一種基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)的制作方法

專利名稱:一種基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括功率驅動電路、系統(tǒng)采樣電路、DSP控制單元、輸出電路。本實用新型將從理論上證明出能使得同步誤差唯一收斂到零的條件，為相鄰交叉耦合同步方式應用于多軸同步系統(tǒng)提供理論依據(jù)，針對多軸同步系統(tǒng)強魯棒性和工程實用性的控制要求，以永磁同步電機為執(zhí)行器，分別設計了基于滑模變結構的單軸跟隨控制器和同步誤差控制器，實現(xiàn)了對外部擾動不靈敏以及工程實現(xiàn)簡單的要求，針對多軸同步控制系統(tǒng)實現(xiàn)的問題，設計了基于數(shù)字信號處理器的同步控制實驗系統(tǒng)，提出了硬件和軟件的總體設計方案，對于多軸同步控制的理論以及工程技術的應用具有較為重要的參考價值和指導意義。
【專利說明】
一種基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本實用新型屬于多軸同步控制設備技術領域，尤其涉及一種基于滑模變結構的相 鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 目前，近年來，關于多軸同步控制的研究受到越來越多的關注，同時，多軸同步控 制已廣泛應用于工業(yè)生產領域，解決了許多工程中的實際問題，獲得了很大的經濟效益。然 而，多軸同步系統(tǒng)是一個多變量、非線性的模型，因此對系統(tǒng)的控制提出了更高的要求。
[0003] 目前多軸同步控制的方法存在問題，相鄰交叉耦合同步控制收斂性存在不足，多 軸同步控制系統(tǒng)存在不完善。
[0004] 目前，隨著社會生產力的發(fā)展，作為一種新型產品，高壓變頻器被廣泛地用于火力 發(fā)電廠、石油、化工、自來水、礦山、及冶金等眾多行業(yè)內高壓電機調速、節(jié)能、軟啟動及智能 化控制。但由于現(xiàn)有變頻器大多未配置相匹配的旁路裝置，用戶方電機在連接高壓變頻器 以后，只能變頻運行，不能實現(xiàn)電機工變頻的自由切換，一旦變頻器發(fā)生故障造成停機，用 戶電機將不能使用，給用戶造成經濟損失，并且由于現(xiàn)場可能存在的電壓瞬間閃變等不穩(wěn) 定因素都可能造成變頻器的不必要停機，不能自行啟動，只能靠現(xiàn)場運行人員手動啟動，大 大降低了高壓變頻器的利用率及可靠性。

【發(fā)明內容】

[0005] 本實用新型為解決現(xiàn)有的相鄰交叉耦合同步控制收斂性存在不足，軸的數(shù)目與控 制復雜度之間存在矛盾，多軸同步控制系統(tǒng)存在不完善的問題而提供一種基于滑模變結構 的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)。
[0006] 本實用新型為解決公知技術中存在的技術問題所采取的技術方案是：
[0007] -種基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，該基于滑模變結構的相鄰交 叉耦合同步控制系統(tǒng)包括功率驅動電路、系統(tǒng)采樣電路、DSP控制單元、輸出電路；
[0008] 功率驅動電路包括變頻器和電機，變頻器包括第一變頻器、第二變頻器、第三變頻 器，電機包括第一電機、第二電機、第三電機；
[0009] 系統(tǒng)采樣電路包括光電編碼器、光電隔離電路、擴展正交解碼電路、電平轉換電 路，光電編碼器包括第一光電編碼器、第二光電編碼器、第三光電編碼器，光電隔離電路包 括第一光電隔離電路、第二光電隔離電路、第三光電隔離電路；
[0010] DSP控制單元包括DSP芯片和外圍電路；
[0011] 輸出電路包括D/A轉換電路，單模擬通道轉多模擬通道電路，線性光電隔離電路， 單模擬通道轉多模擬通道電路包括多路開關、第一保持器、第二保持器、第三保持器;線性 光電隔離電路包括第一線性光電隔離電路、第二線性光電隔離電路、第三線性光電隔離電 路；
[0012] 第一變頻器、第一電機、第一光電編碼器、第一光電隔離電路、擴展正交解碼電路、 電平轉換電路、DSP控制單元、D/A轉換電路、多路開關、第一保持器、第一線性光電隔離電路 依次首尾連接構成循環(huán)電路；
[0013] 第二變頻器、第二電機、第二光電編碼器、第二光電隔離電路、擴展正交解碼電路、 電平轉換電路、DSP控制單元、D/A轉換電路、多路開關、第二保持器、第二線性光電隔離電路 依次首尾連接構成循環(huán)電路；
