一種基于滑模變結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括功率驅(qū)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(yīng)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(shè)計了基于滑模變結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計方案，對于多軸同步控制的理論以及工程技術(shù)的應(yīng)用具有較為重要的參考價值和指導(dǎo)意義。
【專利說明】
一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于多軸同步控制設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的相 鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，近年來，關(guān)于多軸同步控制的研究受到越來越多的關(guān)注，同時，多軸同步控 制已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，解決了許多工程中的實際問題，獲得了很大的經(jīng)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(chǎn)力的發(fā)展，作為一種新型產(chǎn)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(nèi)高壓電機調(diào)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(jīng)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(nèi)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(fù)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(jié)構(gòu) 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(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于滑模變結(jié)構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，該基于滑模變結(jié)構(gòu)的相鄰交 叉耦合同步控制系統(tǒng)包括功率驅(qū)動電路、系統(tǒng)采樣電路、DSP控制單元、輸出電路；
[0008] 功率驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路，單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路，線性光電隔離電路， 單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路包括多路開關(guān)、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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第一保持器、第一線性光電隔離電路 依次首尾連接構(gòu)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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第二保持器、第二線性光電隔離電路 依次首尾連接構(gòu)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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第三保持器、第三線性光電隔離電路 依次首尾連接構(gòu)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(shè)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(shè)備輸入的 電壓的接口，輸入電流，用于接收其它設(shè)備輸入的電流的接口，輸出電流，用于接收其他設(shè) 備檢測的變頻器輸出電流，輸出電壓，用于接收其他設(shè)備檢測的變頻器輸出電壓，串行端 口，用于向其它設(shè)備提供的串行連接的端口，光纖輸出端口，用于向光纖設(shè)備輸出的端口， 光纖輸入端口，用于接收光纖設(shè)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(nèi)部的碼盤、內(nèi)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(shè)置有擴 展正交解碼接口，所述電平轉(zhuǎn)換電路包括8位的SN74VLTH245電平轉(zhuǎn)換芯片。
[0020] 進一步，所述系統(tǒng)采樣電路最左側(cè)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(cè)的供電 電源和右側(cè)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(zhuǎn)換芯片SN74LVTH245，上側(cè)的SN74LVTH245將HCTL-2032中的數(shù) 據(jù)傳送至TMS320F2812中，下側(cè)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(cè)和右側(cè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，外圍電路集成有電源接口、晶振、復(fù)位電路、撥碼 開關(guān)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(zhuǎn)換電路包括DA轉(zhuǎn)換芯片，DA轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器；
[0024]單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路中多路開關(guān)為CD4051八通道的數(shù)字控制模擬電子 開關(guān)、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(zhuǎn)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(shè)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(yīng)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(shè)計了基于滑模變結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計方案，對于多軸同步控制的理論以及工程技術(shù)的應(yīng)用 具有較為重要的參考價值和指導(dǎo)意義，多軸同步控制系統(tǒng)解決了軸的數(shù)目與控制復(fù)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(chǎn)。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(jīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換電路圖；
[0035] 圖5是本實用新型提供的單模擬通道轉(zhuǎn)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(biāo)為7,但是在實 際應(yīng)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(shè)備輸入的 電壓的接口，輸入電流，用于接收其它設(shè)備輸入的電流的接口，輸出電流，用于接收其他設(shè) 備檢測的變頻器輸出電流，輸出電壓，用于接收其他設(shè)備檢測的變頻器輸出電壓，串行端 口，用于向其它設(shè)備提供的串行連接的端口，光纖輸出端口，用于向光纖設(shè)備輸出的端口， 光纖輸入端口，用于接收光纖設(shè)備輸入的端口。
[0041] 變頻器的旁路裝置的工作原理：當(dāng)高壓進線經(jīng)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(dāng)?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(dāng)高壓進線接第三真空接觸器后直接接到電機，當(dāng)?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(jié)構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，該基于滑模變結(jié)構(gòu)的相鄰 交叉耦合同步控制系統(tǒng)還包括功率驅(qū)動電路、系統(tǒng)采樣電路、DSP控制單元、輸出電路；
