摘要：在分析工業(yè)生產(chǎn)中多單元同步傳動特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了同步傳動控制器的原理。以往同步控制器大都是基于或PC的，限制了先進(jìn)算法的使用，PC成本較高，針對這種情況，采用ARM核芯片作為核心微處理器，并根據(jù)控制要求擴(kuò)展外圍電路，給出了系統(tǒng)的硬件原理圖、控制方法及基于uClinux的主要硬件的驅(qū)動程序。該控制器可對機(jī)臺的車速在線調(diào)整。

關(guān)鍵詞：同步傳動；交流電機(jī)；微處理器；操作系統(tǒng)

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)的很多行業(yè)，諸如紡織、造紙、印染等都要求進(jìn)行多個單元的同步控制，保持張力的恒定，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量。隨著交流調(diào)速技術(shù)的日趨成熟，以及交流的結(jié)構(gòu)、性價比、維護(hù)等方面都優(yōu)于直流，本同步控制器主傳動部分采用交流異步電機(jī)變頻調(diào)速。以往大多進(jìn)行一些簡單的控制，系統(tǒng)大多在循環(huán)加中斷的方式下工作，而隨著32位CPU 的出現(xiàn)(如ARM)，嵌入式系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的控制，進(jìn)行多任務(wù)的處理，極大提升了效率。當(dāng)然這一切還需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持。嵌入式在市場中逐漸贏得了眾多用戶的青睞，因此，控制部分采用ARM核微處理器，移植uClinux操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。

2 系統(tǒng)工作原理

微機(jī)同步控制器要控制各單元的線速度相等，即V4 ＝V3＝V2＝V1，電氣控制示意圖如圖1所示。M1 ～M4為交流異步電機(jī)，～I(xiàn)NV4為通用型。整條生產(chǎn)線上的被加工物的張力控制被分割成兩段，因而設(shè)計(jì)兩個張力控制環(huán)來控制整條線的生產(chǎn)張力。

圖1電氣控制示意圖

第一個張力控制環(huán)主要由松勁架、測速電機(jī)TG、電機(jī)M1、電機(jī)M2和組成。當(dāng)該段張力太小時，松勁架將張力值反饋給控制器，控制器運(yùn)算處理后自動增加電機(jī)M1的給定電壓，從而使電機(jī)M1轉(zhuǎn)速增加，該段張力增加。反之，當(dāng)張力過大時，控制器減小電機(jī)M1的給定電壓，從而使電機(jī)M1轉(zhuǎn)速下降，被加工物所受張力減小。另一個張力控制環(huán)主要由松勁架、測速電機(jī)TG、電機(jī)M3、電機(jī)M4和組成，其工作原理與第一個張力控制環(huán)相同。通過這兩個張力控制環(huán)可以任意控制兩端的工作張力。生產(chǎn)過程中，使兩個控制環(huán)張力給定值一致，兩個主令電機(jī)M2、M3速度給定值一致，從而實(shí)現(xiàn)四個單元的恒張力同步控制。

3 硬件組成

同步控制器核心部件由處理器及其外圍器件組成。主要包括：16M的；2M的；顯示器及4×4鍵盤，用于設(shè)定控制器參數(shù)及顯示過程參數(shù)；8255芯片用于輸入開、停車信號，輸出報警、指示等量信號；A/D轉(zhuǎn)換芯片用于采集測速發(fā)電機(jī)和松勁架的反饋信號；D/A轉(zhuǎn)換芯片用于輸出給定信號；實(shí)現(xiàn)的3.3V信號電平與外圍5V信號電平之間的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)硬件框圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

S3C4510B是一款高性價比的16／32位微控制器，內(nèi)含一個16／32位 處理器核，內(nèi)部集成有以太網(wǎng)控制器，可移植uC、uCOS Ⅱ等操作系統(tǒng)。

為4通道12位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其內(nèi)部自帶2.5V參考電源，采樣速率可達(dá)133KSPS，電壓范圍為2.7V至3.6V，串行接口兼容于SPI/QSPI和Microwire同步串行標(biāo)準(zhǔn)，允許將4個通道編程為單極性/雙極性和差動/單端工作。