[0014] 第三變頻器、第三電機、第三光電編碼器、第三光電隔離電路、擴展正交解碼電路、 電平轉換電路、DSP控制單元、D/A轉換電路、多路開關、第三保持器、第三線性光電隔離電路 依次首尾連接構成循環(huán)電路；
[0015] 所述第一變頻器、第二變頻器、第三變頻器均設置有變頻器旁路裝置，變頻器旁路 裝置，包括:第一刀閘，第二刀閘，第一真空接觸器，第二真空接觸器，第三真空接觸器和高 壓斷路器;所述第一刀閘以及所述第三真空接觸器連接高壓斷路器的同一端，所述第一刀 閘還連接所述第一真空接觸器，所述第一真空接觸器的一端連接所述第一刀閘，所述第一 真空接觸器的另一端連接所述變頻器的變壓器輸入端，所述第二真空接觸器的一端連接所 述變頻器的功率單元輸出端，所述第二真空接觸器的另一端連接所述第二刀閘。
[0016] 進一步，電機連接所述第二刀閘以及所述第三真空接觸器，所述第一刀閘，所述第 二刀閘，所述第一真空接觸器和所述第二真空接觸器均位于變頻部分，所述第三真空接觸 器位于工頻部分，所述變頻器的變壓器的一端連接所述第一真空接觸器，所述變頻器的輸 出單元的另一端連接所述第二真空接觸器，
[0017] 變頻器旁路裝置還包括:輸入電壓接口，輸入電流接口，輸出電流接口，輸出電壓 接口，串行端口，光纖輸出端口和光纖輸入端口，輸入電壓接口，用于接收其他設備輸入的 電壓的接口，輸入電流，用于接收其它設備輸入的電流的接口，輸出電流，用于接收其他設 備檢測的變頻器輸出電流，輸出電壓，用于接收其他設備檢測的變頻器輸出電壓，串行端 口，用于向其它設備提供的串行連接的端口，光纖輸出端口，用于向光纖設備輸出的端口， 光纖輸入端口，用于接收光纖設備輸入的端口。
[0018] 進一步，所述光電編碼器安裝在電機上，光電編碼器為增量式光電編碼器，增量式 光電編碼器包括內部的碼盤、內部的碼盤上均勻地刻著許多的光柵條和記錄編碼器。
[0019] 進一步，所述光電隔離電路為HCPL2630光電耦合器，擴展正交解碼電路設置有擴 展正交解碼接口，所述電平轉換電路包括8位的SN74VLTH245電平轉換芯片。
[0020] 進一步，所述系統(tǒng)采樣電路最左側部分為光電編碼器HEDS-5500的接線端子，兩路 正交脈沖信號通過串聯(lián)電阻限流后，接入光電耦合器HCPL2630中進行隔離，最左側的供電 電源和右側的芯片的供電電源不共地即相互隔離，EN1為高電平，EN2為低電平HCTL-2032和 TMS320F2812之間有電平轉換芯片SN74LVTH245，上側的SN74LVTH245將HCTL-2032中的數(shù) 據(jù)傳送至TMS320F2812中，下側的則將TMS320F2812中的控制信號傳送至HCTL-2032中，DIR 引腳和引腳均接地，最左側和右側的供電電源端各并聯(lián)一個〇 . luF退耦電容，退耦電容 的引線就近連接在集成電路的供電電源和地線之間。
[0021] 進一步，所述D/A轉換電路與DSP控制單元集成在DSP控制板上。
[0022] 進一步，所書DSP芯片為TMS320F2812芯片，TMS320F2812芯片上集成有EVA、EVB兩 個事件管理器和12位16通道的AD轉換器，外圍電路集成有電源接口、晶振、復位電路、撥碼 開關和LED、存儲器接口、CPLD邏輯單元、總線擴展接口、串行通信接口。
[0023]進一步，所述D/A轉換電路包括DA轉換芯片，DA轉換芯片為單極性(正極性）、兩通 道、串行數(shù)據(jù)輸入的八位數(shù)模轉換器；
[0024]單模擬通道轉多模擬通道電路中多路開關為CD4051八通道的數(shù)字控制模擬電子 開關、第一保持器、第二保持器、第三保持器均為LF398為模擬信號存儲器;LF398為模擬信 號存儲器與集成在單模擬通道轉多模擬通道電路上的電容Ch連接；
[0025] 第一線性光電隔離電路、第二線性光電隔離電路、第三線性光電隔離電路均設置 有HCNR201光耦芯片。
[0026] 本實用新型具有的優(yōu)點和積極效果是:本實用新型將針對現(xiàn)有的相鄰交叉耦合同 步控制收斂性存在的問題，從理論上證明出能使得同步誤差唯一收斂到零的條件，為相鄰 交叉耦合同步方式應用于多軸同步系統(tǒng)提供理論依據(jù)，
[0027] 針對多軸同步系統(tǒng)強魯棒性和工程實用性的控制要求，以永磁同步電機為執(zhí)行 器，分別設計了基于滑模變結構的單軸跟隨控制器和同步誤差控制器，實現(xiàn)了對外部擾動 不靈敏以及工程實現(xiàn)簡單的要求，
[0028]針對多軸同步控制系統(tǒng)實現(xiàn)的問題，設計了基于數(shù)字信號處理器的同步控制實驗 系統(tǒng)，提出了硬件和軟件的總體設計方案，對于多軸同步控制的理論以及工程技術的應用 具有較為重要的參考價值和指導意義，多軸同步控制系統(tǒng)解決了軸的數(shù)目與控制復雜度之 間矛盾的問題。
