基于dsp的橋式吊車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于非線(xiàn)性欠驅(qū)動(dòng)機(jī)電系統(tǒng)自動(dòng)控制的技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于DSP的橋式吊車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]橋式吊車(chē)是一種比較常見(jiàn)的裝配運(yùn)輸工具，它的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括大車(chē)，小車(chē)和起升吊鉤三個(gè)部分，一般由交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在標(biāo)準(zhǔn)的起重機(jī)廠房，它們被架在較高的承重梁上，大車(chē)沿承重梁上的軌道運(yùn)動(dòng)，小車(chē)沿大車(chē)上的軌道運(yùn)動(dòng)，小車(chē)上的卷?yè)P(yáng)機(jī)能夠使吊鉤起升或下降，從而能夠?qū)⒇浳镞\(yùn)送到三維工作空間的任意位置。由于被架在高處占地空間小，工作空間大，且負(fù)載能力強(qiáng)、操作靈活，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車(chē)制造行業(yè)、冶金行業(yè)、機(jī)械行業(yè)、物流運(yùn)輸行業(yè)、航空航天領(lǐng)域和危險(xiǎn)物品自動(dòng)化吊運(yùn)等領(lǐng)域。
[0003]橋式吊車(chē)屬于典型的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)電系統(tǒng)，大車(chē)、小車(chē)的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起負(fù)載的擺動(dòng)，尤其是負(fù)載較重或體積較大時(shí)，容易與周?chē)呢浳锘蛘吖と税l(fā)生碰撞，造成貨物損壞甚至危及工人生命安全。在運(yùn)送貨物到達(dá)指定位置時(shí)吊鉤的擺動(dòng)不僅會(huì)帶來(lái)安全隱患，同時(shí)也因?yàn)樨?fù)載的擺動(dòng)使得運(yùn)送效率大大降低。目前幾乎所有的橋式吊車(chē)都靠人工操作，不僅效率低，而且容易發(fā)生誤操作，導(dǎo)致安全事故時(shí)常發(fā)生。在人工操作吊車(chē)時(shí)，不僅要求將貨物快速準(zhǔn)確的運(yùn)送到指定位置，還要有效的減小負(fù)載的擺動(dòng)，尤其要減少殘余擺動(dòng)時(shí)間，從而提高運(yùn)送貨物的速度?，F(xiàn)實(shí)工作環(huán)境中，要達(dá)到這些要求主要依靠有經(jīng)驗(yàn)的工人用眼睛來(lái)估測(cè)吊車(chē)位置，并依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)減小操作過(guò)程中負(fù)載的擺動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)吊車(chē)的“快速消擺”定位控制。這種完全依賴(lài)于人工的操作存在如下問(wèn)題:
[0004]I)運(yùn)送效率較低
[0005]2)安全系數(shù)較低，容易發(fā)生意外事故
[0006]3)吊車(chē)的定位精度不夠高，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位非常困難，因此嚴(yán)重阻礙了人工操作方式在核工業(yè)等要求較高定位精度的領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0007]鑒于以上原因，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋式吊車(chē)的自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行了廣泛深入的研究[1]]，研究結(jié)果表明，通過(guò)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)配套的軌跡規(guī)劃和高性能控制器等方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大車(chē)、小車(chē)的快速定位和對(duì)負(fù)載擺角的有效抑制。受到如今已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的機(jī)器人技術(shù)[3?5]的啟發(fā)，我們?cè)O(shè)想如果將機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)充分結(jié)合起來(lái)，一起應(yīng)用于橋式吊車(chē)系統(tǒng)，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)吊車(chē)的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，這對(duì)于解放勞動(dòng)力，提高吊車(chē)的操作安全性、準(zhǔn)確性和運(yùn)送效率具有重大意義。