[0044] 功率驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路，單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路，線性光電隔離電路， 單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路包括多路開關(guān)、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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第一保持器、第一線性光電隔離電路 依次首尾連接構(gòu)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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第二保持器、第二線性光電隔離電路 依次首尾連接構(gòu)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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第三保持器、第三線性光電隔離電路 依次首尾連接構(gòu)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(shè)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(shè)備輸入的 電壓的接口，輸入電流，用于接收其它設(shè)備輸入的電流的接口，輸出電流，用于接收其他設(shè) 備檢測的變頻器輸出電流，輸出電壓，用于接收其他設(shè)備檢測的變頻器輸出電壓，串行端 口，用于向其它設(shè)備提供的串行連接的端口，光纖輸出端口，用于向光纖設(shè)備輸出的端口， 光纖輸入端口，用于接收光纖設(shè)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(nèi)部的碼盤、內(nèi)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(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的一種光電傳感器，它需要與電機同軸 連接，電機轉(zhuǎn)動時帶動光電編碼器旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出一系列的脈沖信號，由此可計算出電機的轉(zhuǎn) 速或轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)一起轉(zhuǎn)動，通過記錄編碼器在一定的時間間隔內(nèi)發(fā)出的脈沖序列數(shù)， 就可以準(zhǔn)確地推算出這段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速。增量式編碼器能產(chǎn)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(zhuǎn)速，還能判斷轉(zhuǎn)速的方向，正轉(zhuǎn)時A相超前B相，反轉(zhuǎn) 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(chǎn)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(zhuǎn)產(chǎn)生500個脈沖，經(jīng)4倍頻后將產(chǎn)生2000個脈沖每轉(zhuǎn)，能夠 提供較高的測速精度要求。
[0057]為了防止外電路對DSP產(chǎn)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(shè)置有擴展正交解 碼接口，所述電平轉(zhuǎn)換電路包括8位的SN74VLTH245電平轉(zhuǎn)換芯片。
[0059]多軸同步系統(tǒng)中的每一臺電機的轉(zhuǎn)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(fù)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(shè)計正交解碼器與DSP的接 □ 〇
[0060] 本系統(tǒng)采用AVAG0公司生產(chǎn)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(nèi)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(shè)計電平轉(zhuǎn)換電路。關(guān)于電平轉(zhuǎn)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(chǎn)生3.5nS的延遲，具有32/64mA的驅(qū)動能力，只需提 供3.3V供電。
[0063] (2)總線開關(guān)：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(fù)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(zhuǎn)換換的場合，如雙路復(fù)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?？蛇_7nS以上，只實用于少量的對延遲要求不高的信號的電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，如需5V轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。
[0067] 綜合考慮本系統(tǒng)設(shè)計的要求，選取了第一種作為電平轉(zhuǎn)換的方法。采用8位的 SN74VLTH245作為5V到3.3V的電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路。這里以兩路采樣電路為例，
[0069] 最左側(cè)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(cè)其它芯片 的供電電源是不共地的，即它們是相互隔離的。經(jīng)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(nèi)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(zhuǎn)換芯片SN74LVTH245。其中，上側(cè)的SN74LVTH245將 HCTL-2032中的數(shù)據(jù)傳送至TMS320F2812中，下側(cè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，外圍電路集成有電源接口、晶振、復(fù)位電路、撥碼開關(guān)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(jì)80年代。發(fā)展到現(xiàn)在，DSP已經(jīng)在很多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，比如工業(yè)控制，航空 航天，通信設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備等等。坐落在美國的德州TI公司是世界上最大的DSP供應(yīng)商，是 DSP產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)導(dǎo)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(zhuǎn)換器，使得其在運動控制領(lǐng)域占有相當(dāng)大的份額。 另外，TMS320F2812具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，如SCI、SPI、eCAN等，是目前各個領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)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(shè)計，電壓轉(zhuǎn)換電路將開關(guān)電源輸入的5V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3V和1.8V，本系 統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)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(fù)位電路:本系統(tǒng)提供上電復(fù)位和硬件手動復(fù)位兩種復(fù)位方式。當(dāng)要進行復(fù)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(guān)和LED:TMS320F2812板卡上提供8個撥碼開關(guān)和4個LED燈，且這些設(shè) 備都已經(jīng)連接到了 CPLD上，開發(fā)者可以通過編寫程序來設(shè)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(nèi)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)。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(shè)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(shè)備進行通信互聯(lián)。
[0084]如圖4 D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換（DA轉(zhuǎn)換）。本系統(tǒng)的DA轉(zhuǎn)換芯片是Analog Devices公司生產(chǎn)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(zhuǎn)換器。其串行時鐘頻率最快可達30MHz，數(shù)模轉(zhuǎn)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(diào)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(fù)雜性和節(jié)約系統(tǒng)資源，本系統(tǒng)只采用了一個DA轉(zhuǎn)換器，所以必須要進行 通道的擴展。由于DSP處理速度非常快，可以分時的發(fā)送輸出信號，從而完成對多軸的準(zhǔn)同 時控制。
[0086] 如圖5單模擬通道轉(zhuǎn)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(gòu)成。