旋轉(zhuǎn)編碼器將主從動機的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號，并送給控制器進行處理，經(jīng)過控制算法，輸出數(shù)字控制量到從動機的變頻器，改變其運行頻率，調(diào)整從動機的轉(zhuǎn)速，使之與主動機保持同步。由以上分析可知，主從動機保持同步是控制器設計的關鍵。控制器核心由16位的微處理器(DSP)和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)組成。基于DSP+FPGA的嵌入式同步控制器，具有結構靈活，通用性強的特點，適用于模塊化設計，可大大減少系統(tǒng)的外圍器件，降低成本。DSP作為運算控制的核心，主要完成電機啟停，控制算法的實現(xiàn)和各類接口處理等；FAPG作為數(shù)據(jù)采集模塊的核心，負責數(shù)據(jù)采集和鍵盤接口電路的實現(xiàn)。為了使印染設備各單元同步協(xié)調(diào)工作，提高系統(tǒng)的響應速度，對各單元電機的線速度采用雙模控制的方法，即將Bang-Bang控制與PID控制結合起來使用。在|e|>δ(δ為某一常數(shù))時，實行Bang-Bang控制，以最快的速度使調(diào)節(jié)參數(shù)逼近給定值；在|e|<δ時，實行數(shù)字PID調(diào)節(jié)，以消除系統(tǒng)的調(diào)節(jié)偏差。這樣即可加快控制過程，又可保證系統(tǒng)超調(diào)較小，從而取得良好的動態(tài)品質(zhì)。
2 系統(tǒng)主要硬件組成
嵌入式控制器的硬件結構如圖2所示。DSP為系統(tǒng)的核心單元，它對采集的各種參數(shù)進行運算、分析和顯示，并可通過通信模塊與本地帶485接口的儀表通信。選用TI公司的TMS320LF2407A型DSP芯片，它采用高性能靜態(tài)CMOS技術，供電電壓降為3.3 V，功耗小，具有30 MIPS的執(zhí)行速度，使得指令周期縮短到33 ns，提高了控制器的實時控制能力；片內(nèi)有高達32 KB的FLASH程序存儲器。16位TMS320LF2407A型DSP芯片具有采樣速度快，浮點處理速度高，穩(wěn)定性好等特點。DSP的特殊結構和優(yōu)良性能滿足了系統(tǒng)的需要。
FPGA采用Altera公司的FLEX系列芯片EPFl0Kl0LC84，具有高密度，低成本，低功率等特點，可支持多電壓I/O接口，是在PAL，GAL，EPLD等可編程邏輯器件的基礎上發(fā)展起來的，非常適于時序、組合等邏輯電路的應用場合。FPGA作為一個外部協(xié)處理器使用，通過總線與DSP處理器連接，主要實現(xiàn)的功能是脈沖計數(shù)、鍵盤掃描等。FPGA最大的特點是它的內(nèi)部邏輯在線的可重構性。當應用需求發(fā)生變化時，對FPGA重新進行編程，即可改變其邏輯行為，大大提高了系統(tǒng)的開放性和可重構性。FPGA的高速性和靈活性也保證了系統(tǒng)的實時性，并且簡化了系統(tǒng)的外圍電路，降低了成本。
顯示模塊采用G35LCD屏，通過總線與DSP的連接，通過配置相關寄存器，編寫調(diào)用相關應用程序接口函數(shù)即可顯示待測參數(shù)、運行狀態(tài)及其他輔助信息。通信模塊由RS 485接口電路組成，可以用它將控制器和變頻器連接在一起。通過通信實現(xiàn)由控制器設定和修改變頻器的參數(shù)，以監(jiān)視其工作狀態(tài)。為了便于實現(xiàn)現(xiàn)場調(diào)試、數(shù)據(jù)輸入和命令傳送等控制功能，該系統(tǒng)設計了一個4×4的矩陣鍵盤。采用FPGA來完成鍵盤接口電路，可節(jié)省I/O資源，減輕處理器負擔，提高系統(tǒng)的整體性能。數(shù)據(jù)采集模塊用2個旋轉(zhuǎn)編碼器把電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖，由FPGA記錄脈沖值，DSP通過中斷讀取數(shù)值。經(jīng)運算處理后，經(jīng)通信模塊輸出控制量U(k)到各從動機的變頻器，通過變頻器調(diào)節(jié)從動機的轉(zhuǎn)速，使其不斷跟隨主動機轉(zhuǎn)速的變化而實現(xiàn)同步。以上設計提高了系統(tǒng)的靈活性和通用性，降低了開發(fā)成本，可作為一個獨立模塊與嵌入式系統(tǒng)連接。
3 系統(tǒng)主要軟件設計
這里的程序采用模塊化設計，軟件主要包括主程序、數(shù)據(jù)采集程序、通信子程序、顯示子程序、雙模控制算法程序等。初始化程序主要完成各個寄存器的清零、定時器的初始化等。數(shù)據(jù)采集程序主要完成各電機轉(zhuǎn)速的測量，顯示子程序主要完成各輸入量和各設定值的顯示。雙模控制程序主要用來提高系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性能。主程序和雙模控制程序如圖3、圖4所示。
4 試驗驗證
為了驗證控制方案的可行性，在實驗室以雙單元異步電機(主動機、從動機)交流同步拖動系統(tǒng)為對象進行了模擬實際系統(tǒng)的實驗。主電機型號Y90S－4；額定功率1.1 kW；額定電壓380 V；額定電流2.8 A；額定轉(zhuǎn)速1 400 rad/min；接法Y；頻率50 Hz；從動機型號Y80-4；額定功率0.75 kw；額定電壓380 V；額定電流7 A；額定轉(zhuǎn)速1 450 rad/min；接法Y；頻率50 Hz。選用直流發(fā)電機2臺，分別由2臺三相異步電動機拖動，加變阻箱后作為電動機的負載。兩臺變頻器對兩臺三項異步電動機進行驅(qū)動。光電編碼器將從動機的轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成脈沖信號，并送給控制器進行處理。
試驗測得兩電機的轉(zhuǎn)速后繪制的曲線如圖5～圖8所示。
結果顯示，系統(tǒng)運行過程中，主從電機低頻段的跟隨精度稍差，而高頻段的跟隨精度較高。主從電機在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)都能達到很好的同步性能，動態(tài)過程的同步控制效果也較好，達到了預期的效果。
5 結 語
研究表明，系統(tǒng)采用基于DSP和FPGA的嵌入式同步控制器后，對于多單元同步系統(tǒng)的動態(tài)同步性能有了明顯的改善，運行穩(wěn)定，無波動，達到了各分單元同步傳動的控制要求，兼顧了系統(tǒng)響應的快速性和穩(wěn)定性的要求，且控制精度高，具有很高的實用價值。