引言

　　交流伺服系統(tǒng)的電流暖释、電壓律愉、轉(zhuǎn)速及位置信息反應(yīng)了伺服系統(tǒng)的運行性能倾氮，為了深入分析交流伺服驅(qū)動器的運行狀態(tài)及各項性能指標匣酸，本文設(shè)計了一種交流伺服系統(tǒng)的檢測監(jiān)控系統(tǒng)，可通過上位機或液晶屏于抬、觸摸屏構(gòu)成的人機交互系統(tǒng)對伺服系統(tǒng)的運行參數(shù)進行設(shè)置渣冒、數(shù)據(jù)實時采集及傳輸饱粟、故障報警等。

　　數(shù)據(jù)的實時采集及實時可靠傳輸是整個系統(tǒng)核心部分之一琅瘦，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可以分為實時性數(shù)據(jù)信息和非實時性數(shù)據(jù)信息兩類掖阶。實時性數(shù)據(jù)指位置、速度乌诚、電流和實際反饋信息炮疲，這類數(shù)據(jù)的傳輸速度要求較高。而非實時性數(shù)據(jù)主要是參數(shù)設(shè)置蜒午、功能設(shè)定虎叔、診斷功能、伺服狀態(tài)與報警等截胯，對傳輸速度的要求相對較低一些［1］铺坞。rs-232串行通訊應(yīng)用廣泛，但其通信速率較低洲胖、傳輸距離短济榨、抗干擾能力差，本系統(tǒng)中采用高速绿映、可靠擒滑、分布式的can總線、usb總線叉弦。

　　本系統(tǒng)選用dsp和fpga作為控制核心丐一，ad7612作為高精度、高速采樣芯片淹冰，對四個采樣通道的直流母線電壓库车、定子三相電流采樣，選用ch375接口芯片實現(xiàn)dsp和上位機的usb總線通信榄棵，選用82c250接口芯片實現(xiàn)檢測系統(tǒng)和伺服驅(qū)動器的can總線通信凝颇，同時可通過液晶屏和觸摸屏構(gòu)成的控制系統(tǒng)完成運行參數(shù)設(shè)置、采集的數(shù)據(jù)顯示及處理等功能疹鳄。

系統(tǒng)構(gòu)成

　　全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器自動檢測監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是采集、處理和顯示直流母線電壓唠芋、定子三相電流摹钳。此外，還包括位置顯示拧淘、速度顯示疲席、故障報警、參數(shù)設(shè)置族焰、液晶顯示台古、觸摸屏控制等慨醒。

　　上位機控制系統(tǒng)可完成伺服系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)置、讀取及顯示盲赚，在測量期間阐合，所有采集數(shù)值通過can總線傳輸給檢測系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)通過usb總線傳送給上位機控制系統(tǒng)膘椿，在上位機系統(tǒng)中對采集的數(shù)值進行數(shù)值處理童隆，并實時顯示。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示笙隙。

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硬件部分設(shè)計

　　在整個測量系統(tǒng)中洪灯，采用人機交互控制，通過上位機系統(tǒng)完成對采樣系統(tǒng)的實時控制和監(jiān)視竟痰。測量系統(tǒng)中主要硬件部分為：dsp/fpga控制部分签钩，直流母線電壓檢測部分、定子電流檢測部分坏快、信號調(diào)理部分和a/d測量部分边臼、液晶顯示和觸摸屏控制部分、can總線接口部分假消、usb總線接口部分柠并。

　　dsp部分和fpga部分

　　dsp/fpga部分是監(jiān)測系統(tǒng)的核心控制部分，它主要完成對數(shù)據(jù)的分時變速率采樣控制富拗、采樣結(jié)果取優(yōu)控制等臼予。該模塊主要有三個部分組成：dsp，fpga和ram啃沪。本部分主要完成以下功能：多通道檢測板的分時控制粘拾、檢測板的多路模擬開關(guān)控制、讀取adc的轉(zhuǎn)換結(jié)果存入ram中创千、fpga邏輯控制奥债、測量信號輸入選擇控制、利用can揖姆、usb總線實時接收上位機控制系統(tǒng)的命令和實時發(fā)送采樣的直流母線電壓值窥俊、定子三相電流值、電機轉(zhuǎn)速等眼厕。

　　直流母線電壓檢測電路設(shè)計

　　當發(fā)生電網(wǎng)電壓的波動或伺服系統(tǒng)帶大慣性負載進行頻繁制動等情況時煮泪，直流母線電壓也會產(chǎn)生波動，可能造成儲能電容半就、功率模塊等的損壞酌非，從而導致伺服系統(tǒng)運行故障，為此需要實時檢測母線電壓吸自，電壓檢測方法通常有以下3種：①分壓電阻采樣叭静；②采用電壓互感器徊激；③采用磁場平衡式霍爾傳感器［2］，本系統(tǒng)采用第一種檢測方法给庶，并通過線性光耦實現(xiàn)高壓和低壓之間的電氣隔離贿汞，具有較強的抗干擾能力。