為電壓輸出的12位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。+3.3V單電源供電，可與+5V邏輯電平直接相連，串行接口兼容于SPI/QSPI和Microwire同步串行標(biāo)準(zhǔn)?？烧{(diào)的精密輸出允許增益設(shè)置。

此處用S3C4510B的通用I/O口模擬同步串口，實(shí)現(xiàn)SPI總線通信，多片和都掛接在該SPI總線上，從而使硬件連接簡單方便。采用產(chǎn)生1.25V參考電壓。D/A和A/D轉(zhuǎn)換的部分連接圖見圖3。

圖3 MAX1246和MAX5353與S3C4510B的連接

4 軟件設(shè)計(jì)

4．1 控制方法

在實(shí)際生產(chǎn)中，生產(chǎn)速度的變化會立即影響到當(dāng)前時刻的張力測量值，速度變化時，可能會出現(xiàn)因張力失控或張力變化過大而使被加工物變形、斷裂等現(xiàn)象?？紤]到這種情況，對該同步控制系統(tǒng)中每個閉環(huán)所采用的增量式PID算法改進(jìn)如下：

⑴ 當(dāng)速度的給定值保持不變時，按帶有防積分截?cái)嗾`差的增量式PID控制算法控制各自的張力和速度。

⑵ 當(dāng)速度的給定值改變，且變化量△V≤△Vmax時，則相應(yīng)地在張力控制的輸出U上，增加一個提前量K△V，即：

式中Ut為當(dāng)前的輸出量，Ut-1為上一次的輸出量，△U為PID求得的增量，K為比例系數(shù)，△V為速度給定值的變化量，△Vmax為允許最大的速度變化量。

⑶ 當(dāng)速度的給定值變化很大時，由微機(jī)分步輸出，設(shè)△V<M△Vmax (M為正整數(shù))。取△V’=△V／M<△Vmax，則需M步才能把速度從V升到V+△V，故速度的給定值每步增加△V’，其張力的輸出量為:

輸出的電機(jī)控制信號Uk1跟隨Uk2，Uk4跟隨Uk3變化。

4．2 驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

操作系統(tǒng)的作用之一就是向用戶隱藏硬件設(shè)備的特殊性，使應(yīng)用程序的開發(fā)與底層物理設(shè)備無關(guān)。設(shè)備驅(qū)動程序是連接應(yīng)用程序和具體物理設(shè)備的橋梁。在uClinux中MAX1246和MAX5353屬于字符型設(shè)備。

在uClinux中每個設(shè)備都被看成是一個文件，通過File_operations結(jié)構(gòu)體記錄了每一種設(shè)備具體操作函數(shù)的函數(shù)指針，以便在具體調(diào)用中轉(zhuǎn)入到實(shí)際操作的函數(shù)中。在這個結(jié)構(gòu)體中，定義了各類操作函數(shù)的類型和入口參數(shù)，常用的操作函數(shù)有、、、write、等。并不是所有的接口函數(shù)都需要在驅(qū)動程序中實(shí)現(xiàn)，對于設(shè)備不支持的操作，可以將對應(yīng)的設(shè)備接口函數(shù)指針置為空。

模塊初始化函數(shù)_( )是每個內(nèi)核模塊加載的時候首先調(diào)用的一個默認(rèn)函數(shù)。一般在該函數(shù)中完成設(shè)備的注冊，當(dāng)模塊加載完畢之后，內(nèi)核即知曉設(shè)備的存在。模塊卸載函數(shù)_exit( )與_( )做相反的工作，在內(nèi)核中取消設(shè)備的登記。該函數(shù)在模塊卸載的時候自動調(diào)用。

對MAX5353和MAX1246各開發(fā)了一個驅(qū)動程序，其結(jié)構(gòu)體分別聲明如下。

static struct file_operations _fops={

: _,

: _,

llseek: max5353_, };

static struct file_operations _fops={

open: _open,

release: _release,

llseek: max1246_, };

模塊初始化函數(shù)module_( )主要通過調(diào)用int register_chrdev(unsigned int , *,struct file_operations*fops)完成設(shè)備的注冊，例如：

int retv=register_chrdev(,max5353_,&max5353_fops);

int retv=register_chrdev(,max1246_,&max1246_fops);

