摘要  分析了交流電機同步運行系統(tǒng)控制的特點，設(shè)計了基于DSP+FPGA的多部交流電機同步運行控制系統(tǒng)，其中包括系統(tǒng)硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件設(shè)計，并在該系統(tǒng)實現(xiàn)了四臺交流電機同步運行的PID控制算法。在空載條件下進行了不同轉(zhuǎn)速的同步運行實驗，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)多交流電機同步運行高精度控制。 
    關(guān)鍵字  交流電機；同步運行；DSP；FPGA；PID控制 
Design of AC Servomotores Turning Synchronous Control System 
RENGaoang, SHENG Yu, GAO Xiao ding 
(Mechanic Electrical Engineering college Xi'an University of Engineering Science&Technology，Xi'an Shaan xi 710048, China) 
    Abstract  The features of AC turning synchronous controlling system is analyzed; The turning synchronous controlling system based on DSP+FPGA AC servomotores is designed which includes hardware system and software system. The controlling algorithm PID of four-axis AC servomotor turning synchronous in the system is realized. Under the condition without loading, the turning synchronous experiment with different speeds was operated and the result indicates that the system can realize the high precision controlling of AC servomotores turning synchronous. 
    Keywords  AC servomotor; turning synchronous; DSP; FPGA; PIDcontrol  
   

 0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的提高和生產(chǎn)規(guī)模的擴大，各種生產(chǎn)輸送線的長度和輸送功率不斷增加。當(dāng)輸送線長度增加到一定程度時，采用單電機驅(qū)動就難以滿足生產(chǎn)的要求，必須采用多電機同步驅(qū)動方式。在多電機同步驅(qū)動系統(tǒng)中，特別是各傳動電機之間存在一定物理連接的系統(tǒng)中，實踐證明，通過反饋調(diào)節(jié)改變控制量，能使控制電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定范圍內(nèi)。但在多電機同步調(diào)速系統(tǒng)中，由于各同步電機之間存在嚴(yán)重的耦合作用，某一傳動電機轉(zhuǎn)速的偏離往往與傳輸線上其它電機的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，這時若按常規(guī)負(fù)反饋方法對這一電機施加調(diào)節(jié)，將可能導(dǎo)致該電機的轉(zhuǎn)速偏離更加嚴(yán)重，最后造成整個傳動系統(tǒng)不能正常工作。因而對多電機同步驅(qū)動系統(tǒng)，如何實現(xiàn)傳動電機的高精度速度同步調(diào)速控制，是一個急待解決的實際工程問題。

本文根據(jù)多級電機同步驅(qū)動系統(tǒng)的運動特點，設(shè)計了基于DSP+FPGA 的多交流電機同步運行控制系統(tǒng)，并運用PID 控制方法，通過對同步驅(qū)動系統(tǒng)中的傳動電機實施速度同步補償，達(dá)到了高精度的同步調(diào)速。在空載條件下進行了不同轉(zhuǎn)速的同步運行實驗，收稿日期：2006-02-21 實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)多交流電機同步運行高精度控制。

1 系統(tǒng)簡介

在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中，DSP+FPGA 方式是目前國際上比較先進的方法?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)與專用集成電路相比較，優(yōu)點主要在于有很強的靈活性，其內(nèi)部邏輯功能可以根據(jù)需要在系統(tǒng)上配置，修改和維護方面非常方便。與FPGA相比，DSP在高精度交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中適合完成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的控制算法。本系統(tǒng)核心運算部分采用TMS320VC5402 處理器芯片。TMS320VC5402 芯片是一種適用于電機控制的DSP芯片，系統(tǒng)運行時，F(xiàn)PGA同步采集安裝在各個交流電動機軸上的增量式光電編碼器的

編碼信號，并據(jù)此獲得各軸的轉(zhuǎn)速信號和位置信號，該DSP 處理器芯片主要是用來對多路FPGA同步采集安裝在各交流電動機軸上的增量式光電編碼器信號進行處理，對多部交流電機同步運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速、位置的設(shè)置要求進行相關(guān)的PID控制運算。然后,再將控制指令經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后發(fā)送到各交流電機的變頻器，實現(xiàn)多部交流電機同步運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

本系統(tǒng)控制部分采用ALTREA 公司的EP1C6Q240C8的芯片。它是一種主要用于處理時序邏輯電子電路的高性能芯片。它與單片機最大的區(qū)別就是在于它的并行性，能夠并行地采集、處理和輸出信號，這一點為提高整個系統(tǒng)的運行速度起了很大的作用，是本系統(tǒng)實現(xiàn)并行性的關(guān)鍵所在。

安裝在各交流電動機軸上的增量式光電編碼器輸出3路脈沖信號，相差90°的A、B 脈沖信號用來判別和檢測電機的轉(zhuǎn)向、位置、轉(zhuǎn)速，Z信號為每轉(zhuǎn)輸出一個脈沖的零位參考信號[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的信號采集部分采用了一片EP1C6Q240C8，同步采集安裝在四臺交流電動機的增量式光電編碼器信號，如圖1所示。EP1C6Q240C8負(fù)責(zé)讀取采樣數(shù)據(jù)和與TMS320VC5402 端口通信的任務(wù)，以及對信號預(yù)處理。EP1C6Q240C8的內(nèi)部功能模塊，如圖2所示；系統(tǒng)硬件設(shè)計如圖3所示。

EP1C6Q240C8從DSP接收采樣參數(shù)，將參數(shù)寫入相應(yīng)的寄存器，同時，它也為TMS320VC5402產(chǎn)生端口時鐘和端口幀同步信號。EP1C6Q240C8在接收到