[0029] 整個過程中電機無需停機，不會影響用戶生產。智能穿越功能提高了變頻器的可 靠性，延長了變頻器的使用時間和效率；智能穿越功能大大減少了變頻器不必要的停機造 成的經濟損失。
【附圖說明】

[0030] 圖1是本實用新型提供的基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)變頻器的 旁路裝置示意圖。
[0031] 圖中：1、高壓斷路器;2、第一刀閘；3、第二刀閘；4、第一真空接觸器;5、第二真空接 觸器;6、第三真空接觸器;7、變頻器變壓器的輸入端。
[0032] 圖2是本實用新型提供的基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)示意圖；
[0033] 圖3是本實用新型提供的采樣電路圖；
[0034] 圖4是本實用新型提供的D/A轉換電路圖；
[0035] 圖5是本實用新型提供的單模擬通道轉多模擬通道的電路圖；
[0036] 圖6是本實用新型提供的線性隔離電路圖；
【具體實施方式】
[0037] 為能進一步了解本實用新型的
【發(fā)明內容】
、特點及功效，茲例舉以下實施例，并配合 附圖詳細說明如下。
[0038] 如圖1所示：一種基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)的變頻器的旁路 裝置，包括:第一刀閘2、第二刀閘3、、第一真空接觸器4、第二真空接觸器5、第三真空接觸器 6;其中，高壓斷路器1 一端連接高壓線，另一端連接變頻部分的第一刀閘2以及工頻部分的 第三真空接觸器6,第一刀閘2連接第一真空接觸器4,第一真空接觸器4 一端連接第一刀閘 2，另一端連接變頻器中變壓器的輸入端7，變頻器變壓器的輸入端7-端連接第一真空接觸 器4，另一端連接第二真空接觸器5，第二真空接觸器5-端連接變頻器的中功率單元的輸出 端7，另一端連接第二刀閘3，另外，電機連接變頻部分的第二刀閘3以及工頻部分的第三真 空接觸器6。變頻器包括變壓器和功率單元，而這2部分都有輸入端和輸出端，第一真空接觸 器4下口接變頻器中變壓器的輸入端，功率單元的輸出端接第二真空接觸器5的上口。這里 的變頻器中變壓器的輸入端7和變頻器的中功率單元的輸出端7在圖上都標為7,但是在實 際應用中，這兩個可以是不同的。
[0039]電機連接所述第二刀閘以及所述第三真空接觸器，所述第一刀閘，所述第二刀閘， 所述第一真空接觸器和所述第二真空接觸器均位于變頻部分，所述第三真空接觸器位于工 頻部分，所述變頻器的變壓器的一端連接所述第一真空接觸器，所述變頻器的輸出單元的 另一端連接所述第二真空接觸器，
[0040] 變頻器旁路裝置還包括:輸入電壓接口，輸入電流接口，輸出電流接口，輸出電壓 接口，串行端口，光纖輸出端口和光纖輸入端口，輸入電壓接口，用于接收其他設備輸入的 電壓的接口，輸入電流，用于接收其它設備輸入的電流的接口，輸出電流，用于接收其他設 備檢測的變頻器輸出電流，輸出電壓，用于接收其他設備檢測的變頻器輸出電壓，串行端 口，用于向其它設備提供的串行連接的端口，光纖輸出端口，用于向光纖設備輸出的端口， 光纖輸入端口，用于接收光纖設備輸入的端口。
[0041] 變頻器的旁路裝置的工作原理：當高壓進線經第一刀閘、第一真空接觸器后接變 頻器的移相變壓器，出線由變頻器的功率單元接至第二真空接觸器、第二刀閘后接至電機， 當?shù)谝坏堕l/第一真空接觸器、第二刀閘、第二真空接觸器全部閉合后，電機可變頻器運行。 當高壓進線接第三真空接觸器后直接接到電機，當?shù)谌婵战佑|器閉合則電機可直接工頻 運行。
[0042] 請參閱圖2所示：
[0043] -種基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，該基于滑模變結構的相鄰 交叉耦合同步控制系統(tǒng)還包括功率驅動電路、系統(tǒng)采樣電路、DSP控制單元、輸出電路；
[0044] 功率驅動電路包括變頻器和電機，變頻器包括第一變頻器、第二變頻器、第三變頻 器，電機包括第一電機、第二電機、第三電機；
[0045] 系統(tǒng)采樣電路包括光電編碼器、光電隔離電路、擴展正交解碼電路、電平轉換電 路，光電編碼器包括第一光電編碼器、第二光電編碼器、第三光電編碼器，光電隔離電路包 括第一光電隔離電路、第二光電隔離電路、第三光電隔離電路；
[0046] DSP控制單元包括DSP芯片和外圍電路；
[0047]輸出電路包括D/A轉換電路，單模擬通道轉多模擬通道電路，線性光電隔離電路， 單模擬通道轉多模擬通道電路包括多路開關、第一保持器、第二保持器、第三保持器;線性 光電隔離電路包括第一線性光電隔離電路、第二線性光電隔離電路、第三線性光電隔離電 路；
