基于交流伺服驱动的检测监控系统设计

引言

　　交流伺服系统的电流、电压、转速及位置信息反应了伺服系统的运行性能，为了深入分析交流伺服驱动器的运行状态及各项性能指标，本文设计了一种交流伺服系统的检测监控系统，可通过上位机或液晶屏、触摸屏构成的人机交互系统对伺服系统的运行参数进行设置、数据实时采集及传输、故障报警等。

　　数据的实时采集及实时可靠传输是整个系统核心部分之一，传输的数据可以分为实时性数据信息和非实时性数据信息两类。实时性数据指位置、速度、电流和实际反馈信息，这类数据的传输速度要求较高。而非实时性数据主要是参数设置、功能设定、诊断功能、伺服状态与报警等，对传输速度的要求相对较低一些［1］。rs-232串行通讯应用广泛，但其通信速率较低、传输距离短、抗干扰能力差，本系统中采用高速、可靠、分布式的can总线、usb总线。

　　本系统选用dsp和fpga作为控制核心，ad7612作为高精度、高速采样芯片，对四个采样通道的直流母线电压、定子三相电流采样，选用ch375接口芯片实现dsp和上位机的usb总线通信，选用82c250接口芯片实现检测系统和伺服驱动器的can总线通信，同时可通过液晶屏和触摸屏构成的控制系统完成运行参数设置、采集的数据显示及处理等功能。

系统构成

　　全数字交流伺服驱动器自动检测监控系统的主要功能是采集、处理和显示直流母线电压、定子三相电流。此外，还包括位置显示、速度显示、故障报警、参数设置、液晶显示、触摸屏控制等。

　　上位机控制系统可完成伺服系统运行参数设置、读取及显示，在测量期间，所有采集数值通过can总线传输给检测系统，检测系统通过usb总线传送给上位机控制系统，在上位机系统中对采集的数值进行数值处理，并实时显示。系统总体框图如图1所示。

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硬件部分设计

　　在整个测量系统中，采用人机交互控制，通过上位机系统完成对采样系统的实时控制和监视。测量系统中主要硬件部分为：dsp/fpga控制部分，直流母线电压检测部分、定子电流检测部分、信号调理部分和a/d测量部分、液晶显示和触摸屏控制部分、can总线接口部分、usb总线接口部分。

　　dsp部分和fpga部分

　　dsp/fpga部分是监测系统的核心控制部分，它主要完成对数据的分时变速率采样控制、采样结果取优控制等。该模块主要有三个部分组成：dsp，fpga和ram。本部分主要完成以下功能：多通道检测板的分时控制、检测板的多路模拟开关控制、读取adc的转换结果存入ram中、fpga逻辑控制、测量信号输入选择控制、利用can、usb总线实时接收上位机控制系统的命令和实时发送采样的直流母线电压值、定子三相电流值、电机转速等。

　　直流母线电压检测电路设计

　　当发生电网电压的波动或伺服系统带大惯性负载进行频繁制动等情况时，直流母线电压也会产生波动，可能造成储能电容、功率模块等的损坏，从而导致伺服系统运行故障，为此需要实时检测母线电压，电压检测方法通常有以下3种：①分压电阻采样；②采用电压互感器；③采用磁场平衡式霍尔传感器［2］，本系统采用第一种检测方法，并通过线性光耦实现高压和低压之间的电气隔离，具有较强的抗干扰能力。

　　信号调理及检测模块

　　信号检测及调理模块主要由几个分模块组成，如图2所示：

　　（1）直流母线电压和电流检测模块：该模块的功能主要用来实现在系统运行过程中直流母线电压和定子相电流检测。

　　（2）四通道信号检测模块：该模块主要采用四路差分放大电路，提高了检测精度。

　　（3）通道选择模块：该模块主要通过fpga来控制四通道检测信号是否接入ad采样电路。

　　（4）ad采样模块：该模块通过adc对输入的双极性信号进行检测，并且把检测的信号通过usb总线传送给上位机控制系统进行处理。

　　液晶显示和触摸屏控制部分

　　tfts6448b是专门针对分辨率为640×480的真彩屏（tft）而设计的液晶显示控制模块，具有8位数据总线（d0～d7）、地址总线（a1、a0）、读（/rd）、写（/wr）、片选控制信号（/cs）。当对显示数据进行读写时，首先必须指定行地址y，以及列地址x，然后就可以将该行从地址x开始的数据连续进行读写操作，无须重新设置x和y，在显示数据的每次读写操作后，列地址x都将自动加1，当地址加到行尾时，地址将跳到下一行的行首，当要读写一个新的行时，必须重新设置x、y。

