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| 基于DSP的直流电机伺服控制卡 |
| 2012年3月21日 |
摘要一种属于伺服控制技术领域的基于DSP的直流电机伺服控制卡，采用数字信号处理器作为中心处理器件，利用可编程逻辑器件译码、管理中断，通过异步通讯模块实现与RS422外部串行接口进行通讯，通过对接收数据采取校正、补偿等伺服控制算法的处理输出调宽波，驱动电机工作；数字信号处理器通过读取外部模拟信号接口的模拟输入信号实现AD转换功能。 可编程逻辑器件通过读取外部L／O接口的控制信号状态实现对调宽波的输出保护。
本发明集成度高、体积小，并且具有PWM的占空比、频率、死区时间可调，修改设计方便、适应性强的特点，是一种高速、易于调试、接口丰富且针对性强、质优价低的用于伺服系统的控制器。
l、一种基于DSP的直流电机伺服控制卡，其特征在于包括电源转换模块(1)，数字信号处理器(2)，可编程逻辑器件(3)，长线驱动器(4)，长线收发模块(5)，异步通讯模块(6)，TTL/RS422转换电路(7)，过流保护电路(8);电源转换模块(1)分别与数字信号处理器(2)、可编程逻辑器件(3)、异步通讯模块(6)相连，负责转换外部电源的电压以提供给数字信号处理器(2)、可编程逻辑器件(3)、异步通讯模块(6);数字信号处理器(2)通过可编程逻辑器件(3)、长线收发模块(5)与异步通讯模块(6)相连，异步通讯模块(6)通过TTLlRS422转换电路(7)、过流保护电路(8)与RS422外部串行接口相连；数字信号处理器(2)通过异步通讯模块(6)、TTL/RS422转换电路(7)、过流保护电路(8)与RS422外部串行接口进行通讯，可编程逻辑器件(3)用于中断管理和译码操作；数字信号处理器(2)与外部模拟输入接口相连，接收外部模拟信号；数字信号处理器(2)通过可编程逻辑器件(3)与长线驱动器(4)相连，输出调宽波驱动电机；可编程逻辑器件(3)与外部I/O接口相连，通过读取由外部I/O接口引脚进入的控制信号状态实现对调宽波的输出保护。
2、根据权利要求1所述的基于DSP的直流电机伺服控制卡，其特征在于异步通讯模块(6)由两片异步通讯芯片组成，长线收发模块(5)由两片长线收发器芯片组成，TTL/RS422转换电路(7)由4片TTL/RS422转换芯片构成。
3、根据权利要求2所述的基于DSP的直流电机伺服控制卡，其特征在于可编程逻辑器件(3)内部结构包括中断管理模块(9)，译码器(10)，限位保护电路(11)，第一级保护电路(12)，第二级保护电路(13)，其中限位保护电路(11)由两个限位保护模块组成，第一级保护电路(12)由两个与门构成，第二级保护电路(13)由两个保护模块构成；数字信号处理器(2)通过中断管理模块(9)与两片异步通讯芯片相连，由中断管理模块(9)对异步通讯芯片输入的中断进行实时响应和优先级管理；数字信号处理器(2)通过译码器(10)、两片长线收发器芯片与两片异步通讯芯片相连，通过译码来实现两片异步通讯芯片的长线隔离；外部I/O分别与限位保护电路(11)、第一级保护电路(12)相连，限位保护电路(11)、第一级保护电路(12)分别与第二级保护电路(13)相连，数字信号处理器(2)的调宽波输出端通过第二级保护电路(13)与长线驱动器(4)相连，通过读取由外部I/O引脚进入的控制信号状态和限位信息，实现对调宽波的输出和限位保护。