[0048]第一變頻器、第一電機、第一光電編碼器、第一光電隔離電路、擴展正交解碼電路、 電平轉換電路、DSP控制單元、D/A轉換電路、多路開關、第一保持器、第一線性光電隔離電路 依次首尾連接構成循環(huán)電路；
[0049]第二變頻器、第二電機、第二光電編碼器、第二光電隔離電路、擴展正交解碼電路、 電平轉換電路、DSP控制單元、D/A轉換電路、多路開關、第二保持器、第二線性光電隔離電路 依次首尾連接構成循環(huán)電路；
[0050] 第三變頻器、第三電機、第三光電編碼器、第三光電隔離電路、擴展正交解碼電路、 電平轉換電路、DSP控制單元、D/A轉換電路、多路開關、第三保持器、第三線性光電隔離電路 依次首尾連接構成循環(huán)電路。
[0051] 所述第一變頻器、第二變頻器、第三變頻器均設置有變頻器旁路裝置，變頻器旁路 裝置，包括:第一刀閘，第二刀閘，第一真空接觸器，第二真空接觸器和第三真空接觸器，所 述第一刀閘以及所述第三真空接觸器連接高壓斷路器的同一端，所述第一刀閘還連接所述 第一真空接觸器，所述第一真空接觸器的一端連接所述第一刀閘，所述第一真空接觸器的 另一端連接所述變頻器的變壓器輸入端，所述第二真空接觸器的一端連接所述變頻器的功 率單元輸出端，所述第二真空接觸器的另一端連接所述第二刀閘。
[0052] 電機連接所述第二刀閘以及所述第三真空接觸器，所述第一刀閘，所述第二刀閘， 所述第一真空接觸器和所述第二真空接觸器均位于變頻部分，所述第三真空接觸器位于工 頻部分，所述變頻器的變壓器的一端連接所述第一真空接觸器，所述變頻器的輸出單元的 另一端連接所述第二真空接觸器，
[0053]變頻器旁路裝置還包括:輸入電壓接口，輸入電流接口，輸出電流接口，輸出電壓 接口，串行端口，光纖輸出端口和光纖輸入端口，輸入電壓接口，用于接收其他設備輸入的 電壓的接口，輸入電流，用于接收其它設備輸入的電流的接口，輸出電流，用于接收其他設 備檢測的變頻器輸出電流，輸出電壓，用于接收其他設備檢測的變頻器輸出電壓，串行端 口，用于向其它設備提供的串行連接的端口，光纖輸出端口，用于向光纖設備輸出的端口， 光纖輸入端口，用于接收光纖設備輸入的端口。
[0054] 所述光電編碼器安裝在電機上，光電編碼器為增量式光電編碼器，增量式光電編 碼器包括內部的碼盤、內部的碼盤上均勻地刻著許多的光柵條和記錄編碼器。
[0055] 光電編碼器是用于測量電機的轉速或轉角的一種光電傳感器，它需要與電機同軸 連接，電機轉動時帶動光電編碼器旋轉，便發(fā)出一系列的脈沖信號，由此可計算出電機的轉 速或轉角值。光電編碼器一般分為絕對式光電編碼器和增量式光電編碼器。絕對式光電編 碼器在其內部的碼盤上分層刻著表示角度信息的二進制數(shù)碼或格雷碼，通過光敏接收裝置 將該數(shù)碼送入處理器中。增量式光電編碼器則在內部的碼盤上均勻地刻著許多的光柵條， 碼盤隨著電機的旋轉一起轉動，通過記錄編碼器在一定的時間間隔內發(fā)出的脈沖序列數(shù)， 就可以準確地推算出這段時間內的轉速。增量式編碼器能產生AB兩路相位相差90度的正交 脈沖序列，這樣不僅能計算出電機的轉速，還能判斷轉速的方向，正轉時A相超前B相，反轉 時B相超前A相，超前角度均為90度。
[0056] 本系統(tǒng)的光電編碼器是采用AVAG0公司生產的增量式光電編碼器，其具體型號為 HEDS-5500,具有低功耗，安裝簡單方便，很寬的溫度使用范圍，與TTL兼容。采用5V電源供 電，提供兩路正交脈沖信號，每轉產生500個脈沖，經4倍頻后將產生2000個脈沖每轉，能夠 提供較高的測速精度要求。
[0057]為了防止外電路對DSP產生干擾，需對脈沖信號進行光電隔離。本系統(tǒng)采用AVAG0 公司的HCPL2630光電耦合器。HCPL2630提供兩個通道，方便對兩路正交脈沖信號進行隔離； 最大波特率為lOMBps，是一種典型的高速光電耦合器。
[0058]所述光電隔離電路為HCPL2630光電耦合器，擴展正交解碼電路設置有擴展正交解 碼接口，所述電平轉換電路包括8位的SN74VLTH245電平轉換芯片。
[0059]多軸同步系統(tǒng)中的每一臺電機的轉速均由光電編碼器來測量，所以在多軸同步系 統(tǒng)中將需要處理很多路的正交脈沖信號。而一般的處理器是不帶正交解碼接口的，就算是 專為電機控制推出的TMS320F2818也只提供了兩路正交解碼的接口，而且其引腳是與捕獲 功能復用的，顯然不能夠滿足多軸同步系統(tǒng)的測速要求，故需要設計正交解碼器與DSP的接 □ 〇
