基于DSP的電動輪自卸車控制器的設計

1. 前言

重型電動輪自卸車是大型露天礦和水利工程的高效運輸設備。目前，分布在我國冶金、煤炭行業(yè)與大型水利建設工程的正在運行的重型電動輪自卸車約有600臺之多，其電傳動控制系統(tǒng)國內(nèi)使用企業(yè)一直依賴進口美國通用電氣公司（GE）的Statex系列單片機控制系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)插件板多，致使線路復雜，調(diào)試困難，加之電動輪的工作環(huán)境惡劣，使得該類型的車存在故障率高、檢修麻煩、備件昂貴等缺點，嚴重影響了自卸車的作業(yè)率。以往，有一些廠礦和研究所的技術研究員對該類產(chǎn)品進行分析與改造^[1,2]，但未從根本上解決問題。為此，湖南大學和湘潭電機股份有限公司聯(lián)合研制了154T電動輪自卸車微機控制與故障診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)的車載電控子系統(tǒng)以DSP為核心處理器進行開發(fā)，更新升級原單片機控制系統(tǒng)，并與原系統(tǒng)兼容，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。

2. 基于DSP的控制器硬件設計

車載控制系統(tǒng)工作在-30C ~40C環(huán)境下，控制精度≤5%，超調(diào)量σ≤5%，上升時間t_S≤3 s~5s，并要求符合IE60077牽引電力設備規(guī)則。它主要完成電動機的開關邏輯控制、電動車牽引與制動過程的發(fā)電機和電動機的自動勵磁調(diào)節(jié)以及故障信號的實時采集。

根據(jù)設計要求，控制器的核心CPU選用TMS320F2812型芯片^[3]。該款芯片是在F24X的基礎上開發(fā)的高性能定點芯片。先進的內(nèi)部和外設結(jié)構(gòu)使得該處理器特別適合電機及其他運動控制應用，能夠真正的實現(xiàn)單片控制器。F2812采用32bit操作，150MHZ的主頻。內(nèi)含16KRAM，128KFLASH，16路12位高速A/D轉(zhuǎn)換，16路PWM，52路數(shù)字I/O，4路定時器和內(nèi)置WATCHDOG。并配有專用的電機控制外設（事件管理模塊EVA、EVB），能工作在40C 到 85C的環(huán)境下。采用TMS320F2812無需外部總線擴展就能實現(xiàn)控制器的所有功能。

該控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示?？刂破鞯妮斎氩糠钟?路脈沖輸入模塊，34路開關量經(jīng)輸入光電隔離及電平轉(zhuǎn)換后送入DSP處理，14路模擬量經(jīng)通道切換、放大、濾波和快速A/D轉(zhuǎn)換后輸入。輸出有經(jīng)光電隔離及電平轉(zhuǎn)換后的28路開關量和2路PWM方式的模擬量輸出模塊。TPS1與TPS2兩路同步信號輸入到同步觸發(fā)模塊，保證了發(fā)電機和電動輪的同步工作。控制器設有2個RS485串行通訊口，可保證它與上位機（故障診斷機）進行可靠通信?？刂破鬟€帶掉電保持的實時日歷時鐘電路和64Kx8位帶掉電保持存取器FM25L256，可實時采集和保存機車運行實時數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)。

圖1 控制器硬件系統(tǒng)方框圖

3. 控制器軟件部分的設計

控制系統(tǒng)軟件具有通信、系統(tǒng)管理、控制和信息處理等功能，能實現(xiàn)系統(tǒng)的控制要求。系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)初始化、邏輯運算、牽引/制動控制和故障數(shù)據(jù)分析與處理，其主程序流圖如2所示。由于系統(tǒng)外設較多，實時性要求高，故對系統(tǒng)中移相觸發(fā)、串口通信、AD采樣與數(shù)字濾波、測速、0.5ms的定時和歷史數(shù)據(jù)保存均采用中斷方式，確保了對電動車的實時監(jiān)控。系統(tǒng)軟件調(diào)試在CCS2.0環(huán)境下進行。系統(tǒng)中除了個別初始化程序采用匯編語言編寫外，其他部分均采用標準C編寫，這有利于軟件的修改、維護和升級^[4]。系統(tǒng)程序燒錄在F2812的Flash存儲器中，運行時將全部中斷程序加載到F2812的RAM中運行。這樣可避免頻繁從慢速的Flash中取指而影響運行速度，充分發(fā)揮了F2812的性能。