4、根据权利要求1所述的基于DSP的直流电机伺服控制卡，其特征在于数字信号处理器(2)采用型号为TMS320F2811，可编程逻辑器件(3)采用Altera公司出品的芯片EPM3256，异步通讯模块(6)采用TI公司出品的异步通讯芯片TL16c554，长线收发模块(5)采用TI公司出品的长线收发器芯片SN74ALS245A．长线驱动器(4)采用TI公司出品的SN74HC244，TTL/RS422转换电路(7)采用TTL/RS422转换芯片SN75174和SN75175，过流保护电路(8)采用TVS=极管保护电路。
5、根据权利要求4所述的基于DSP的直流电机伺服控制卡，其特征在于TMS320F2811数字信号处理器(2)的GPIO引脚与第二级保护电路(13)调宽波输入端相连；外部中断输入引脚通过中断管理模块(9)与异步通讯芯片的中断输出引脚相连；9位地址长线(AD3-AD10)通过译码器(10)与长线收发器芯片的控制引脚、异步通讯芯片片选引脚相连； 8位数据长线通过长线收发器芯片与异步通讯芯片数据输入／输出引脚相连；复位引脚分别和可编程逻辑器件(3)的复位端、异步通讯芯片复位端相连；异步通讯芯片的串行通讯接口通过TTL/RS422转换芯片SN75175、SN75175与TVS二极管保护电路相连，TVS二极管保护电路与RS422外部串行接口相连。
基于DSP的直流电机伺服控制卡技术领域：
本发明属于伺服控制技术领域，涉及一种基于DSP的直流电机伺服控制卡。
背景技术：
目前直流电动机的伺服控制技术在工业生产中有着广泛应用，现代化工业的发展对伺服控制技术提出了越来越高的要求，许多公司开发了基于单片机的伺服控制卡或采用PC-94工业总线的配套板卡。
基于单片机的伺服控制卡具有以下缺点：
工作频率低，使得许多伺服控制算法难以实现，从而难以提高伺服控制系统的精度；单片机不具备与电动机完全接口的能力，因此需要外扩许多设备，增加了系统发生不可预知错误的机会。
采用PC-94工业总线的针对伺服控制的配套板卡具有以下缺点：
价格昂贵，而且使用该类产品还需要用户自己制作基础底板，无端增加了成本；体积大、接口复杂；一旦出现故障，难以调试、维修。
发明内容本发明目的是提供一种基于DSP的直流电机伺服控制卡，采用数字信号处用于补偿转矩下降的电换向直流马达的马达控制器摘要在电换向的DC马达的情况下，一个附加电流和／或一个附加电压在换向瞬间被传送至在该时刻运行的马达绕组，用以防止转矩下降。为了在不同的马达负载下补偿转矩下降，附加电流和／或电压的持续时间和／或振幅由实际的马达负载来确定。
1、用于电换向的DC马达的马达控制器，其中为了防止转矩下降， 自换向瞬间将一个附加电流和／或电压连接到正运行的马达绕组，其特征在于：
附加电流和／或电压脉冲的持续时间和／或幅度由马达的负载导出。
2、按照权利要求1的马达控制器，其特征在于通过脉冲宽度调制驱动马达。
3、按照权利要求2的马达控制器，其特征在于在附加电流和／或电压的持续时间内PWM信号被保持在逻辑“1”。
4、按照前述权利要求之一的马达控制器，其特征在于换向瞬间由一个传感器确定。
5、按照前述权利要求之一的马达控制器，其特征在于马达负载由所得出的马达电流来确定。
6、按照权利要求5的马达控制器，其特征在于马达的电流用一个在马达电路中的测量电阻来确定。
7、按照权利要求4的马达控制器，其特征在于马达的电流是由在PWM信号中的脉冲持续时间与脉冲间歇的比率和／或由马达旋转速度所确定。
8、按照权利要求7的马达控制器，其特征在于控制器具有一个积分器(2)，用于根据PWM信号的占空率产生一个控制信号(S)。
9、按照权利要求8的马达控制器，其特征在于控制器此外有一个触发器(5)，它的Q输出连同PWM控制信号一起构成一个“或“门的输入，因而在换向信号(I)到达时Q输出被转换至逻辑“1”，而且当控制信号(S)与一个参考电压(UREF)相一致时，Q输出重新被复位。