　　信號調(diào)理及檢測模塊

　　信號檢測及調(diào)理模塊主要由幾個分模塊組成惰瓜，如圖2所示：

　》窀薄（1）直流母線電壓和電流檢測模塊：該模塊的功能主要用來實現(xiàn)在系統(tǒng)運行過程中直流母線電壓和定子相電流檢測。

　∑榉弧（2）四通道信號檢測模塊：該模塊主要采用四路差分放大電路备禀，提高了檢測精度。

　∧巫帷（3）通道選擇模塊：該模塊主要通過fpga來控制四通道檢測信號是否接入ad采樣電路曲尸。

　　（4）ad采樣模塊：該模塊通過adc對輸入的雙極性信號進行檢測男翰，并且把檢測的信號通過usb總線傳送給上位機控制系統(tǒng)進行處理另患。

　　液晶顯示和觸摸屏控制部分

　　tfts6448b是專門針對分辨率為640×480的真彩屏（tft）而設(shè)計的液晶顯示控制模塊，具有8位數(shù)據(jù)總線（d0～d7）蛾绎、地址總線（a1昆箕、a0）、讀（/rd）租冠、寫（/wr）鹏倘、片選控制信號（/cs）。當對顯示數(shù)據(jù)進行讀寫時电味，首先必須指定行地址y气穴，以及列地址x，然后就可以將該行從地址x開始的數(shù)據(jù)連續(xù)進行讀寫操作晌箍，無須重新設(shè)置x和y肉敏，在顯示數(shù)據(jù)的每次讀寫操作后，列地址x都將自動加1剿恬，當?shù)刂芳拥叫形矔r索击，地址將跳到下一行的行首，當要讀寫一個新的行時词俏，必須重新設(shè)置x阿绣、y。

　　觸摸屏控制器工作過程是當有觸摸事件發(fā)生時标腮，ads7846會產(chǎn)生中斷信號，當dsp接收到中斷信號后围婴，會通過dsp的spi模塊發(fā)送相應(yīng)的控制字祈很，然后ads7846把觸摸點的電壓轉(zhuǎn)換為x坐標和y坐標再通過spi接口送回dsp昧识，dsp根據(jù)得到的坐標作相應(yīng)處理［3］。如圖3為dsp和液晶屏盗扒、觸摸屏的接口電路框圖跪楞。

　　dsp的can總線接口電路設(shè)計

　　使用can總線技術(shù)將伺服驅(qū)動和監(jiān)控系統(tǒng)連成現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控系統(tǒng)可通過can總線完成上位機對伺服系統(tǒng)運行參數(shù)設(shè)置侣灶、接收伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速等運行狀態(tài)參數(shù)甸祭，伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用tms320lf2407a片內(nèi)can控制器。

　　tms320lf2407a型dsp芯片的can總線控制器與can物理總線的接口采用82c250驅(qū)動器芯片褥影。82c250采用阻抗為120ω雙絞線作通訊介質(zhì)池户，信號采用差動接收和發(fā)送抗干擾能力強，最高通信速率可達1mbps凡怎。通過對82c250引腳8（rs）的不同連接校焦，可以實現(xiàn)三種不同的工作方式：高速、斜率控制和待機统倒。本系統(tǒng)采用斜率控制寨典，以降低射頻干擾。為了增加抗干擾能力房匆，保護can控制器耸成，在tms320lf2407a與82c250之間加高速光電隔離器，光電隔離器采用hp公司hcpl-2630芯片茬麻，速度為10mhz台泥，電路如圖4所示［4］。

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　　dsp的usb總線接口電路設(shè)計

　　ch375具有8位數(shù)據(jù)總線（d0～d7）绎探、地址輸入（a0）粉只、讀rd#）、寫（wr#）闲堆、片選控制線（cs#）以及中斷輸出int#）暇鸦，可以方便地掛接到dsp的數(shù)據(jù)總線上。當a0為低電平時選擇數(shù)據(jù)端口捍辫，dsp通過8位并口對ch375進行讀寫數(shù)據(jù)牺胎；為高電平時選擇命令端口，可以向其寫入命令沉年，如圖5為ch375構(gòu)成的usb接口電路框圖［5］暂一。

　　故障檢測及處理模塊

　　故障信號主要包括ipm模塊損壞、三相輸出過電流脾婚、主電源過壓及欠壓拐云、光電碼盤故障、過速、位置超差等叉瘩，這些故障信號經(jīng)過fpga綜合后送dsp處理膳帕，dsp通過usb總線傳送給上位機并給出通知信息進行相關(guān)處理。

軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用分模塊設(shè)計薇缅，主要分為以下六個部分：

　∥２省（1）直流母線電壓、定子電流采樣模塊：該采樣模塊需要實現(xiàn)的功能是在接收到上位機啟動檢測命令后泳桦，進行直流母線電壓汤徽、定子電流采樣，并將采樣的結(jié)果上傳至檢測系統(tǒng)灸撰，然后由檢測系統(tǒng)傳送給上位機谒府。該模塊包含以下幾個子模塊：直流母線電壓采樣模塊、定子電流采樣模塊梧奢、數(shù)據(jù)上傳子模塊狱掂。