[0060] 本系統(tǒng)采用AVAG0公司生產的HCTL-2032作為擴展正交解碼的接口。HCTL-2032是 具有噪聲濾波、正交解碼、可逆計數(shù)、總線接口的一種專用集成電路，時鐘周期高達33MHz， 可接收兩路正交解碼脈沖信號，代替了 TMS320F2812的事件管理器中的正交解碼電路，從而 解決了多路正交解碼的問題。HCTL-2032提供了 1 X，2 X，4 X三種計數(shù)方式，其選擇方式由 ΕΝ 1、EN2的組合值確定，所以它能實現(xiàn)光電編碼器脈沖的倍頻。另外，HCTL-20 3 2只有8位的 輸出數(shù)據(jù)線，所以其內部的32位計數(shù)器的數(shù)據(jù)需要4次才能讀出，其控制方式有SEL1、SEL2、 δΕ的值決定。
[0061 ] TMS320F2812的工作電壓是3.3V，而HCTL-2032的工作電壓是5V，所以兩者的工作 電平不一樣，且TMS320F2812的引腳絕對不能接入5V電壓，否則將燒毀整個芯片。為此，需要 設計電平轉換電路。關于電平轉換的常用方法有：
[0062] (1)總線收發(fā)器：常用的器件有8位的SN74VLTH245或者16位的SN74LVTH16245,這 類器件的特點是需要進行方向控制，會產生3.5nS的延遲，具有32/64mA的驅動能力，只需提 供3.3V供電。
[0063] (2)總線開關：常用的器件是10位的SN74CBTD3384或者20位的SN74CBTD16210,它 們無需方向控制，只有〇. 25nS的延遲時間，采用5V電源供電，常用在信號傳遞方向靈活且負 載單一的場合，如雙路復用的McBSP等。
[0064] (3)2選1切換器:常用的器件是SN74CBT3257或者SN74CBT16292,該類器件能實現(xiàn)2 選1，不需要進行方向控制，存在0.25ns的延遲時間，一般采用5V供電，常用在多路信號切換 且要進行電平轉換換的場合，如雙路復用的McBSP等。
[0065] (4)CPLD:這是采用大規(guī)模邏輯器件的方法，雖然控制簡單方便，但是存在延遲時 間大的問題，通常可達7nS以上，只實用于少量的對延遲要求不高的信號的電平轉換。
[0066] (5)電阻分壓:此法是采用電阻分壓的原理來實現(xiàn)電平的轉換，如需5V轉3.3V，可 選用10ΚΩ和20ΚΩ的電阻串聯(lián)分壓，即5VX20 + (20+10)~3.3V.電阻分壓的方法簡單，但 一般只適用于高壓向低壓轉換。
[0067] 綜合考慮本系統(tǒng)設計的要求，選取了第一種作為電平轉換的方法。采用8位的 SN74VLTH245作為5V到3.3V的電平轉換芯片。SN74VLTH245的數(shù)據(jù)傳送方向是DIR和涵共同 決定的，讓DIR和B運接地即保持低電平，就可以實現(xiàn)信號從B區(qū)向A區(qū)傳送，也就完成了從5V 到3.3V的電平轉換。
[0068] 如圖3采樣電路總圖所示：系統(tǒng)的采樣電路包括光電編碼器，光電隔離電路，擴展 正交解碼電路以及電平轉換電路。這里以兩路采樣電路為例，
[0069] 最左側部分為光電編碼器HEDS-5500的接線端子，兩路正交脈沖信號通過串聯(lián)電 阻限流后，接入光電耦合器HCPL2630中進行隔離。因此，這一塊的供電電源和右側其它芯片 的供電電源是不共地的，即它們是相互隔離的。經過隔離后的脈沖信號送入正交解碼器 HCTL-2032中進行計數(shù)，同時為了選擇4 X的計數(shù)模式，需使得EN1為高電平，EN2為低電平， 這樣在一個周期內正交解碼器HCTL-2032就會在時鐘的上升沿采樣4種狀態(tài)進行計數(shù)。 HCTL-2032和TMS320F2812之間有電平轉換芯片SN74LVTH245。其中，上側的SN74LVTH245將 HCTL-2032中的數(shù)據(jù)傳送至TMS320F2812中，下側的則將TMS320F2812中的控制信號傳送至 HCTL-2032中，這樣的數(shù)據(jù)傳送方向是由DIR和51決定的，即讓這兩個引腳接地保持低電 平，就可實現(xiàn)從B區(qū)向A區(qū)傳送數(shù)據(jù)。另外，在每個集成電路的供電端并聯(lián)一個O.luF退耦電 容，它用來消除電源波動在芯片電源引腳引起的電壓干擾，降低電路中電流沖擊的峰值。另 外值得注意的是，退耦電容的引線不能太長，且必須就近連接在集成電路的供電電源和地 線之間，否則其退耦作用會大大削弱。
[0070] 所述D/A轉換電路與DSP控制單元集成在DSP控制板上。
[0071] 所書DSP芯片為TMS320F2812芯片，TMS320F2812芯片上集成有EVA、EVB兩個事件管 理器和12位16通道的AD轉換器，外圍電路集成有電源接口、晶振、復位電路、撥碼開關和 LED、存儲器接口、CPLD邏輯單元、總線擴展接口、串行通信接口。
