基于dsp的橋式吊車自動控制系統(tǒng)硬件平臺的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于非線性欠驅(qū)動機電系統(tǒng)自動控制的技術領域，特別是涉及一種基于DSP的橋式吊車自動控制系統(tǒng)硬件平臺。
【背景技術】
[0002]橋式吊車是一種比較常見的裝配運輸工具，它的機械結(jié)構(gòu)主要包括大車，小車和起升吊鉤三個部分，一般由交流電機驅(qū)動。在標準的起重機廠房，它們被架在較高的承重梁上，大車沿承重梁上的軌道運動，小車沿大車上的軌道運動，小車上的卷揚機能夠使吊鉤起升或下降，從而能夠?qū)⒇浳镞\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，且負載能力強、操作靈活，因此被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)的各個方面。主要應用領域包括汽車制造行業(yè)、冶金行業(yè)、機械行業(yè)、物流運輸行業(yè)、航空航天領域和危險物品自動化吊運等領域。
[0003]橋式吊車屬于典型的欠驅(qū)動機電系統(tǒng)，大車、小車的運動會引起負載的擺動，尤其是負載較重或體積較大時，容易與周圍的貨物或者工人發(fā)生碰撞，造成貨物損壞甚至危及工人生命安全。在運送貨物到達指定位置時吊鉤的擺動不僅會帶來安全隱患，同時也因為負載的擺動使得運送效率大大降低。目前幾乎所有的橋式吊車都靠人工操作，不僅效率低，而且容易發(fā)生誤操作，導致安全事故時常發(fā)生。在人工操作吊車時，不僅要求將貨物快速準確的運送到指定位置，還要有效的減小負載的擺動，尤其要減少殘余擺動時間，從而提高運送貨物的速度。現(xiàn)實工作環(huán)境中，要達到這些要求主要依靠有經(jīng)驗的工人用眼睛來估測吊車位置，并依賴經(jīng)驗減小操作過程中負載的擺動，進而實現(xiàn)對吊車的“快速消擺”定位控制。這種完全依賴于人工的操作存在如下問題:
[0004]I)運送效率較低
[0005]2)安全系數(shù)較低，容易發(fā)生意外事故
[0006]3)吊車的定位精度不夠高，要實現(xiàn)準確定位非常困難，因此嚴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域的應用。
[0007]鑒于以上原因，國內(nèi)外學者對橋式吊車的自動控制技術進行了廣泛深入的研究[1]]，研究結(jié)果表明，通過設計與系統(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)對大車、小車的快速定位和對負載擺角的有效抑制。受到如今已經(jīng)被廣泛應用的機器人技術[3?5]的啟發(fā)，我們設想如果將機器人技術和自動控制技術充分結(jié)合起來，一起應用于橋式吊車系統(tǒng)，則可實現(xiàn)對吊車的遠程自動控制，這對于解放勞動力，提高吊車的操作安全性、準確性和運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)分開存儲，能夠同時訪問指令和數(shù)據(jù)。它具有專門的硬件乘法器，并采用指令流水技術，能夠在單周期內(nèi)完成一次乘法和一次加法，能夠快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。DSP芯片上集成了多種外設和接口，能夠滿足多數(shù)傳感器的接口要求，并且能夠方便的實現(xiàn)對電機、變頻器等的控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的橋式吊車人工操作方式運送效率和安全系數(shù)低，定位精度不高等問題，將自動控制、工業(yè)機器人等技術應用于橋式吊車系統(tǒng)，使用DSP芯片作為主控芯片研制出安全高效的橋式吊車自動控制系統(tǒng)硬件平臺。
[0010]本發(fā)明致力于開發(fā)出一套完整的硬件平臺，能夠滿足帶有變頻器的交流電機系統(tǒng)的控制要求，從而能夠?qū)⒃趯嶒炇以O計并在半實物吊車平臺上驗證過的控制方法應用在吊車實物上，以便對吊車控制方法做出進一步改進，并應用在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，最終能夠解放勞動力，提高吊車的運送效率、定位精度和安全系數(shù)。
[0011]本發(fā)明提供的基于DSP的橋式吊車自動控制系統(tǒng)硬件平臺包括DSP控制模塊、信號發(fā)生模塊、兩塊信號隔離模塊、繼電器模塊、傳感器模塊以及無線通信模塊和電源模塊;所述傳感器模塊包括兩個點激光、一個慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)和三路編碼器;如圖1所示，DSP控制模塊通過第一信號隔離模塊I連接繼電器模塊，第一信號隔離模塊I同時和傳感器模塊中的編碼器連接，DSP控制模塊同時通過無線通信模塊連接上位機和傳感器模塊中的IMU，并與傳感器模塊中的點激光和第二信號隔離模塊2直接相連，第二信號隔離模塊2同時與信號發(fā)生模塊連接。