⑶4051是一種八通道的數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，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(guān)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(zhì)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(zhuǎn)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(guān)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(zhì)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(chǔ)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(yīng)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(guān)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(shù)指標(biāo)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(zhuǎn)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(shè)計相關(guān)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(shè)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(yīng)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(shè)計了基于滑模變結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計方案，對于多軸同步控制的理論以及工程技術(shù)的應(yīng)用 具有較為重要的參考價值和指導(dǎo)意義，多軸同步控制系統(tǒng)解決了軸的數(shù)目與控制復(fù)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(shù)實質(zhì)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(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于滑模變結(jié)構(gòu)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(jié) 構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)包括功率驅(qū)動電路、系統(tǒng)采樣電路、DSP控制單元、輸出電 路； 功率驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路，單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路，線性光電隔離電路，單模 擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路包括多路開關(guān)、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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第一保持器、第一線性光電隔離電路依次 首尾連接構(gòu)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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第二保持器、第二線性光電隔離電路依次 首尾連接構(gòu)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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第三保持器、第三線性光電隔離電路依次 首尾連接構(gòu)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(shè)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(quán)利要求1所述的基于滑模變結(jié)構(gòu)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(quán)利要求1所述的基于滑模變結(jié)構(gòu)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(nèi) 部的碼盤、內(nèi)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(quán)利要求1所述的基于滑模變結(jié)構(gòu)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(shè)置有擴展正交解碼接口，所 述電平轉(zhuǎn)換電路包括8位的SN74VLTH245電平轉(zhuǎn)換芯片。5. 如權(quán)利要求1所述的基于滑模變結(jié)構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述D/A轉(zhuǎn)換電路與DSP控制單元集成在DSP控制板上。6. 如權(quán)利要求1所述的基于滑模變結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器，外圍電路集成有電源接口、晶振、復(fù)位電路、撥碼開關(guān)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(quán)利要求1所述的基于滑模變結(jié)構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述D/A轉(zhuǎn)換電路包括DA轉(zhuǎn)換芯片，DA轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器； 單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路中多路開關(guān)為CD4051八通道的數(shù)字控制模擬電子開關(guān)、 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(zhuǎn)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(shè)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(xué)
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括功率驅(qū)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(yīng)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(shè)計了基于滑模變結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計方案，對于多軸同步控制的理論以及工程技術(shù)的應(yīng)用具有較為重要的參考價值和指導(dǎo)意義。
【專利說明】
一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于多軸同步控制設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的相 鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，近年來，關(guān)于多軸同步控制的研究受到越來越多的關(guān)注，同時，多軸同步控 制已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，解決了許多工程中的實際問題，獲得了很大的經(jīng)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(chǎn)力的發(fā)展，作為一種新型產(chǎn)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(nèi)高壓電機調(diào)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(jīng)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(nèi)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(fù)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(jié)構(gòu) 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(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于滑模變結(jié)構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，該基于滑模變結(jié)構(gòu)的相鄰交 叉耦合同步控制系統(tǒng)包括功率驅(qū)動電路、系統(tǒng)采樣電路、DSP控制單元、輸出電路；
[0008] 功率驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路，單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路，線性光電隔離電路， 單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路包括多路開關(guān)、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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第一保持器、第一線性光電隔離電路 依次首尾連接構(gòu)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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第二保持器、第二線性光電隔離電路 依次首尾連接構(gòu)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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第三保持器、第三線性光電隔離電路 依次首尾連接構(gòu)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(shè)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(shè)備輸入的 電壓的接口，輸入電流，用于接收其它設(shè)備輸入的電流的接口，輸出電流，用于接收其他設(shè) 備檢測的變頻器輸出電流，輸出電壓，用于接收其他設(shè)備檢測的變頻器輸出電壓，串行端 口，用于向其它設(shè)備提供的串行連接的端口，光纖輸出端口，用于向光纖設(shè)備輸出的端口， 光纖輸入端口，用于接收光纖設(shè)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(nèi)部的碼盤、內(nèi)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(shè)置有擴 展正交解碼接口，所述電平轉(zhuǎn)換電路包括8位的SN74VLTH245電平轉(zhuǎn)換芯片。