[0072] DSP是整個多軸同步系統(tǒng)的控制核心，本系統(tǒng)采用北京精儀達盛科技有限公司的 EL-DSP-E300系統(tǒng)作為控制單元，其主控芯片為TI公司的TMS320F2812芯片，并配備了大量 的外圍電路，使得用戶能方便地進行二次開發(fā)，DSP是數(shù)字信號處理的英文簡稱，它誕生于 20世紀80年代。發(fā)展到現(xiàn)在，DSP已經在很多領域中得到了廣泛的應用，比如工業(yè)控制，航空 航天，通信設備，醫(yī)療設備等等。坐落在美國的德州TI公司是世界上最大的DSP供應商，是 DSP產品研發(fā)和生產的領導者。而TMS320F2812是TI公司推出的一款目前在國際市場上最先 進性，功能最強大，性價比最高的32位定點DSP芯片，其處理速度可高達至150MHz，擁有EVA、 EVB兩個事件管理器和12位16通道的AD轉換器，使得其在運動控制領域占有相當大的份額。 另外，TMS320F2812具有豐富的片內外設，如SCI、SPI、eCAN等，是目前各個領域的應用中占 主要份額的數(shù)字信號處理芯片。表4-1列出了TMS320F2812的主要參數(shù)。
[0073]表 4-1TMS320F2812 的主要參數(shù)
[0075] EL-DSP-E300系統(tǒng)的板卡上集成了豐富的外圍電路，滿足各種應用場合的需求，下 面將對各個模塊進行簡要介紹。
[0076] (1)電源接口： TMS320F2812采用3.3V和1.8V雙電源供電。系統(tǒng)中的模擬地和數(shù)字 地采用分離設計，電壓轉換電路將開關電源輸入的5V電壓轉換為穩(wěn)定的3.3V和1.8V，本系 統(tǒng)的電壓轉換芯片采用的是TPS767D318,且此芯片同時還具有電壓監(jiān)測功能，保證了系統(tǒng) 的安全運行。
[0077] (2)晶振:TMS320F2812采用外部晶振作為時鐘源，頻率為30MHz，處理器接受外部 提供的時鐘頻率，通過合理的配置鎖存器等時鐘控制寄存器來選擇所需要的系統(tǒng)時鐘的 工作頻率值。
[0078] (3)復位電路:本系統(tǒng)提供上電復位和硬件手動復位兩種復位方式。當要進行復位 時，必須保證至少有8到10個系統(tǒng)時鐘周期，且還要考慮上電晶振的穩(wěn)定時間等。
[0079] (4)撥碼開關和LED:TMS320F2812板卡上提供8個撥碼開關和4個LED燈，且這些設 備都已經連接到了 CPLD上，開發(fā)者可以通過編寫程序來設定其功能和作用。
[0080] (5)存儲器接口：TMS320F2812板卡提供兩個零等待周期的數(shù)據(jù)存儲器，存儲芯的 片型號為ISLV6416.每個存儲器的大小為64K，總計提供128k的外部存儲空間。另外，在使用 系統(tǒng)的開發(fā)過程中，盡量優(yōu)先使用內部的數(shù)據(jù)存儲器，這樣可以更好地提高本系統(tǒng)的運行 效率。
[0081] (6)CPLD邏輯單元:CPLD是復雜可編程器件的簡稱，本單元主要用來完成譯碼工作 及資源分配等，采用的是XILINX公司的XC95144-TQ100芯片。
[0082] (7)總線擴展接口 ：TMS320F2812板卡采用了Techv總線接口，Techv總線接口是北 京精儀達盛科技有限公司定義的一種總線接口標準。Techv開發(fā)模板可以通過Techv總線級 聯(lián)，開發(fā)者可根據(jù)其接口的具體定義進行外擴模塊的設計，使用非常方便。
[0083] (8)串行通信接口 ：TMS320F2812板卡上有兩個異步串行通信（SCI)接口，可以通過 板上的擴展接口同外部主機或其他設備進行通信互聯(lián)。
[0084]如圖4 D/A轉換的電路圖所示:DSP只能處理數(shù)字信號，而變頻器的給定信號是0-5V的模擬電壓值，所以必須要進行數(shù)模轉換（DA轉換）。本系統(tǒng)的DA轉換芯片是Analog Devices公司生產的AD7303,該芯片是單極性(正極性）、兩通道、串行數(shù)據(jù)輸入的八位數(shù)模 轉換器。其串行時鐘頻率最快可達30MHz，數(shù)模轉換時間為1 . 2Us，并采用串行接口和 TMS320F2812進行連接。DA的輸出信號通過運算放大電路，可以得到0~+5V的輸出電壓值。 其中，DIN為數(shù)字接口數(shù)據(jù)，SCLK為數(shù)字接口位時鐘，SYNC為數(shù)字接口片選，這三個端子和 TMS320F2812的10相連。另外，可以通過調節(jié)電位器來得到所需的模擬電壓輸出范圍。
[0085]多軸同步系統(tǒng)中的每一臺變頻器需要同時接收來自DSP控制單元的指令，而為了 降低系統(tǒng)電路的復雜性和節(jié)約系統(tǒng)資源，本系統(tǒng)只采用了一個DA轉換器，所以必須要進行 通道的擴展。由于DSP處理速度非?？?，可以分時的發(fā)送輸出信號，從而完成對多軸的準同 時控制。
