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基于 μC/OS-II 与双DSP 的多直线开关磁阻电机控制系统设计

时间:2017-10-07 23:41来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是控制工程论文,本次设计采用了新型号驱动器,是原来驱动器的升级版本,不仅可以像旧版驱动器一样接受模拟电压参考信号控制电流大小的输出。
第1章绪论
 
1.1选题来源
选题尝试使用数字信号处理器作为控制器来进行LSRM控制系统项目的研究。查阅DSP相关资料后发现,美国德州仪器公司专为控制发布一种型号为TMS320F28335的DSP在市场上应用广泛,性能较好,与本选题的研究目的相契合,于是计划以F28335DSP开发板作为控制器进行研究。在初步研究中,为加快代码的开发进度,在MATLAB/Simulink中构建控制系统模型,使用Simulink中的Coder Generation工具自动为DSP生成代码工程和可执行文件[1],并且使用Simulink开发上位机程序监控DSP的运行情况。经过实验测试,确定DSP可以作为控制器控制LSRM运动。项目要求控制对象为3台以上LSRM,受DSP开发板上外设资源所限,须采用双DSP作为控制器,并实现控制器之间的实时通信。在研究中发现DSP与上位机串口通信任务对控制效果影响较大,且2块DSP开发板之间也需要通过控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)通讯交换数据,从而对程序的开发提出了包含控制任务和通信任务的多任务运行与实时性的要求,因此引入实时操作系统成为了满足要求的一种途径。经过查阅比较,实时操作系统μC/OS-II通用性较强,可以移植到多种处理器上,而且有成功移植到F28335DSP上的先例,于是计划采用μC/OS-II作为本选题的实时操作系统。
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1.2研究意义及应用前景
直线运动形式的驱动装置大量应用于交通运输牵引、军事武器、工业生产以及消费产品等场合,例如轨道交通系统、导弹发射、雷达探测、高精密度加工性能的数控车床、制药机械的某些工艺环节、照相机的快门等等。传统的直线运动效果先由旋转电机产生旋转运动,然后由减速机、螺杆、同步带等机械部件转换而得到。这种转换过程结构复杂,体积臃肿,可靠性低,机械传动过程中由于机械摩擦而产生机械磨损和噪音,而且机械部件本身会有加工精度以及运动惯性,这些缺点都会大大影响直线运动的速度和伺服精度。而采用直驱式的直线电机能够有效克服上述缺点,它是一种将电能直接转换为机械能从而驱动负载实现直线运动的电机,无需中间转换或传动结构。这样就减小了直线运动系统的体积,重量和成本,并且可以消除中间转换环节所带来的各种误差,因此可以有效提高整个运动系统的性能。随着电力电子和电磁场技术的发展,开关磁阻电机因为其诸多优点引起人们的广泛关注。它具有启动电流小,启动力矩大,运行效率高,调速范围广,结构简单、坚固,稳定性高,安装方便,能频繁正反转等特点。本选题的控制对象直线开关磁阻电机是直线电机与开关磁阻电机的有机结合体,同时具有直线电机和开关磁阻电机的特点[38-40],这就使得直线开关磁阻电机的设计、驱动、控制以及应用成为了相关领域的一个研究热点,具有良好的应用价值。例如制药设备的封口工艺环节,需要一个直线运动控制药瓶的传送与停留,一个直线运动控制药盖的传送与分发,另有一个直线运动控制加热钳封口,要完成封口工艺,就要求三个直线运动协调同步工作。类似的场景在实际工业生产设备中还有很多,本选题的多直线开关磁阻电机控制系统设计在这样的应用场合下就极具研究意义和应用前景。此外,实验室的LSRM是由项目组自行设计制作,市场上不具有这一电机的通用控制器,所以要完成控制任务,需要专门开发控制系统。
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第2章LSRM的原理及电磁分析
 