[0020] 進一步，所述系統(tǒng)采樣電路最左側(cè)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(cè)的供電 電源和右側(cè)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(zhuǎn)換芯片SN74LVTH245，上側(cè)的SN74LVTH245將HCTL-2032中的數(shù) 據(jù)傳送至TMS320F2812中，下側(cè)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(cè)和右側(cè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，外圍電路集成有電源接口、晶振、復(fù)位電路、撥碼 開關(guān)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(zhuǎn)換電路包括DA轉(zhuǎn)換芯片，DA轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器；
[0024]單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路中多路開關(guān)為CD4051八通道的數(shù)字控制模擬電子 開關(guān)、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(zhuǎn)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(shè)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(yīng)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(shè)計了基于滑模變結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計方案，對于多軸同步控制的理論以及工程技術(shù)的應(yīng)用 具有較為重要的參考價值和指導(dǎo)意義，多軸同步控制系統(tǒng)解決了軸的數(shù)目與控制復(fù)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(chǎn)。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(jīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換電路圖；
[0035] 圖5是本實用新型提供的單模擬通道轉(zhuǎn)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(biāo)為7,但是在實 際應(yīng)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(shè)備輸入的 電壓的接口，輸入電流，用于接收其它設(shè)備輸入的電流的接口，輸出電流，用于接收其他設(shè) 備檢測的變頻器輸出電流，輸出電壓，用于接收其他設(shè)備檢測的變頻器輸出電壓，串行端 口，用于向其它設(shè)備提供的串行連接的端口，光纖輸出端口，用于向光纖設(shè)備輸出的端口， 光纖輸入端口，用于接收光纖設(shè)備輸入的端口。
[0041] 變頻器的旁路裝置的工作原理：當(dāng)高壓進線經(jīng)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(dāng)?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(dāng)高壓進線接第三真空接觸器后直接接到電機，當(dāng)?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(jié)構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，該基于滑模變結(jié)構(gòu)的相鄰 交叉耦合同步控制系統(tǒng)還包括功率驅(qū)動電路、系統(tǒng)采樣電路、DSP控制單元、輸出電路；
[0044] 功率驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路，單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路，線性光電隔離電路， 單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路包括多路開關(guān)、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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第一保持器、第一線性光電隔離電路 依次首尾連接構(gòu)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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第二保持器、第二線性光電隔離電路 依次首尾連接構(gòu)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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第三保持器、第三線性光電隔離電路 依次首尾連接構(gòu)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(shè)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(shè)備輸入的 電壓的接口，輸入電流，用于接收其它設(shè)備輸入的電流的接口，輸出電流，用于接收其他設(shè) 備檢測的變頻器輸出電流，輸出電壓，用于接收其他設(shè)備檢測的變頻器輸出電壓，串行端 口，用于向其它設(shè)備提供的串行連接的端口，光纖輸出端口，用于向光纖設(shè)備輸出的端口， 光纖輸入端口，用于接收光纖設(shè)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(nèi)部的碼盤、內(nèi)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(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的一種光電傳感器，它需要與電機同軸 連接，電機轉(zhuǎn)動時帶動光電編碼器旋轉(zhuǎn)，便發(fā)出一系列的脈沖信號，由此可計算出電機的轉(zhuǎn) 速或轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)一起轉(zhuǎn)動，通過記錄編碼器在一定的時間間隔內(nèi)發(fā)出的脈沖序列數(shù)， 就可以準(zhǔn)確地推算出這段時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速。增量式編碼器能產(chǎn)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(zhuǎn)速，還能判斷轉(zhuǎn)速的方向，正轉(zhuǎn)時A相超前B相，反轉(zhuǎn) 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(chǎn)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(zhuǎn)產(chǎn)生500個脈沖，經(jīng)4倍頻后將產(chǎn)生2000個脈沖每轉(zhuǎn)，能夠 提供較高的測速精度要求。
[0057]為了防止外電路對DSP產(chǎn)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(shè)置有擴展正交解 碼接口，所述電平轉(zhuǎn)換電路包括8位的SN74VLTH245電平轉(zhuǎn)換芯片。
[0059]多軸同步系統(tǒng)中的每一臺電機的轉(zhuǎn)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(fù)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(shè)計正交解碼器與DSP的接 □ 〇
[0060] 本系統(tǒng)采用AVAG0公司生產(chǎn)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(nèi)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(shè)計電平轉(zhuǎn)換電路。關(guān)于電平轉(zhuǎn)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(chǎn)生3.5nS的延遲，具有32/64mA的驅(qū)動能力，只需提 供3.3V供電。
[0063] (2)總線開關(guān)：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(fù)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(zhuǎn)換換的場合，如雙路復(fù)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?？蛇_7nS以上，只實用于少量的對延遲要求不高的信號的電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，如需5V轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。
[0067] 綜合考慮本系統(tǒng)設(shè)計的要求，選取了第一種作為電平轉(zhuǎn)換的方法。采用8位的 SN74VLTH245作為5V到3.3V的電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路。這里以兩路采樣電路為例，
