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多电机同步传动控制器设计分析 　　[摘 要]： 近年来随着传动系统的迅速发展，多电机传动已被越来越广泛地应用于各种领域，为了提高多电机传动系统的性能，以及满足一些特定系统对于多电机精确同步的要求，多电机同步控制的研究越来越受到人们的关注。本文介绍多电机同步传动的数字控制系统，提出了一种低成本的基于16位微控制器的多电机同步传动控制器设计，其核心控制算法采用数字PID运算。系统应用MC9S12DG128B和VNH3SP30芯片，结合可靠的伺服控制策略，实现了速度同步和位移同步，简化了系统的外围设备，降低了系统的功耗，提高了系统的准确性和实时性。 [关键词]： 多电机同步控制 主从式 PID 速度同步 位置同步 1、 引言 多电机同步控制技术是一门新兴的、跨学科的综合性技术，是电力电子技术、电气传动技术、信息技术、控制技术和机械技术的有机结合，它的发展与其它相关技术的发展是密切联系在一起的，在工程实际中得到了广泛的应用。 2 、控制方案 多电机同步控制的前提是单个电机的驱动，单电机控制通常采用PID算法，它是根据偏差的比例（Proportional）、积分（Integral）、微分（Derivative）的线性组合进行反馈控制，在电机控制中很常用。控制规律为： 其中： 为比例增益；为积分时间常数；为微分时间常数；为控制量；为给定量与反馈量的偏差。 多电机同步控制的关键问题是怎样保证多个伺服电机高精度同步运动。这不仅需要有合适的硬件设计，还需要采用合适的控制策略，使得各个轴有较大的动态刚度和较快的响应能力。目前同步控制策略主要有主从式、交叉耦合、同步主参考（SMR）、电子长轴（ELS）和相对耦合等。其中SMR和ELS能够扩展到多轴系统，前者简单直接、应用广泛，后者真实地模拟了机械长轴传动形式。而其它控制策略扩展到多轴系统后结构过于复杂。多电机同步控制多采用SMR和ELS两种控制策略。 我们设计的系统采用主从式同步控制策略，速度和位置同步控制采用PID算法。其体系结构见图1。 图 1 系统体系结构图 3、 硬件设计 主控芯片采用Freescale公司S12系列增强型16位微控制器MC9S12DG128B。其集成度高，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、A/D、PWM、ECT等。在电子、工业控制、中高档机电产品等领域具有广泛的用途。它采用增强型16位S12CPU，片内总线时钟频率最高可达25MHz[7]。硬件系统原理图见图2。 图2 多电机同步控制硬件系统原理图 3.1 电机驱动模块 电 机 驱 动 模 块 采 用 意 法 半 导 体 公 司 的VNH3SP30。它具有30A输出电流，最高40V工作电压，每条引脚最大通态电阻为34M？，从而降低了工作损耗，并支持最高10KHz的脉宽调制。电机驱动模块见图3。 图3 电机驱动模块电路图 3.2 电机速度和位置的测量 电机速度的测量是借助于电机自带的码盘实现的。直流伺服电机最高转速为2400r/s，码盘输出脉冲为220pulse/r。为了满足更高精度的要求，在现有硬件基础上，将码盘的A相B相信号（相位差90°）经过异或门电路，可产生二倍频信号。但是，更高倍数的倍频是没有实际物理意义，因此，选择二倍频。而对于电机位置信息的测量，我们自制一套定位传感器。 4、 软件设计 软件设计主要应用MC9S12DG128B中的ECT定时器模块的输入捕捉和脉冲累加计数功能。输入捕捉，是通过捕获自由运行计数器来监视外部事件，可以应用于信号检测、频率、脉冲宽度测量和输入计数。每个输入捕捉（Input Capture，IC）通道组由4个标准的缓冲通道IC0～IC3和4个非缓冲通道IC4～IC7组成。4个非缓冲IC通道各自具有一个捕捉寄存器，当输入引脚发生动作事件时，会将引脚电平变化那一时刻定时计数器的值捕获到相应的捕捉寄存器中。其它4个缓冲IC通道除了各自具有一个捕捉寄存器外，每个通道还有一个缓冲器称为保持寄存器，它允许在不产生中断的条件下，连续捕捉两次不同时刻的值。 脉冲累加器（PAI），可以用来记录输入引脚上发生的有效边沿事件的数量。MC9S12DG128B有4个8位脉冲累加器，它们也可以级联成2个16位的脉冲累加器。4个8位脉冲累加器对应8位保持寄存器，并且与4个缓冲IC相关联。脉冲累加器的工作时钟基于定时器，但也可以设定成独立工作方式。 4.1 速度控制 方案一：脉冲累加计数方式测速。这种控制算法，采用实时中断RTI，来产生固定周期（7.8125ms）的硬件中断，在这段时间内，记录直流电机的码盘发出的脉冲个数，以此作为测量的速度值，与期望速度进行PID调整，实现速度跟随。 试验表明，此种中断优先级高，容易对其它程序的正常运行产生干扰，但运行相对稳定，适用于电机速度较慢时的控制。 方案二：输入捕捉方式测