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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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。
TMS320x24x系列DSP（Digital Signal Processor 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±5 mm。
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。



　　在实际应用中，DSP控制器选用TI公司的TMS320L F2407A ，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行，40MIPS 的执行速度使得指令周期缩短到25 ns ，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。TMS320L F2407A 有两个事件管理器模块，每个事件管理器模块都有一个正交编码脉冲（Quadrature Encoded Pulses，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、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313 V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A 的正交编码脉冲（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判别直线电机的运动方向（4 倍频后，直线位移计数分辨率为1μm ，即每移动1μm ，DSP就进行一次计数，计数范围为±5000）。此时，正交编码脉冲电路既为定时器T2 提供时钟又提供计数方向，如图5 所示。




QEP1 、QEP2都以通用定时器T2 作为时基，T2 设置成定向的增/ 减计数模式，并以正交编码脉冲电路作为时钟源，对脉冲信号CL K进行计数并将所计脉冲数装入计数器T2CNT 中。计数器的计数方向由DIR 信号决定，当QEP1 输入是先导序列时，通用定时器进行增计数，当QEP2 输入是先导序列时，则通用定时器进行减计数，计数器的状态字中有专门的一位用于保存计数方向信息，即为直线电机的运动方向信息。在程序中可以方便的读取当前的计数值和计数方向，由此获得直线电机的直线位移和移动方向。正交编码脉冲、增/ 减计数方向以及时钟如图6 所示。
（二）零点（中位点） 的检测
直线电机的零点（中位点）是直线电机有效行程±5 mm的零点。由于直线电机每次断电后，平衡位置不在一个准确的点上，而是位于零点附近（小于±1 mm），因此，要精密控制直线电机的位移必须确定零点的位置，即通电后首先要回零操作。
光栅尺上带有零点位置检测信号，即光栅尺的读头与尺带产生相对运动经过零点时，光栅尺输出一对反相的脉冲信号Z、

。经MC3486 差分接收后，产生脉冲信号R，如图4 所示。该脉冲信号可通过捕获单元引脚CAP3 捕获到。在捕获单元使能后，输入引脚CAP3 上的指定跳变设定为上升沿触发，指定跳变将所选通用定时器的计数值装入到相应的FIFO 栈的同时，相应的中断标志位被置位，可通过查询中断标志位来判断是否找到零点。



在进行回零操作时，为了实现快速找到零点，首先应确定零点位于平衡点的哪一侧，然后再慢速回零。实现方法是控制直线电机从平衡位置沿一个方向移动1mm ，然后通过软件查询事件管理器A中的中断标志寄存器C的CAP3INT 标志位是否为1，如为1，说明中断标志位被置位，捕获输入引脚CAP3发生过信号跳变，即发生过中断事件（此时中断被屏蔽，不产生中断请求，仅置位中断标志位）。从而，可确定零点在移动的这一侧，否则零点在平衡点的另一侧（反向移动2mm 重新查询中断标志位）。清除CAP3INT的标志位后，控制直线电机反向微量进给，同时查询CAP3INT 标志位是否被重新置位为1，如为1，说明已检测到零点。
（三）直线位移检测时相关的寄存器设置
直线电机位置检测主要是由DSP的事件管理器A 完成的，因此，必须对事件管理器A的功能寄存器进行设置。
QEP电路寄存器的设置：定时器T2周期寄存器；捕获控制寄存器A；中断屏蔽寄存器B、C；中断标志寄存器B、C。









四、数模转换硬件扩展电路
为了提高直线电机的位置控制精度，外扩了一片16位双极性输出的D/ A转换器，16位D/ A转换器选用TI公司的DAC7641，该芯片为16位双缓冲DAC芯片，即在数据传送到实际转换器前，数据可以写到保持寄存器中，然后由LDAC上升沿触发进行D/ A转换。数/ 模转换器映射到I/ O地址空间：0x0000，地址0x0002用来传送保持寄存器的值到转换器。数模转换后的输出电压是±215V，经TLC2272放大后，实现±5 V输出。74ALVC164245 实现数据线信号从3.13～5V的传输。数模转换工作原理如图7 所示。DAC 可按如下方式进行编程： 首先向I/ O 映射空间的保持寄存器0x0000写入数据，然后向传送寄存器0x0002写任何一个值，就可以将保持寄存器的数据送到转换器并输出。例程如下：



五、控制软件设计
直线电机的位置控制程序使用C语言和汇编语言混合编程的方法来实现。主要由主程序，回零操作程序，串口通信子程序，通用定时器T1周期中断子程序，位置控制算法程序这些模块组成。主程序主要完成系统的初始化及直线电机的位置控制，串口通信子程序用来接收上位机发出的位置指令，通用定时器T1周期中断子程序完成对直线位移的周期采样，进行位置控制计算，并输出D/ A 控制值。其软件实现流程如图8 所示。
六、结论
文章分析了基于DSP的短行程直流直线电机位置控制系统的实现方法，重点围绕以DSP控制器为核心的硬件电路扩展和软件设计进行了研究，建立了以DSP为控制器的直线电机位置控制实验平台，见图9 所示。TMS320L F2407A是一款高性能专用于电机控制的微处理器芯片，内部集成两个事件管理器模块，外围扩展电路比较容易实现，且能较好的满足直线电机实时控制需要。实际应用结果表明，控制系统设计合理，直线电机可实现精密定位，重复定位精度可控制在5μm以内。
         
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