[0069] 最左側(cè)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(cè)其它芯片 的供電電源是不共地的，即它們是相互隔離的。經(jīng)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(nèi)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(zhuǎn)換芯片SN74LVTH245。其中，上側(cè)的SN74LVTH245將 HCTL-2032中的數(shù)據(jù)傳送至TMS320F2812中，下側(cè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器，外圍電路集成有電源接口、晶振、復(fù)位電路、撥碼開關(guān)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(jì)80年代。發(fā)展到現(xiàn)在，DSP已經(jīng)在很多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，比如工業(yè)控制，航空 航天，通信設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備等等。坐落在美國的德州TI公司是世界上最大的DSP供應(yīng)商，是 DSP產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)導(dǎo)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(zhuǎn)換器，使得其在運動控制領(lǐng)域占有相當(dāng)大的份額。 另外，TMS320F2812具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，如SCI、SPI、eCAN等，是目前各個領(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)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(shè)計，電壓轉(zhuǎn)換電路將開關(guān)電源輸入的5V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3V和1.8V，本系 統(tǒng)的電壓轉(zhuǎn)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(fù)位電路:本系統(tǒng)提供上電復(fù)位和硬件手動復(fù)位兩種復(fù)位方式。當(dāng)要進行復(fù)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(guān)和LED:TMS320F2812板卡上提供8個撥碼開關(guān)和4個LED燈，且這些設(shè) 備都已經(jīng)連接到了 CPLD上，開發(fā)者可以通過編寫程序來設(shè)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(nèi)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)。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(shè)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(shè)備進行通信互聯(lián)。
[0084]如圖4 D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換（DA轉(zhuǎn)換）。本系統(tǒng)的DA轉(zhuǎn)換芯片是Analog Devices公司生產(chǎn)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(zhuǎn)換器。其串行時鐘頻率最快可達30MHz，數(shù)模轉(zhuǎn)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(diào)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(fù)雜性和節(jié)約系統(tǒng)資源，本系統(tǒng)只采用了一個DA轉(zhuǎn)換器，所以必須要進行 通道的擴展。由于DSP處理速度非常快，可以分時的發(fā)送輸出信號，從而完成對多軸的準(zhǔn)同 時控制。
[0086] 如圖5單模擬通道轉(zhuǎn)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(gòu)成。⑶4051是一種八通道的數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，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(guān)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(zhì)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(zhuǎn)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(guān)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(zhì)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(chǔ)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(yīng)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(guān)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(shù)指標(biāo)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(zhuǎn)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(shè)計相關(guān)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(shè)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(yīng)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(shè)計了基于滑模變結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計方案，對于多軸同步控制的理論以及工程技術(shù)的應(yīng)用 具有較為重要的參考價值和指導(dǎo)意義，多軸同步控制系統(tǒng)解決了軸的數(shù)目與控制復(fù)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(shù)實質(zhì)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(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于滑模變結(jié)構(gòu)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(jié) 構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)包括功率驅(qū)動電路、系統(tǒng)采樣電路、DSP控制單元、輸出電 路； 功率驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路，單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路，線性光電隔離電路，單模 擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路包括多路開關(guān)、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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第一保持器、第一線性光電隔離電路依次 首尾連接構(gòu)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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第二保持器、第二線性光電隔離電路依次 首尾連接構(gòu)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(zhuǎn)換電路、DSP控制單元、D/A轉(zhuǎn)換電路、多路開關(guān)、第三保持器、第三線性光電隔離電路依次 首尾連接構(gòu)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(shè)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(quán)利要求1所述的基于滑模變結(jié)構(gòu)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(quán)利要求1所述的基于滑模變結(jié)構(gòu)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(nèi) 部的碼盤、內(nèi)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(quán)利要求1所述的基于滑模變結(jié)構(gòu)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(shè)置有擴展正交解碼接口，所 述電平轉(zhuǎn)換電路包括8位的SN74VLTH245電平轉(zhuǎn)換芯片。5. 如權(quán)利要求1所述的基于滑模變結(jié)構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述D/A轉(zhuǎn)換電路與DSP控制單元集成在DSP控制板上。6. 如權(quán)利要求1所述的基于滑模變結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器，外圍電路集成有電源接口、晶振、復(fù)位電路、撥碼開關(guān)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(quán)利要求1所述的基于滑模變結(jié)構(gòu)的相鄰交叉耦合同步控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述D/A轉(zhuǎn)換電路包括DA轉(zhuǎn)換芯片，DA轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器； 單模擬通道轉(zhuǎn)多模擬通道電路中多路開關(guān)為CD4051八通道的數(shù)字控制模擬電子開關(guān)、 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(zhuǎn)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(shè)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(xué)
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