[0012]兩個點激光中，測量大車位置的點激光稱為大車點激光，測量小車位置的點激光稱為小車點激光，如圖9所示，兩個點激光都安裝在橋式吊車大車的一端，并搭配反光板，其中大車點激光的反光板固定在廠房一側(cè)的圍墻上，小車點激光的反光板固定在小車一側(cè)，在大車、小車所在平面建立坐標系，以大車點激光打到反光板的位置為零點，把大車運行軌跡所在直線稱為X軸，小車運行軌跡所在直線稱為Y軸，大車、小車都在第一象限運行且不會超過這個范圍，因此大車點激光到圍墻上反光板的距離為吊車X軸坐標，即大車的位置，小車點激光到小車上反光板的距離為Y軸坐標，即小車的位置;MU安裝在吊鉤上，它能夠測量吊繩的擺角信息;三路編碼器分別安裝在小車、大車和升降三個電機上，它們能夠測量三個電機的轉(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關電源，每塊電源均有5V、12V和24V三個端子，輸入電壓為220V，額定功率為120W;內(nèi)電源用于給DSP控制模塊、信號發(fā)生模塊、兩塊信號隔離模塊、兩個點激光和無線通信模塊供電，外電源用于給繼電器模塊和兩塊信號隔離模塊供電。
[0014]由所述DSP控制模塊、信號發(fā)生模塊、兩塊信號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)電源供電的部分稱為控制電路內(nèi)電路，由所述外電源供電的部分稱為控制電路外電路，這兩部分電路的內(nèi)部信號分別共地并與彼此電源地分開，在所述兩塊信號隔離模塊內(nèi)部使用光耦將兩部分電源地分開。
[0015]所述DSP控制模塊的主控芯片為DSP28335，輔助芯片為Cyclone II型號的FPGA，由內(nèi)電源12V端進行供電，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程序包括實現(xiàn)與上位機交互的通信協(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，7路限位信號，并能產(chǎn)生最多7路電機正反轉(zhuǎn)信號，DSP與FPGA之間采用總線時鐘方式連接。
[0016]所述信號發(fā)生模塊的主控芯片為DSP2812，由內(nèi)電源5V端進行供電，用于產(chǎn)生需要的固定頻率的PffM控制信號。
[0017]所述兩塊信號隔離模塊，第一信號隔離模塊I由內(nèi)電源5V端和外電源12V端進行供電，第二信號隔離模塊2由內(nèi)電源5V端和外電源24V端進行供電；兩塊信號隔離模塊分別用于對需要的PWM控制信號、電機正反轉(zhuǎn)信號和限位信號進行差分濾波和光耦隔離，并能增強PffM信號、電機正反轉(zhuǎn)信號的驅(qū)動能力。
[0018]所述繼電器模塊分別由外電源5V端和24V端進行供電，5V端為控制信號輸入端，24V端為控制信號輸出端，DSP控制模塊產(chǎn)生的電機正反轉(zhuǎn)信號經(jīng)過第一信號隔離模塊I后輸入繼電器模塊，用于控制24V端的常開常閉端子的接通和斷開，進而通過外電源24V電壓信號控制電機正反轉(zhuǎn)；
[0019]所述無線通信模塊為低頻無線模塊，接口是RS232，所述傳感器模塊中的MU能夠通過無線通信模塊將測量信息發(fā)送給所述DSP控制模塊，并且所述DSP控制模塊能夠利用無線通信模塊實現(xiàn)與上位機的實時交互，能夠接收上位機的控制命令并應答，并且將吊車的狀態(tài)信息實時反饋給上位機；
[0020]所述DSP控制模塊產(chǎn)生的PffM控制信號通過所述第一信號隔離模塊I后控制電機轉(zhuǎn)速，所述DSP控制模塊產(chǎn)生的電機正反轉(zhuǎn)信號通過所述第一信號隔離模塊I和繼電器模塊后控制電機正反轉(zhuǎn)，所述DSP控制模塊通過所述兩塊信號隔離模塊采集需要的限位信號和編碼器信號，經(jīng)過DSP控制模塊外圍電路和FPGA程序的處理后存儲到相應的DSP寄存器中；
[0021]所述硬件平臺采用的控制信號是PWM波，能夠應用在所有使用變頻器的吊車系統(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]所述硬件平臺設計了一套完整的與上位機交互的通信協(xié)議，具有對意外狀況的容錯設計，能夠保證數(shù)據(jù)的正確傳輸和對吊車控制命令的及時反饋;該通信協(xié)議主要包括以下兩部分:
[0023]I)上位機主動發(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，緊急制動命令幀和復位命令幀;其中位置控制命令和升降控制命令均使用異或校驗以保證數(shù)