[0086] 如圖5單模擬通道轉多模擬通道的電路圖所示:在該電路中主要由⑶4051、LF398 以及電容CH等構成。⑶4051是一種八通道的數(shù)字控制模擬電子開關，在使能端i接地的情況 下，由S0、S1、S2三個二進制地址端控制8個通道的開通與關斷，這樣可以分時的傳送多軸同 步系統(tǒng)的各路控制信號電壓。在CD4051傳送某一軸的控制信號時，其它軸的信號電壓需要 進行保持。LF398具有采樣和保持功能，它實質上是一種模擬信號存儲器，在邏輯指令控制 下，對輸入的模擬量進行采樣和寄存。在使用LF398時還必須接上O.OlyF的采樣保持電容。 CD4051 中的SO、SI、S2 和3個LF398 中的 8管腳和 TMS320F2812 的 10 口 連接，TMS320F2812 通過 對這些邏輯接口進行控制，從而實現(xiàn)了使用單個DA轉換器輸出不同控制信號電壓的目的。 [0087]如圖6線性隔離電路所示：由于變頻器是一個很強的電磁干擾源，會引起相關電路 的信號的畸變，需要進行有效地隔離。而本系統(tǒng)中的變頻器接受來自控制電路的模擬量給 定信號電壓，而模擬信號的隔離通常使用的方法是采用線形光電耦合器進行隔離。線性光 電耦合器的隔離原理與普通的非線性光耦沒有什么本質區(qū)別，它只是在普通的非線性光耦 的單發(fā)單收模式基礎上做出一點改進，變成了單發(fā)雙收的模式，即一個光發(fā)送電路和兩個 光接收電路，增加的一個光接收電路主要用于反饋。在保證兩個光接收電路的非線性特性 一樣的前提下，就可以通過反饋通路的非線性抵消另一個直接通路的非線性，這樣就實現(xiàn) 了模擬信號的線性隔離。
[0088]線性隔離電路中，主要采用了Agilent公司的HCNR201光耦芯片。這種線性光耦可 廣泛地應用于需要優(yōu)良的穩(wěn)定性、線性度以及帶寬要求較高的模擬信號隔離場合，如通訊 電路、電壓或電流檢測、開關電源、工業(yè)過程控制中的測量或測試等方面。HCNR201的主要技 術指標如下：
[0089] (1)傳輸比例誤差約為±5%，線性誤差約為±0.05%
[0090] (2)具有直流時大于1兆赫茲的帶寬
[0091 ] (3)具有接近107兆歐的絕緣能力，回路間的分布電容為0.4皮法；
[0092] (4)提供0~15伏的輸入/輸出范圍。
[0093]由于HCNR201隔離的僅僅是電流，而系統(tǒng)需要隔離電壓。因此，可以看出，在輸入和 輸出的通道上，都增加了一個集成運放作為電流/電壓轉換電路。同時為了使得線性隔離電 路只隔離而不放大，需要合理設計相關參數(shù)。
[0094]第一線性光電隔離電路、第二線性光電隔離電路、第三線性光電隔離電路均設置 有HCNR201光耦芯片。
[0095]本實用新型將針對現(xiàn)有的相鄰交叉耦合同步控制收斂性存在的問題，從理論上證 明出能使得同步誤差唯一收斂到零的條件，為相鄰交叉耦合同步方式應用于多軸同步系統(tǒng) 提供理論依據(jù)，
[0096]針對多軸同步系統(tǒng)強魯棒性和工程實用性的控制要求，以永磁同步電機為執(zhí)行 器，分別設計了基于滑模變結構的單軸跟隨控制器和同步誤差控制器，實現(xiàn)了對外部擾動 不靈敏以及工程實現(xiàn)簡單的要求，
[0097]針對多軸同步控制系統(tǒng)實現(xiàn)的問題，設計了基于數(shù)字信號處理器的同步控制實驗 系統(tǒng)，提出了硬件和軟件的總體設計方案，對于多軸同步控制的理論以及工程技術的應用 具有較為重要的參考價值和指導意義，多軸同步控制系統(tǒng)解決了軸的數(shù)目與控制復雜度之 間矛盾的問題。
[0098]以上所述僅是對本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上 的限制，凡是依據(jù)本實用新型的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改，等同變化與 修飾，均屬于本實用新型技術方案的范圍內。
【主權項】