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TMS320VC5402開始采樣的命令后，便開始采樣，不斷地將采樣數(shù)據(jù)送入內(nèi)部的FIFO中，同時等待下一個采樣數(shù)據(jù)的到來。EP1C6Q240C8內(nèi)部的信號處理單元從內(nèi)部FIFO中讀取數(shù)據(jù)，處理后送入雙向FIFO中。總線傳輸單元從雙向FIFO 中讀取已處理數(shù)據(jù)，發(fā)送給TMS320VC5402端口。

TMS320VC5402 芯片是一款性價比很高的DSP芯片，采用改進哈佛結(jié)構(gòu)，可在一個周期內(nèi)取兩個操作數(shù)，取一條指令，并完成一次乘法、一次加法和一次減法，大大提高了運算能力。TMS320VC5402 芯片與FPGA間的通信通過數(shù)據(jù)總線進行通信。FPGA 為DSP提供I/O空間；FPGA已對DSP的讀、寫信號，地址信號譯碼，用來確定是讀光電編碼器的信號還是進行位置、速度控制。

3 系統(tǒng)同步運行控制算法的實現(xiàn)

由于同步控制涉及到控制多個軸，因此多變量控制成為同步控制的基本控制方法。這種同步控制主要有兩種方式：等狀態(tài)方式和主從方式。本系統(tǒng)選擇主從方式：二、三、四號電機軸處于伺服控制中，且它們各自的速度和位置取決于一號電機軸的速度和位置。這也就是說，一號電機軸起到支配快軸的作用，而二、三、四號電機軸處于被支配的地位并跟蹤一號電機軸[2]。

在多電機運轉(zhuǎn)同步控制系統(tǒng)中，來自二、三、四號電機軸的轉(zhuǎn)速和位置信號必須跟隨一號電機軸的速度和位置信號的變化，以保持多電機軸速度的同步。設(shè)各電機軸運轉(zhuǎn)速度偏差值為Δi，在k 時刻電機的實際反饋轉(zhuǎn)速分別為n1k、n2k、n3k、n4k。各電機軸運轉(zhuǎn)速度偏差值：Δi= n1k-nik i=2，3，4. （1）

根據(jù)不同的設(shè)計要求可以設(shè)定多電機軸同步速度允許偏差值的最大變化范圍Δmax，當(dāng)Δi≤Δmax時系統(tǒng)不需要進行調(diào)節(jié)控制；當(dāng)Δi>Δmax時系統(tǒng)需要進行調(diào)節(jié)控制。PID控制算法的軟件流程如圖4所示[2]。本系統(tǒng)PID控制器由TMS320VC5402通過軟件實現(xiàn)，不斷地將采集的各電機軸的轉(zhuǎn)速和位置信號與一號電機軸的轉(zhuǎn)速和位置信號進行比較，求出偏差值Δi。當(dāng)Δi>Δmax 時，調(diào)節(jié)器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量朝著使偏差變小的方向變化。模擬PID控制器中比例調(diào)節(jié)器的作用，是對于偏差做出瞬間快速反應(yīng)。控制作用的強、弱取決于比例系數(shù)KP。積分調(diào)節(jié)器的作用，是把偏差累積的結(jié)果作為它的輸出。在調(diào)節(jié)過程中，只要有偏差Δi>Δmax，積分器的輸出就會不斷增大，直至偏差Δi≤Δmax，輸出才可能維持某一常量，使系統(tǒng)在速度指令信號不變的條件下趨于穩(wěn)態(tài)。微分調(diào)節(jié)器的作用，是阻止偏差的變化，偏差變化越快，微分調(diào)節(jié)器的輸出也越大。本系統(tǒng)的軟件處理采用增量式調(diào)節(jié)[3][4]：

Δni=n1(k)-ni (k)=KP[n1(k)-ni(k)]+KIni(k)+KD[n1(k)- 2ni(k-1)+ni (k-2)] （2）

式中：Δni為i號電機控制量增量，其中i=2,3,4；n1(k)、ni(k)、ni(k-1)、nii(k-2)分別是k、k-1、k-2時刻一號電機軸的轉(zhuǎn)速及i號電機軸的轉(zhuǎn)速采樣值；KP是比例系數(shù)；KI是積分系數(shù)，KI=KPT/子i；KD是微分系數(shù),KD= KPT/子d ；T是采樣周期；子i是積分時間常數(shù)；子d是微分時間常數(shù)。

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4 系統(tǒng)運行實驗

系統(tǒng)調(diào)試完成后，連接了4套感應(yīng)交流電機，在空載條件下進行了不同轉(zhuǎn)速的同步運行實驗，運行參數(shù)分別為：相對誤差Δ＝n1k-nik /n1k100＝0.1；n1=1500、1000、750、250r/min。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)完全可以實現(xiàn)設(shè)計要求，運行狀態(tài)良好。

作者簡介： 
 
   

高曉?。?956~），男，教授，主要從事機電控制的教學(xué)與研究。

李涵（1980~），男，碩士，專業(yè)電力電子與電氣傳動。主要研究方向：變頻開關(guān)電源。

參考文獻(xiàn)： 
 
   

[1] 李永東.交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002:21-66，306-360.

[2] 劉日寶,等.基于TMS32OLF24O7A 的永磁同步電動機伺服系統(tǒng)的研究[J] 南京航空航天大學(xué)電氣傳動，2005，(3).

[3] 孫文煥等.多電機協(xié)調(diào)控制的發(fā)展[J].華中理工大學(xué)電氣傳動，1999.(6).

[4] Hironori Atsuaki, Yasuaki Hatchisu, Kouetsu Fujita.DSPbased all digital vector control induction motor drive for spindle system[J ].PESC Rec IEEE Power Electron Specconfv2 2Ist 1990,(2) :630-645.