10、按照权利要求9的马达控制器，其特征在于参考电压(UREF)和控制信号(S)间的比较由一个差分放大器(4)完成。
用于补偿转矩下降的电换向直流马达的马达控制器本发明涉及一种马达控制器，它具有连接至马达的绕组的电换向系统，从换向瞬间开始，一个预定的附加电流被连接至在该时刻运行的马达的那一线圈上，以防止转矩的下降。
US -4，511，827披露了一种控制器，它驱动一个电换向马达而使得转矩波动被抑制。该设备在这种情况中包括一个传感器，用于确定转子的位置，换句话说即换向瞬间，以及一个控制器处理该信号，这样从换向瞬间起相应的线圈供给有附加电流，以防止转矩下降。
然而，已发现在已知的解决方案的情况下，提供一个预定电流给线圈仅仅在特定马达电流范围内补偿转矩的下降。然而，例如，在一个视频录象机中，已知方法不能提供令人满意的结果，因为在一种操作模式中（例如播放或慢放），电流可能非常不同，因为在例如不同的温度或磁带盒的情况下具有不同的机械负载。
本发明的目的是提供一种马达控制器，即使在不同的马达负载情况下也能避免转矩下降。
通过本发明的下述特征能达到该目的。用于电换向DC马达的马达控制器，其中为了防止转矩下降，自换向瞬间起将一个附加电流和／或电压连接到正运行的马达绕组，其特征在于：附加电流和／或电压脉冲的持续时间和／或幅度由马达的负载导出。本发明的优选改进设计在从属权利要求中说明。
根据本发明，在电换向DC马达的马达控制器的情况中，一个附加电流被连接到运行中的线圈上，从换向瞬间开始，为了防止转矩下降，附加电流脉冲的持续期间和／或振幅作为马达负载的函数来确定。换句话说附加电流脉冲的持续时间和／或振幅为可变的并根据马达上的负载所确定，不言而喻，附加电流脉冲越长（越大），马达负载越高。
这有益地导致转矩下降被自动地并最适当地得到补偿，而不考虑马达间的生成物扩散，温度范围及老化程度。
按照本发明的马达控制器通常使用控制脉冲的所谓脉宽调制(CPWM或PWM)方法控制马达。马达控制器的PWM信号在附加电流持续时间内被保持在“1”。开始施加附加电流的换向瞬间由一个传感器来确定。
马达负载是由吸入的马达电流确定的，可以用例如，测量电阻的方法确定马达的电流，该电阻连在马达的电路中，或根据PWM信号的脉冲持续时间与脉冲间歇的比率来确定马达的电流。
此外，按照本发明的控制器可含有一个积分器，它依照CPWM信号的占空率产生一控制信号(S)。 CPWM控制信号的积分的开始也是由换向信号的产生而引起的。
该控制器的优点为有一个触发器，它的Q输出端通过一个“或”门被连至CPWM控制信号，因而在换向信号出现时Q输出端被切换为逻辑“1”，当控制信号与参考电压相等时，触发器的Q输出端重新复位。****是借助于一个差分放大器来执行参考电压与控制信号的比较。这也会导致CPWM信号的积分的结束。
本发明的优选实施例将在下文中参照附图说明，附图中：
图1示出按照本发明的马达控制器的补偿部分的电路图。
图2a和2b示出用于控制用途所需的输入和输出信号的时序图，和图3a和3b示出分别为没有补偿及使用补偿的电换向马达的波形图。
图1所示的逻辑电路用于电换向马达在数字化驱动时转矩下降的补偿。
数字马达控制信号CPWM，其中的马达负载可由占空率得到，被送至补偿电路1的输入端。控制信号S借助于积分器2由该信号CPWM导出。积分器2****包括3个串联电阻Ri、 R2和R3，以及两个电容器Cl和C2， Cl被设置在地（参考地电位）与Ri和R2的节点之间，C2被设置在地与R2和R3节点之间，而且在C2上形成控制信号S。用于控制马达的控制信号CPWM(未示出)被送至一个“或”门3的输入端，因而PWM控制信号出现在“或”门3的输出端并提供到PWM电源级（同样未示出），以便在各自的马达绕组或线圈中提供马达电流。