[0008]DSP芯片是一種采用哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器，其程序和數(shù)據(jù)分開(kāi)存儲(chǔ)，能夠同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)。它具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，并采用指令流水技術(shù)，能夠在單周期內(nèi)完成一次乘法和一次加法，能夠快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。DSP芯片上集成了多種外設(shè)和接口，能夠滿(mǎn)足多數(shù)傳感器的接口要求，并且能夠方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、變頻器等的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的橋式吊車(chē)人工操作方式運(yùn)送效率和安全系數(shù)低，定位精度不高等問(wèn)題，將自動(dòng)控制、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)應(yīng)用于橋式吊車(chē)系統(tǒng)，使用DSP芯片作為主控芯片研制出安全高效的橋式吊車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)。
[0010]本發(fā)明致力于開(kāi)發(fā)出一套完整的硬件平臺(tái)，能夠滿(mǎn)足帶有變頻器的交流電機(jī)系統(tǒng)的控制要求，從而能夠?qū)⒃趯?shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并在半實(shí)物吊車(chē)平臺(tái)上驗(yàn)證過(guò)的控制方法應(yīng)用在吊車(chē)實(shí)物上，以便對(duì)吊車(chē)控制方法做出進(jìn)一步改進(jìn)，并應(yīng)用在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，最終能夠解放勞動(dòng)力，提高吊車(chē)的運(yùn)送效率、定位精度和安全系數(shù)。
[0011]本發(fā)明提供的基于DSP的橋式吊車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)包括DSP控制模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、兩塊信號(hào)隔離模塊、繼電器模塊、傳感器模塊以及無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊;所述傳感器模塊包括兩個(gè)點(diǎn)激光、一個(gè)慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit，IMU)和三路編碼器;如圖1所示，DSP控制模塊通過(guò)第一信號(hào)隔離模塊I連接繼電器模塊，第一信號(hào)隔離模塊I同時(shí)和傳感器模塊中的編碼器連接，DSP控制模塊同時(shí)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊連接上位機(jī)和傳感器模塊中的IMU，并與傳感器模塊中的點(diǎn)激光和第二信號(hào)隔離模塊2直接相連，第二信號(hào)隔離模塊2同時(shí)與信號(hào)發(fā)生模塊連接。
[0012]兩個(gè)點(diǎn)激光中，測(cè)量大車(chē)位置的點(diǎn)激光稱(chēng)為大車(chē)點(diǎn)激光，測(cè)量小車(chē)位置的點(diǎn)激光稱(chēng)為小車(chē)點(diǎn)激光，如圖9所示，兩個(gè)點(diǎn)激光都安裝在橋式吊車(chē)大車(chē)的一端，并搭配反光板，其中大車(chē)點(diǎn)激光的反光板固定在廠房一側(cè)的圍墻上，小車(chē)點(diǎn)激光的反光板固定在小車(chē)一側(cè)，在大車(chē)、小車(chē)所在平面建立坐標(biāo)系，以大車(chē)點(diǎn)激光打到反光板的位置為零點(diǎn)，把大車(chē)運(yùn)行軌跡所在直線(xiàn)稱(chēng)為X軸，小車(chē)運(yùn)行軌跡所在直線(xiàn)稱(chēng)為Y軸，大車(chē)、小車(chē)都在第一象限運(yùn)行且不會(huì)超過(guò)這個(gè)范圍，因此大車(chē)點(diǎn)激光到圍墻上反光板的距離為吊車(chē)X軸坐標(biāo)，即大車(chē)的位置，小車(chē)點(diǎn)激光到小車(chē)上反光板的距離為Y軸坐標(biāo)，即小車(chē)的位置;MU安裝在吊鉤上，它能夠測(cè)量吊繩的擺角信息;三路編碼器分別安裝在小車(chē)、大車(chē)和升降三個(gè)電機(jī)上，它們能夠測(cè)量三個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息。
[0013]所述電源模塊包括內(nèi)電源和外電源兩塊直流開(kāi)關(guān)電源，每塊電源均有5V、12V和24V三個(gè)端子，輸入電壓為220V，額定功率為120W;內(nèi)電源用于給DSP控制模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、兩塊信號(hào)隔離模塊、兩個(gè)點(diǎn)激光和無(wú)線(xiàn)通信模塊供電，外電源用于給繼電器模塊和兩塊信號(hào)隔離模塊供電。