圖2 主程序流程圖

上圖中，系統(tǒng)初始化主要完成整個系統(tǒng)硬件部分和參數(shù)的初始化工作。包括CPU工作初始化、 EV模塊初始化、中斷向量及中斷初始化、串口初始化、故障診斷機（PTU）整定參數(shù)初始化和AD值與實際值的比例系數(shù)初始化。它還完成反饋單元的比例系數(shù)和各個函數(shù)輸入接口參數(shù)的初始值及 PI或PID調(diào)節(jié)器參數(shù)、各特性曲線的轉(zhuǎn)折點參數(shù)和比例（斜率）系數(shù)的設置。邏輯運算是運用開關輸入量和相關模擬量，根據(jù)湘潭電機廠所提供的154T邏輯關系式計算開關輸出量和中間變量，并輸出所有開關輸出量。由傳感器送來的車速和柴油機轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)EV模塊處理后輸出兩路PWM信號。故障分析與處理部分主要是故障發(fā)生后，采集和保存故障數(shù)據(jù)，提供給上位機分析用。其主程序如下：

#include "Device.h" // DSP2812 Headerfile Include File

#include "Examples.h" // DSP2812 Examples Include File

#include "Global_Variables.h" // Global variables used in this project

#include "io.h"

#include "PulseIn.h"

extern void ReadDin(), OutDout(), LogicFunction(), InitialFramAndCalendar();

extern void WriteReadFramAndCalendar(Uint16*BuffStartAddress,Uint16DataLength,Uint16 FramAndCalendarAddress,Uint16 OperateID);

void DigitalInFilter();void Read_PIDPara_FromFRam();

extern void Read_PIDPara(),ReadDin();

Uint16 DI_Temp[5][3], DI_Counter,i;

strRxBuf SciA_RxBuf,SciB_RxBuf; strTxBuf SciA_TxBuf,SciB_TxBuf;

Uint16 SCI_Timer;Uint16 RecFlag=0xff; Uint32 ii; Uint16 KPKI[9];

void main(void)

{

InitSystem(); InitSysCtrl();

EINT; // Enable Global interrupt INTM

ERTM; // Enable Global realtime interrupt DBGM

InitialFramAndCalendar();InitPIDPara(); InitAllGlobalPara(); FaultInit(); // 參數(shù)初始化

CloseDo(DO_CNTRL);

//…… Init FRAM AND CALENDAR（略） //

for(;;)

{

if (Flag.bit.DI_FLAG==1)

{ GetInput(DI_Temp[DI_Counter++]) ;

Flag.bit.DI_FLAG=0;

}

if (DI_Counter>=5) DI_Counter=0;

DigitalInFilter(); // 讀入開關量并處理

VehicleSpeed_Switch(); //根據(jù)車速輸出開關量

LogicFunction(); //邏輯運算

OutDout(); //開關量輸出

OutPWM(); //輸出PWM脈沖

if (Flag.bit.AD_10MS==1)

{ Flag.bit.AD_10MS=0; Renew_RTPara();

RenewPidIn(); //模擬量計算、濾波，更新PID_IN，曲線計算

}

if (Flag.bit.DIGITAL_200MS==1)

{ Flag.bit.DIGITAL_200MS=0; PushRealTtimePara(); //記錄實時參數(shù)

}

if (Flag.bit.DATE==1)

{ Flag.bit.DATE=0; ReadDate();

}

FaultMain();

if(RecFlag==1) { WriteReadFramAndCalendar((SciA_TxBuf.Data[2].a),SciA_RxBuf.Data[2].a,SciA_RxBuf.Data[1].a, UpperComputerReadFramFlag); //故障分析與處理程序

for(ii=0;ii60000;ii++);

}

else if(RecFlag==0)

{ SciA_TX_Ready();

SciA_Start_Tx(); //向上位機提供故障數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)或其他參數(shù)