直线开关磁阻电机是本文设计的控制系统的受控对象,本章节将详细地分析其机械结构和运动原理,正确建立其数学模型,这是整个设计工作的第一步,后续章节的研究工作才能有效展开。
 
2.1LSRM的机械结构
本文所使用的直线开关磁阻电机不同于市场上常见的交流电机或者直流电机,系实验室项目组自行研制(专利号ZL201210558245.7)[36],其结构具有独特性,具体实物图如图1所示:从图1(a)中可以看到电机整体外观结构,分为定子导轨、直条形动子、双边线圈绕组三大部分,另外在定子基座上紧贴着动子导磁条处还安装有一个位置编码器。图1(b)给出了定子与动子分离后的图片,可以观察到定子与动子是如何结合在一起的——在电机的一侧,3个带有线圈绕组的定子铁心从基座上的方孔中穿过,在外侧用螺丝顶住使之固定,从而与动子之间形成气隙。为了更加形象方便地描述LSRM的机械结构,下面给出电机的俯视几何图形,如图2所示,并给出了电机的主要规格参数表表1[36]。从图2中可以看到,与旋转开关磁阻电机类似,直线开关磁阻电机的定子和动子相对的部分也是凸极结构。其中定子铁心呈回字形,共有6块,每块铁心上均缠有铜线通以电流作为磁源,6个线圈绕组不对称的均匀分布在动子两侧,相应的两个绕组AA、BB、CC分别串联在一起构成ABC三相,每相单独通以电流从一侧绕组进,从另一侧绕组出。动子铁心两侧各有一排凸出的动子齿与定子铁心凸出的定子齿相对,动子齿与定子齿之间具有0.3mm的气隙,齿宽均为6mm。齿与齿之间形成齿槽,槽宽也为6mm。动子铁心整体呈不对称结构,其中一侧的动子齿对应另一侧的齿槽。动子无论在哪个位置,总是有至少2相定子铁心的定子齿与动子齿错开。从定子齿与动子齿错开的位置来看,每隔一个极距的距离,定子齿与动子齿错开的情形总是不断重复的。
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2.2LSRM的运动原理
直线开关磁阻电机作为开关磁阻电机与直线电机的结合体,其运行原则遵循“最小磁阻原理”——磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合[32-33],一定形状的铁心在自身轴线与磁场轴线重合时磁阻最小,否则将产生力的作用迫使铁心运动到轴线重合的位置。从图3左半部分可以看到A相绕组未通电之前,铁心AA?的定子齿与动子齿处于不对齐状态,此时磁阻较大。通电之后产生磁场沿着定子铁心和动子铁心形成的磁路闭合,由于此时磁阻不是最小状态,因此会产生牵引力推动动子运动,直至图3右半部分所示的铁心轴线与磁场轴线重合的位置,此时磁阻最小,不会产生力的作用去改变动子运动状态,动子停在此处。但此时铁心BB?和CC?的定子齿却与动子齿处于不对齐状态,若断开A相绕组的电流,给B或C相绕组通上电流,也会产生牵引力推动动子继续运动,直至与B或C相定子齿对齐的位置。接下来断开电流给另外一相通电,动子继续运动,这样动子就完成了一个行程周期12mm,重新给A相绕组通电,动子又开始新的行程周期。直线开关磁阻电机就是按照上述ABC三相绕组轮流循环通电实现了动子的连续运动过程。
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第3章控制系统硬件方案...............15
3.1控制系统结构.......15
3.2驱动器.........18
3.2.1驱动器参数配置.......18
3.2.2驱动器特性.....19
3.3位置传感器...20
3.4控制器.........22
3.5本章小结......23
第4章DSP软件设计.......24
4.1DSP软件结构.......24
4.2移植μC/OS-II.......26
4.3硬件初始化.....................30
4.4控制程序.................33
4.5通信程序.................36
4.6本章小结......39
第5章上位机与系统测试...............40
5.1上位机软件结构....40
5.2软件模块......41
5.3系统测试......46
5.4本章小结......49
 
