基于DSP和FPGA的嵌入式同步控制器实现

　　在印染机械设备生产加工过程中，各个传动单元分别由独立的电机驱动。为了保证整机各单元同步协调工作，提高产品质量，需要设计相应的同步控制器。多单元同步传动是印染机械设备同步控制的关键，但由于交流电机严重的非线性，系统的动态特性和相应的参数受外界扰动因素的影响，增加了实际同步控制的难度，降低了实际的控制精度。传统的控制方案设计如带转换式松紧架的同步系统可靠性差，控制精度不高，难以获得满意的控制效果，又由于系统要求快速同步动态跟随，不允许有大的超调。因此提出一种基于DSP和FPGA的嵌入式控制器，以提高系统的动态跟随速度和同步性能。该控制装置可直接嵌入电控装置内，实时、高性能地完成控制功能。

　　1系统的总体控制策略

　　大多数印染设备根据工艺要求都采用联合机方式组成多单元同步拖动系统，主电机的速度作为各从动电机的给定速度，各从动单元分别由各自的异步电机拖动，系统要求各单元电机保持同步运转，即各从动电机线速度始终保持与主电机速度一致，或保持一定的比例关系。为了验证控制方案的可行性，以双单元(主动机、从动机)交流同步拖动系统为例进行了研究。印染设备控制系统组成框图如图1所示。

　　主动机和从动机分别由变频器1和变频器2供电。同轴安装光电旋转编码器，光电旋转编码器将主从动机的转速信号转换成脉冲信号，并送给控制器进行处理，经过控制算法，输出数字控制量到从动机的变频器，改变其运行频率，调整从动机的转速，使之与主动机保持同步。由以上分析可知，主从动机保持同步是控制器设计的关键。控制器核心由16位的微处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)组成。基于DSP+FPGA的嵌入式同步控制器，具有结构灵活，通用性强的特点，适用于模块化设计，可大大减少系统的外围器件，降低成本。DSP作为运算控制的核心，主要完成电机启停，控制算法的实现和各类接口处理等;FAPG作为数据采集模块的核心，负责数据采集和键盘接口电路的实现。

　　为了使印染设备各单元同步协调工作，提高系统的响应速度，对各单元电机的线速度采用双模控制的方法，即将Bang-Bang控制与PID控制结合起来使用。在∣e∣>δ(δ为某一常数)时，实行Bang-Bang控制，以最快的速度使调节参数逼近给定值;在∣e∣<δ时，实行数字PID调节，以消除系统的调节偏差。这样即可加快控制过程，又可保证系统超调较小，从而取得良好的动态品质。

　　2系统主要硬件组成

　　嵌入式控制器的硬件结构如图2所示。DSP为系统的核心单元，它对采集的各种参数进行运算、分析和显示，并可通过通信模块与本地带485接口的仪表通信。选用TI公司的TMS320LF2407A型DSP芯片，它采用高性能静态CMOS技术，供电电压降为3.3 V，功耗小，具有30 MIPS的执行速度，使得指令周期缩短到33 ns，提高了控制器的实时控制能力;片内有高达32 KB的FLASH程序存储器。16位TMS320LF2407A型DSP芯片具有采样速度快，浮点处理速度高，稳定性好等特点。DSP的特殊结构和优良性能满足了系统的需要。