　　（2）can總線亲轨、usb總線傳輸模塊：該模塊包含以下幾個子模塊：伺服電機運行參數(shù)設(shè)置子模塊陈伪、電機轉(zhuǎn)速傳輸子模塊、直流母線電壓采樣值傳輸子模塊熬席、定子電流采樣值傳輸子模塊泛倦。

　　（3）fpga邏輯處理模塊：fpga主要用來實現(xiàn)邏輯控制贝狈。

　∠盎贰（4）主要有以下幾個子模塊組成：ad讀信號邏輯轉(zhuǎn)換子模塊、模擬開關(guān)邏輯轉(zhuǎn)換信號芦终、ram讀取邏輯子模塊芍规、ad轉(zhuǎn)換開始邏輯轉(zhuǎn)換子模塊、ad的busy信號邏輯轉(zhuǎn)化子模塊眉堪、ad選通信號邏輯轉(zhuǎn)換子模塊翰倡、故障信號綜合子模塊。

　》疃隆（5）液晶顯示吹似、觸摸屏控制模塊：該模塊可完成電機運行參數(shù)設(shè)置、直流母線電壓及定子電流采樣值顯示抚垃、數(shù)據(jù)處理后顯示模塊喷楣。

　　（6）人機界面鹤树、數(shù)據(jù)處理模塊：該模塊主要采用在vc++6.0軟件開發(fā)平臺上完成人機交互界面的設(shè)計［6］铣焊，進行電機運行參數(shù)設(shè)置逊朽、直流母線電壓及定子電流采樣值顯示、采集的數(shù)據(jù)存儲粗截、采集的數(shù)據(jù)數(shù)字濾波惋耙、fft變換捣炬、ifft變換熊昌、諧波分析等。

　∈帷（7）輔助功能模塊：檢測模塊婿屹、放大倍數(shù)校正模塊、ad偏差校正模塊推溃。檢測模塊主要包括dsp正常工作檢測昂利、供電電路檢測、測量板檢測万窄。在使用測量儀時榕哩，先執(zhí)行檢測功能，以確保整套系統(tǒng)的正常工作付忆，或者檢測那個環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯誤以便更快的找到問題督近，排除問題∫胀耍考慮到硬件的長期使用笋途，硬件的放大倍數(shù)和零漂會波動，這里增加了上位機放大倍數(shù)實時校正功能与钳，以及ad偏差校正子程序隅凡。

實驗結(jié)果

　　基于以上系統(tǒng)的設(shè)計，為了驗證系統(tǒng)設(shè)計的正確性和有效性精柒，在實際系統(tǒng)中進行了相關(guān)性能绵捡、功能測試，主要包括：調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置探九、故障報警測試安揣；電機轉(zhuǎn)速顯示及存儲；定子電流顯示及存儲等儒鹿。

　　如圖6所示為調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置化撕、故障報警顯示畫面，在此畫可對調(diào)節(jié)器的比例增益约炎、積分增益進行設(shè)置植阴，同時可顯示編碼器故障、過壓圾浅、欠壓掠手、過電流、ipm故障等信息，綠燈表示系統(tǒng)運行正常喷鸽，紅燈顯示時表示有故障众雷，此時給出通知信息進行相關(guān)操作。

　　上圖7所示為給定速度500rpm做祝、-500rpm交替給定的伺服系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)速顯示畫面砾省，通過設(shè)置讀取的驅(qū)動器序號，可讀取該驅(qū)動器的轉(zhuǎn)速值并顯示混槐，1線曲線表示速度給定曲線编兄，2線曲線表示實際采集的速度曲線，采集完成后可對電機轉(zhuǎn)速值進行存儲韵楼，以便進一步分析電機的運行狀態(tài)淀祟。從圖中可看出，伺服電機響應(yīng)速度快决盔、無超調(diào)酌铺，從而可對伺服驅(qū)動器的性能進行分析及評估。

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　　上圖8所示為帶額定負載時的伺服系統(tǒng)電機定子電流顯示畫面酿乾，通過設(shè)置讀取的驅(qū)動器序號辕洗，可讀取該驅(qū)動器的伺服電機定子電流值并顯示，2線曲線表示a相電流曲線裆乘，1線表示b相電流曲線殴客，采集完成后可對電機定子電流值進行存儲，以便進行頻譜分析等衅逝。

結(jié)論

　　本文設(shè)計了一種伺服驅(qū)動器檢測監(jiān)控系統(tǒng)傀铃，包括上位機控制系統(tǒng)和液晶屏、觸摸屏控制系統(tǒng)忠伊，實現(xiàn)了電壓茫经、電流高精度、高速采樣萎津，實現(xiàn)了伺服驅(qū)動器故障論斷卸伞、性能分析，本系統(tǒng)已經(jīng)在實際伺服驅(qū)動器上得到了成功應(yīng)用锉屈，具有良好的實時性荤傲、較高的測量精度、方便的人機交互操作界面及數(shù)據(jù)分析處理功能颈渊。

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