[0014]由所述DSP控制模塊、信號(hào)發(fā)生模塊、兩塊信號(hào)隔離模塊和繼電器模塊組成控制電路，在控制電路中，由所述內(nèi)電源供電的部分稱(chēng)為控制電路內(nèi)電路，由所述外電源供電的部分稱(chēng)為控制電路外電路，這兩部分電路的內(nèi)部信號(hào)分別共地并與彼此電源地分開(kāi)，在所述兩塊信號(hào)隔離模塊內(nèi)部使用光耦將兩部分電源地分開(kāi)。
[0015]所述DSP控制模塊的主控芯片為DSP28335，輔助芯片為Cyclone II型號(hào)的FPGA，由內(nèi)電源12V端進(jìn)行供電，外部接口包括DSP28335自帶的7路脈沖寬度調(diào)制(pulse widthmodulat1n，PffM)波接口、3路串口 和2 路控制器局域網(wǎng)(controller area network ,CAN)接口，DSP程序包括實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)交互的通信協(xié)議程序，處理傳感器模塊數(shù)據(jù)的程序和實(shí)現(xiàn)控制算法的程序，F(xiàn)PGA程序能夠處理最多7路編碼器信號(hào)，7路限位信號(hào)，并能產(chǎn)生最多7路電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)，DSP與FPGA之間采用總線(xiàn)時(shí)鐘方式連接。
[0016]所述信號(hào)發(fā)生模塊的主控芯片為DSP2812，由內(nèi)電源5V端進(jìn)行供電，用于產(chǎn)生需要的固定頻率的PffM控制信號(hào)。
[0017]所述兩塊信號(hào)隔離模塊，第一信號(hào)隔離模塊I由內(nèi)電源5V端和外電源12V端進(jìn)行供電，第二信號(hào)隔離模塊2由內(nèi)電源5V端和外電源24V端進(jìn)行供電；兩塊信號(hào)隔離模塊分別用于對(duì)需要的PWM控制信號(hào)、電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)和限位信號(hào)進(jìn)行差分濾波和光耦隔離，并能增強(qiáng)PffM信號(hào)、電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。
[0018]所述繼電器模塊分別由外電源5V端和24V端進(jìn)行供電，5V端為控制信號(hào)輸入端，24V端為控制信號(hào)輸出端，DSP控制模塊產(chǎn)生的電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)經(jīng)過(guò)第一信號(hào)隔離模塊I后輸入繼電器模塊，用于控制24V端的常開(kāi)常閉端子的接通和斷開(kāi)，進(jìn)而通過(guò)外電源24V電壓信號(hào)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)；
[0019]所述無(wú)線(xiàn)通信模塊為低頻無(wú)線(xiàn)模塊，接口是RS232，所述傳感器模塊中的MU能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊將測(cè)量信息發(fā)送給所述DSP控制模塊，并且所述DSP控制模塊能夠利用無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)交互，能夠接收上位機(jī)的控制命令并應(yīng)答，并且將吊車(chē)的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)；
[0020]所述DSP控制模塊產(chǎn)生的PffM控制信號(hào)通過(guò)所述第一信號(hào)隔離模塊I后控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，所述DSP控制模塊產(chǎn)生的電機(jī)正反轉(zhuǎn)信號(hào)通過(guò)所述第一信號(hào)隔離模塊I和繼電器模塊后控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，所述DSP控制模塊通過(guò)所述兩塊信號(hào)隔離模塊采集需要的限位信號(hào)和編碼器信號(hào)，經(jīng)過(guò)DSP控制模塊外圍電路和FPGA程序的處理后存儲(chǔ)到相應(yīng)的DSP寄存器中；
[0021]所述硬件平臺(tái)采用的控制信號(hào)是PWM波，能夠應(yīng)用在所有使用變頻器的吊車(chē)系統(tǒng)中，并能使用不同的控制程序?qū)崿F(xiàn)不同的控制效果；
[0022]所述硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套完整的與上位機(jī)交互的通信協(xié)議，具有對(duì)意外狀況的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，能夠保證數(shù)據(jù)的正確傳輸和對(duì)吊車(chē)控制命令的及時(shí)反饋;該通信協(xié)議主要包括以下兩部分:
[0023]I)上位機(jī)主動(dòng)發(fā)給DSP控制模塊的命令，包括:位置控制命令幀，升降控制命令幀，緊急制動(dòng)命令幀和復(fù)位命令幀;其中位置控制命令和升降控制命令均使用異或校驗(yàn)以保證數(shù)