模塊卸載函數(shù)module_exit( )主要通過調(diào)用int unregister_chrdev(unsigned int major, *name)取消對設(shè)備的注冊，例如：

int retv=unregister_chrdev(major,max5353_name);

int retv=unregister_chrdev(major,max1246_name);

MAX5353的控制操作函數(shù)如下，其中arg參數(shù)為需要D/A轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)值，cmd參數(shù)用于選擇4路D/A輸出通道，send_data(arg,cs_ctrl)函數(shù)實(shí)現(xiàn)S3C4510B與MAX5353通信的時序關(guān)系。

static int max5353_ioctl(struct inode *inode, struct file *file,

unsigned int cmd, unsigned long arg)

{ int cs_ctrl;

switch (cmd)

{case MAX5353_CH0:

cs_ctrl=0xfb; //CH0:片選cs=0

send_data(arg,cs_ctrl);

break;

case MAX5353_CH1:

cs_ctrl=0xfd; //CH1: 片選cs=0

send_data(arg,cs_ctrl);

break;

…… }

return 0; }

運(yùn)行于uClinux上的應(yīng)用程序需要調(diào)用第0路D/A輸出時，調(diào)用ioctl(fd, MAX5353_CH0, value)函數(shù)即可，其中fd參數(shù)為設(shè)備文件句柄，MAX5353_CH0參數(shù)表示選擇第0路通道，value參數(shù)為要D/A轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)值。通道的應(yīng)用與此類似。

MAX1246的控制操作函數(shù)如下，其中cmd參數(shù)用于4路A/D輸入通道的選擇，adcadc(adctrl)函數(shù)實(shí)現(xiàn)S3C4510B與MAX1246通信的時序關(guān)系并返回A/D采樣值。

static int max1246_ioctl(struct inode *inode, struct file *file,

unsigned int cmd, unsigned long arg)

{ int adctrl,addat=0;

switch (cmd)

{ case MAX1246_CH0:

adctrl=0x9e;

addat=adcadc(adctrl);

break;

case MAX1246_CH1:

adctrl=0xde;

addat=adcadc(adctrl);

break;

…… }

return addat; }

運(yùn)行于uClinux上的應(yīng)用程序需要調(diào)用第0路A/D采樣時，利用value=ioctl(fd, MAX1246_CH0, 0)語句即可實(shí)現(xiàn)，其中fd參數(shù)為設(shè)備文件句柄，MAX1246_CH0參數(shù)表示選擇第0路通道，value變量為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。通道的應(yīng)用與此類似。

5 結(jié)論

通過給S3C4510B擴(kuò)展A/D、D/A等外圍部件，增強(qiáng)了其在控制領(lǐng)域的適應(yīng)性，該擴(kuò)展方法對其它ARM芯片的功能擴(kuò)展也具有一定的參考價值。實(shí)踐證明，該同步控制器具有良好的抗干擾能力和控制精度，同步能力強(qiáng)，運(yùn)行可靠。利用其工業(yè)以太網(wǎng)接口，可實(shí)現(xiàn)多個控制器的互連，以及與計(jì)算機(jī)的互連，從而實(shí)現(xiàn)多單元的網(wǎng)絡(luò)化同步控制，具有廣泛應(yīng)用前景。采用先進(jìn)的32位ARM核微處理器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī)，控制器的處理速度大幅度提高，能夠適用于復(fù)雜控制算法的運(yùn)算，有效增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的實(shí)時性，控制精度明顯提高，且較以往PC控制系統(tǒng)降低了成本。在S3C4510B處理器上移植了嵌入式操作系統(tǒng)uClinux，使控制器能夠支持多任務(wù)操作，并且使開發(fā)過程更方便。為外圍硬件編寫了uClinux下的驅(qū)動程序，使應(yīng)用程序的開發(fā)更為簡便，通用性更好，且便于控制器應(yīng)用程序的改進(jìn)升級。S3C4510B芯片上集成有以太網(wǎng)控制器，在操作系統(tǒng)uClinux的支持下，可實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制。