RecFlag=0xff;

}

} //end for

} //end main()

對電動輪自卸車的控制采用PID調(diào)節(jié)方式，主要由牽引發(fā)電機、制動發(fā)電機、牽引電動機和制動電動機4個子程序完成。根據(jù)測速傳感器測出的柴油機轉(zhuǎn)速V，計算發(fā)電機的給定功率E_POWER。由速度傳感器測出的電動車的左右輪速度V_RIGHT，V_LEFT，計算出主整流柜輸出牽引電流IF_V或制動電流IM。該程序還要判斷機車是否超速，如果超速，電動車將自動制動。由柴油機轉(zhuǎn)速V和反饋回來的主整流柜輸出電流IF，計算移相觸發(fā)角，從而控制發(fā)電機和電動機的勵磁電流，使機車性能滿足牽引曲線，見圖3（a）。由踏板電位信號、恒速下坡信號、電動車的左右輪速度及反饋回來的制動電流IM，計算出移相觸發(fā)角，從而控制發(fā)電機和電動機的勵磁電流，使機車性能滿足制動曲線，見圖3（b）。

（a）牽引恒功曲線圖

（b）制動曲線圖

圖3 中斷服務程序中，移相觸發(fā)服務程序包含發(fā)電機移相觸發(fā)、電動機移相觸發(fā)兩部分，分別由發(fā)電機勵磁回路同步脈沖TPS1、電動機勵磁回路同步脈沖TPS2的邊沿（上升沿和下降沿）觸發(fā)。觸發(fā)后，延時t（在PID調(diào)節(jié)部分根據(jù)導通角計算得到）后，發(fā)出寬度為0.5ms的觸發(fā)脈沖。串口通信服務程序負責下位機和上位機之間的數(shù)據(jù)通信，包括PTU的整定參數(shù)、實時數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和PID調(diào)節(jié)器參數(shù)等，其程序設計可參考文獻【5】。AD采樣中斷服務程序由DSP中AD模塊外設觸發(fā)中斷，啟動系統(tǒng)對14路（1路備用）模擬量的采樣。采樣數(shù)據(jù)經(jīng)0.5ms定時中斷程序觸發(fā)，每10ms對14路（每路包含8個采樣值）數(shù)據(jù)進行加權平均濾波。0.5ms定時中斷程序給各PID調(diào)節(jié)器、數(shù)字濾波、串口通信、故障分析和16幀歷史數(shù)據(jù)保存等提供時間基準。

4. 結(jié)束語

本文的創(chuàng)新點在于：根據(jù)用戶設計要求，考慮電動輪自卸車特殊的工作環(huán)境，采用了TI公司推出的專用于數(shù)字控制的TMS32F2812芯片，用一塊電路板實現(xiàn)了國外同類產(chǎn)品至少需要5塊電路板才能實現(xiàn)的全部功能，使得所開發(fā)的控制器集成度高，實時性與抗干擾能力強，適應了電動輪自卸車復雜的工作環(huán)境。

本文所設計的控制器能完成電動機的開關邏輯控制、電動車牽引與制動過程的發(fā)電機和電動機的自動勵磁調(diào)節(jié)以及故障信號的實時采集，樣機測試表明其性能優(yōu)良，可用于裝備新一代國產(chǎn)108T、154T等系列電動輪自卸車，可實現(xiàn)進口設備備件的國產(chǎn)化。

參考文獻:

[1] 肖善福、曹志誠．電動輪三型車計算機控制系統(tǒng)的剖析．礦業(yè)研究與開發(fā)，2002，4： 46-47

[2] 周建功．國產(chǎn)礦用電動輪自卸車電控系統(tǒng)的改造．工程機械，2001，8：51-52

[3] TMS320F/C28x Digital Signal Processors Data Manual. Texas Instruments Inc. Literature Number SPRS174K. 2001

[4] 劉和平、王維俊等編著．《TMS320LF240x DSP C語言開發(fā)應用》．北京航空航天大學出版社．2003

[5] 王煉紅、章兢．TMS320F2812 DSP 與PC機的串口通信設計．微計算機信息，2006，7-2：173-175