基于交流伺服驱动的检测监控系统设计.doc

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。

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