　　触摸屏控制器工作过程是当有触摸事件发生时，ads7846会产生中断信号，当dsp接收到中断信号后，会通过dsp的spi模块发送相应的控制字，然后ads7846把触摸点的电压转换为x坐标和y坐标再通过spi接口送回dsp，dsp根据得到的坐标作相应处理［3］。如图3为dsp和液晶屏、触摸屏的接口电路框图。

　　dsp的can总线接口电路设计

　　使用can总线技术将伺服驱动和监控系统连成现场控制网络。监控系统可通过can总线完成上位机对伺服系统运行参数设置、接收伺服系统的转速等运行状态参数，伺服驱动系统采用tms320lf2407a片内can控制器。

　　tms320lf2407a型dsp芯片的can总线控制器与can物理总线的接口采用82c250驱动器芯片。82c250采用阻抗为120ω双绞线作通讯介质，信号采用差动接收和发送抗干扰能力强，最高通信速率可达1mbps。通过对82c250引脚8（rs）的不同连接，可以实现三种不同的工作方式：高速、斜率控制和待机。本系统采用斜率控制，以降低射频干扰。为了增加抗干扰能力，保护can控制器，在tms320lf2407a与82c250之间加高速光电隔离器，光电隔离器采用hp公司hcpl-2630芯片，速度为10mhz，电路如图4所示［4］。

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　　dsp的usb总线接口电路设计

　　ch375具有8位数据总线（d0～d7）、地址输入（a0）、读rd#）、写（wr#）、片选控制线（cs#）以及中断输出int#），可以方便地挂接到dsp的数据总线上。当a0为低电平时选择数据端口，dsp通过8位并口对ch375进行读写数据；为高电平时选择命令端口，可以向其写入命令，如图5为ch375构成的usb接口电路框图［5］。

　　故障检测及处理模块

　　故障信号主要包括ipm模块损坏、三相输出过电流、主电源过压及欠压、光电码盘故障、过速、位置超差等，这些故障信号经过fpga综合后送dsp处理，dsp通过usb总线传送给上位机并给出通知信息进行相关处理。

软件设计

　　系统的软件设计采用分模块设计，主要分为以下六个部分：

　　（1）直流母线电压、定子电流采样模块：该采样模块需要实现的功能是在接收到上位机启动检测命令后，进行直流母线电压、定子电流采样，并将采样的结果上传至检测系统，然后由检测系统传送给上位机。该模块包含以下几个子模块：直流母线电压采样模块、定子电流采样模块、数据上传子模块。

　　（2）can总线、usb总线传输模块：该模块包含以下几个子模块：伺服电机运行参数设置子模块、电机转速传输子模块、直流母线电压采样值传输子模块、定子电流采样值传输子模块。

　　（3）fpga逻辑处理模块：fpga主要用来实现逻辑控制。

　　（4）主要有以下几个子模块组成：ad读信号逻辑转换子模块、模拟开关逻辑转换信号、ram读取逻辑子模块、ad转换开始逻辑转换子模块、ad的busy信号逻辑转化子模块、ad选通信号逻辑转换子模块、故障信号综合子模块。

　　（5）液晶显示、触摸屏控制模块：该模块可完成电机运行参数设置、直流母线电压及定子电流采样值显示、数据处理后显示模块。

　　（6）人机界面、数据处理模块：该模块主要采用在vc++6.0软件开发平台上完成人机交互界面的设计［6］，进行电机运行参数设置、直流母线电压及定子电流采样值显示、采集的数据存储、采集的数据数字滤波、fft变换、ifft变换、谐波分析等。

　　（7）辅助功能模块：检测模块、放大倍数校正模块、ad偏差校正模块。检测模块主要包括dsp正常工作检测、供电电路检测、测量板检测。在使用测量仪时，先执行检测功能，以确保整套系统的正常工作，或者检测那个环节出现错误以便更快的找到问题，排除问题。考虑到硬件的长期使用，硬件的放大倍数和零漂会波动，这里增加了上位机放大倍数实时校正功能，以及ad偏差校正子程序。

实验结果

　　基于以上系统的设计，为了验证系统设计的正确性和有效性，在实际系统中进行了相关性能、功能测试，主要包括：调节器参数设置、故障报警测试；电机转速显示及存储；定子电流显示及存储等。

　　如图6所示为调节器参数设置、故障报警显示画面，在此画可对调节器的比例增益、积分增益进行设置，同时可显示编码器故障、过压、欠压、过电流、ipm故障等信息，绿灯表示系统运行正常，红灯显示时表示有故障，此时给出通知信息进行相关操作。

　　上图7所示为给定速度500rpm、-500rpm交替给定的伺服系统电机转速显示画面，通过设置读取的驱动器序号，可读取该驱动器的转速值并显示，1线曲线表示速度给定曲线，2线曲线表示实际采集的速度曲线，采集完成后可对电机转速值进行存储，以便进一步分析电机的运行状态。从图中可看出，伺服电机响应速度快、无超调，从而可对伺服驱动器的性能进行分析及评估。

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　　上图8所示为带额定负载时的伺服系统电机定子电流显示画面，通过设置读取的驱动器序号，可读取该驱动器的伺服电机定子电流值并显示，2线曲线表示a相电流曲线，1线表示b相电流曲线，采集完成后可对电机定子电流值进行存储，以便进行频谱分析等。

结论

　　本文设计了一种伺服驱动器检测监控系统，包括上位机控制系统和液晶屏、触摸屏控制系统，实现了电压、电流高精度、高速采样，实现了伺服驱动器故障论断、性能分析，本系统已经在实际伺服驱动器上得到了成功应用，具有良好的实时性、较高的测量精度、方便的人机交互操作界面及数据分析处理功能。

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