由积分器2产生的控制信号S被送至一个差分放大器的反相输入端，它被设计为一个比较器4并且其非反相输入端施加有参考电压UREF，该参考电压UREF-通过一个由电阻R4、Rs组成的分压器来定义。比较器4的输出被送至触发器5的复位输入端，它由一个D触发器形成。触发器5的D输入是可由例如，一个工作电压Ub导出的正电位。马达驱动器的换向信号I的存在通过时钟输入端激励触发器5，使得逻辑“1”出现在Q输出端。触发器5的Q输出被传送至“或”门3的另一输入端。由于借助于该“或”门电路被连接至Q输出端的CPWM信号，电源级的PWM信号结果保持在逻辑“1”
或在“高”电平，所以一个附加电流被提供给马达的绕组。触发器5的Q输出保持在逻辑“1”直到逻辑“1”出现在比较器4的输出端，因此通过触发器5的复位输入端R该触发器被复位，结果一个逻辑“0”显现在Q输出端或Q输出保持在“低”电平。一个NPN三极管T被连接在比较器4的反相输入端（控制信号S）与触发器5的Q输出端之间，因而它的基极通过一个电阻R6被连至Q输出端。三极管T的发射极处于工作电压Ub的正电位上，通过一个电阻R7被连接至基极，同时三极管T的集电极被连至比较器4的反相输入端。当触发器5的Q输出转换到逻辑“1”时，三极管T被转换为关断状态，同时在触发器5的Q输出端的逻辑“0”打开三极管T，或使其导通。
三极管T因此作为一个电子开关，通过它可将在其上形成控制信号S的电容器C2充电至工作电压的正电位，这根据在触发器5的Q输出端的逻辑信号状态而决定，或当Q输出端被转换至逻辑“O”或“低”电平时，作为通过电阻Ri连续提供的CPWM信号的连续积分的结果，可将其放电至电容器Cl上得到的电位。电容器C2的放电时间常数在这种情况中主要由电阻R3和电阻R4构成的并联电路所决定，电阻R2与用来放电的电容器Cl形成一个串联电路。电容器C2的充电时间常数由通过导通的三极管T发射极与集电极路径的电阻所确定。
图2a和2b示出各种控制信号关于时间的波形。图2a说明了当马达负载低的情况，图2b说明了当马达负载高的情况。在图2a中上方的时钟波形表示出马达控制信号CPWM，占空率相对较低。当换向信号I出现时，触发器5的Q输出端转换至“高”电平，使得三极管T被转换为截止且确定控制信号S的产生开始。这意味着相应于控制信号S的电容器C2上的电压因而降低，直到触发器5通过R输入端被复位。这导致在“或”门3的输出端产生较低时钟波形，也就是说在电流控制信号S的持续时间内“或”门3的输出端是逻辑“1”，在当前情况下它意味着与参考地电位相对应的正电位，而逻辑“0”是例如，参考地电位。
图2b示出与图2a相似的情形，但是对于马达控制信号CPWM有一个较高的占空率。由于马达控制信号CPWM的占空率较高，与图2a的情况相比较，电容器C1被充电至一较高的电压。其结果是，使电容器C2放电更慢并且电流控制信号S的波形也持续更长的时间，则“或”门3的输出端保持在逻辑“1”的时间周期明显地更长。
图3a示出未按照本发明补偿转矩下降的马达绕组之一中的电流波形。
上面部分图解了换向瞬间状态。下面部分显示一个电流波形的时间函数。可以清楚地看出在换向瞬间电流波形中出现下降并因此也在马达的转矩波形中产生下降。
与其相反，图3b示出了为了防止转矩下降已使用了电流和／或电压补偿的马达绕组之一中的电流波形。该电流波形以及由此使得马达的转矩波形在换向瞬间近似为常数。 |
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