1. 一種基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，其特征在于，該基于滑模變結 構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)包括功率驅動電路、系統(tǒng)采樣電路、DSP控制單元、輸出電 路； 功率驅動電路包括變頻器和電機，變頻器包括第一變頻器、第二變頻器、第三變頻器， 電機包括第一電機、第二電機、第三電機； 系統(tǒng)采樣電路包括光電編碼器、光電隔離電路、擴展正交解碼電路、電平轉換電路，光 電編碼器包括第一光電編碼器、第二光電編碼器、第三光電編碼器，光電隔離電路包括第一 光電隔離電路、第二光電隔離電路、第三光電隔離電路； DSP控制單元包括DSP芯片和外圍電路； 輸出電路包括D/A轉換電路，單模擬通道轉多模擬通道電路，線性光電隔離電路，單模 擬通道轉多模擬通道電路包括多路開關、第一保持器、第二保持器、第三保持器;線性光電 隔離電路包括第一線性光電隔離電路、第二線性光電隔離電路、第三線性光電隔離電路； 第一變頻器、第一電機、第一光電編碼器、第一光電隔離電路、擴展正交解碼電路、電平 轉換電路、DSP控制單元、D/A轉換電路、多路開關、第一保持器、第一線性光電隔離電路依次 首尾連接構成循環(huán)電路； 第二變頻器、第二電機、第二光電編碼器、第二光電隔離電路、擴展正交解碼電路、電平 轉換電路、DSP控制單元、D/A轉換電路、多路開關、第二保持器、第二線性光電隔離電路依次 首尾連接構成循環(huán)電路； 第三變頻器、第三電機、第三光電編碼器、第三光電隔離電路、擴展正交解碼電路、電平 轉換電路、DSP控制單元、D/A轉換電路、多路開關、第三保持器、第三線性光電隔離電路依次 首尾連接構成循環(huán)電路； 所述第一變頻器、第二變頻器、第三變頻器均設置有變頻器旁路裝置;變頻器旁路裝 置，包括:第一刀閘，第二刀閘，第一真空接觸器，第二真空接觸器，第三真空接觸器和高壓 斷路器;所述第一刀閘以及所述第三真空接觸器連接高壓斷路器的同一端，所述第一刀閘 還連接所述第一真空接觸器，所述第一真空接觸器的一端連接所述第一刀閘，所述第一真 空接觸器的另一端連接所述變頻器的變壓器輸入端，所述第二真空接觸器的一端連接所述 變頻器的功率單元輸出端，所述第二真空接觸器的另一端連接所述第二刀閘。2. 如權利要求1所述的基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，其特征在于，電 機連接所述第二刀閘以及所述第三真空接觸器，所述第一刀閘，所述第二刀閘，所述第一真 空接觸器和所述第二真空接觸器均位于變頻部分，所述第三真空接觸器位于工頻部分，所 述變頻器的變壓器的一端連接所述第一真空接觸器，所述變頻器的輸出單元的另一端連接 所述第二真空接觸器， 變頻器旁路裝置還包括:輸入電壓接口，輸入電流接口，輸出電流接口，輸出電壓接口， 串行端口，光纖輸出端口和光纖輸入端口，輸入電壓接口。3. 如權利要求1所述的基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述光電編碼器安裝在電機上，光電編碼器為增量式光電編碼器，增量式光電編碼器包括內 部的碼盤、內部的碼盤上均勻地刻著許多的光柵條和記錄編碼器。4. 如權利要求1所述的基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述光電隔離電路為HCPL2630光電耦合器，擴展正交解碼電路設置有擴展正交解碼接口，所 述電平轉換電路包括8位的SN74VLTH245電平轉換芯片。5. 如權利要求1所述的基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述D/A轉換電路與DSP控制單元集成在DSP控制板上。6. 如權利要求1所述的基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，其特征在于，所 書DSP芯片為TMS320F2812芯片，TMS320F2812芯片上集成有EVA、EVB兩個事件管理器和12位 16通道的AD轉換器，外圍電路集成有電源接口、晶振、復位電路、撥碼開關和LED、存儲器接 口、CPLD邏輯單元、總線擴展接口、串行通信接口。7. 如權利要求1所述的基于滑模變結構的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述D/A轉換電路包括DA轉換芯片，DA轉換芯片為單極性、兩通道、串行數(shù)據(jù)輸入的八位數(shù)模 轉換器； 單模擬通道轉多模擬通道電路中多路開關為CD4051八通道的數(shù)字控制模擬電子開關、 第一保持器、第二保持器、第三保持器均為LF398為模擬信號存儲器;LF398為模擬信號存儲 器與集成在單模擬通道轉多模擬通道電路上的電容Ch連接； 第一線性光電隔離電路、第二線性光電隔離電路、第三線性光電隔離電路均設置有 HCNR201光耦芯片。
【文檔編號】H02P5/50GK205725536SQ201620348716
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】張昌凡, 何靜, 龍永紅, 李祥飛, 文龍, 林真珍, 豆兵兵
【申請人】湖南工業(yè)大學