第 5 章   上位机与系统测试  
 
在上一章节中设计了 DSP 控制器软件,程序运行后,还需要外部信号触发来改变程序运行状态,从而操作控制系统作出相应动作,同时还需要实时观察控制系统的运行过程,这项任务可以通过开发上位机软件来实现[13-18]。本章将详细介绍上位机软件开发过程,包括软件结构、控制面板、位置环、参考信号、示波器、串口通信参数设置、日志、参数文件保存和打开等程序模块,最后对整个控制系统进行测试,验证系统的稳态和动态性能达到预期的设计目标。  
 
5.1  上位机软件结构  
本文上位机 PC 应用软件在 Visual  Studio  2013 开发环境中进行开发调试,使用 C# Windows Forms 建立每一个功能界面,根据监控任务需求划分每个功能模块,在设计好每个功能模块的基础上,组建整个软件工程,软件结构如下图 19 所示: C#是一种完全面向对象的编程语言,在软件工程命名空间中共定义了 12 个类,分别是 Program、Start Form、Serial Interface、Osclloscope、Control Panel、Ref Signal、Motor、Log、Feedback、Pos Loop、CANConfig、About Box,除了 Program 类以外,其余 11 个类都继承了 Form 窗体类,拥有可视化界面,用户可以通过这些界面与上位机软件进行交互。每个类都完成一个具体的功能,Program 类是应用程序的主入口点,包含入口函数 Main(),Start Form 是应用程序的主界面,用户与软件的交互从这里开始,应用程序开始运行后该界面首先被建立,Main()函数中 Application.Run(new Start Form());语句完成这一过程,Start Form 界面建立后通过用户操作可以将其余 10 个界面显示或者关闭。 
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总结 
 
本文设计了一种 3 台直线开关磁阻电机位置同步运动的控制系统,该系统中 A 轴跟踪参考指令位置信号,B 轴和 C 轴均跟踪 A 轴实际位置,在控制结构上每根轴均采用位置单闭环反馈,控制器采用 2 块 F28335  DSP 开发板,电机驱动供电部分采用美国Copley 公司的驱动器,位置反馈部分使用直线磁栅正交编码器,上位机软件通过串口对控制系统进行控制和状态监视。本文的设计工作除了硬件线路焊接和连接外,主要集中于 DSP 软件和上位机软件的开发,现将主要工作总结如下:
 (1) 在了解 F28335  DSP 的特性和程序运行原理后引入嵌入式实时操作内核μC/OS-II,借助其建立多任务运行和任务通信、同步功能,整个 DSP 软件结构的设计变得更加灵活。移植 μC/OS-II 过程中充分搜集相关资料,借鉴移植到其它处理器平台的经验,深入分析代码结构理解其原理,改写代码中与 DSP 处理器相关的部分,了解相关内核 API 函数的功能,反复调试成功在 F28335 DSP 平台上运行 μC/OS-II。
 (2)本文 F28335 DSP 开发过程中需要使用 GPIO、e QEP、e PWM、CAN、SCI 外设,如何初始化这些外设,配置相关外设寄存器,如何使用这些外设,编写外设驱动函数,需要准确了解每个外设模块的结构、工作原理以及寄存器。这些任务都在查找大量书籍、网站、论坛、文档和反复调试后得以完成。
 (3)通信程序的开发是本文的重点,主要包括 2 块 DSP 开发板之间的 CAN 通信和上位机 PC 与 DSP 控制器 1 之间的串口通信,在查阅了相关资料后,接收通信数据采用中断服务函数,SCI 通信启用了接收 FIFO,而发送数据采用普通驱动函数,并且统一了CAN 和串口的通信帧格式,通信帧长度固定为 8 个字节,第一个字节为参数索引,后面 7 个字节存放参数值。 
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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