摘 要：文章描述了基于DSP的平網(wǎng)印花機(jī)刮印單元專用變頻器的開發(fā)，具有標(biāo)準(zhǔn)RS232C串行口和控制面板相連;具有CAN總線接口和中央控制PLC相連。能完成平網(wǎng)印花機(jī)對(duì)刮印單元所要求的全部功能。 1 引言 　　紡織印染中使用的平網(wǎng)印花機(jī)控制系統(tǒng)復(fù)雜。它的主傳動(dòng)-導(dǎo)帶的花回運(yùn)動(dòng)，其控制的位置精度要求高，常用伺服控制;它的輔助傳動(dòng)-顏色的刮印控制，其動(dòng)態(tài)性能要求高，常采用變頻調(diào)速;它的主控制器常采用可編程控制器加液晶觸摸屏人機(jī)界面。其中刮印控制采用專用變頻器，速度分十擋，刮印次數(shù)、刮印行程可以通過面板設(shè)定，具有RS-232或RS-485串行通訊功能。一種典型的作法是用8位單片機(jī)開發(fā)的功能專一的特殊變頻器，采用普通的V/F控制，其功能較少，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。例如，瑞士生產(chǎn)的BUSH-5V、7V型平網(wǎng)印花機(jī)、鄭州紡織機(jī)械廠生產(chǎn)的平網(wǎng)印花機(jī)上的刮印單元就采用這種方案。自20世紀(jì)80年代第一代DSP推向市場(chǎng)以來(lái)，處理速度和性能不斷提高，在價(jià)格上也從最初的幾百美元下降到幾美元。正是由于運(yùn)動(dòng)控制專用的DSP芯片技術(shù)日趨成熟、功能完善、價(jià)格降低，用它們開發(fā)平網(wǎng)印花機(jī)刮印單元專用變頻器不僅技術(shù)上可行，功能上提高，而且經(jīng)濟(jì)上可取。在我們的方案中采用了TI公司生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制DSP芯片TMS320LF2407，借助于該芯片不僅可以方便的完成普通V/F控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等控制策略，而且內(nèi)建有現(xiàn)場(chǎng)總線CAN控制器和串行通訊接口，使用它們可以方便完成組網(wǎng)和與面板連接，大大提高系統(tǒng)的技術(shù)檔次和性能指標(biāo)。逆變功率模塊采用三菱公司最新的第五代產(chǎn)品PS21865，可以直接與DSP接口，無(wú)須光電隔離或者變壓器隔離，電源也大為簡(jiǎn)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這樣開發(fā)的專用變頻器硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、軟件也不復(fù)雜。 2 刮印單元專用變頻器方案 　　圖1所示為平網(wǎng)印花機(jī)刮印單元專用變頻器方案簡(jiǎn)圖。之所以稱其為專用變頻器，有兩個(gè)含義：其一，與通用變頻器相比功能較少;其二，具有通用變頻器沒有的一些特殊要求。其中，主控制芯片采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407運(yùn)動(dòng)控制DSP。使用它的兩組PWM輸出中的一組（A組），不經(jīng)光電隔離直接驅(qū)動(dòng)逆變器模塊。來(lái)自光電編碼器的輸入直接送至DSP的QEP1/2端，提供所需要的速度反饋或者位置反饋信號(hào)。逆變模塊具有短路保護(hù)和控制電源欠電壓保護(hù)功能，它的故障輸出FO直接送到DSP的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷端PDPINT，其作用是使它的六路PWM輸出變成高阻態(tài)。逆變模塊的六路驅(qū)動(dòng)輸入口內(nèi)部接有2.5K的下拉電阻。采用高有效驅(qū)動(dòng)邏輯。DSP的六路PWM輸出高電平時(shí)逆變模塊相應(yīng)的開關(guān)導(dǎo)通;輸出低電平或者高阻態(tài)時(shí)，逆變模塊相應(yīng)的開關(guān)關(guān)斷。DSP通過串行口SCI與控制面板相連。使用控制面板可以設(shè)定刮印速度、刮印行程、刮印次數(shù)等，設(shè)定單機(jī)運(yùn)行還是聯(lián)機(jī)運(yùn)行，還可以單獨(dú)起停變頻器。DSP中集成的CAN控制器使變頻器具有了現(xiàn)場(chǎng)總線通訊功能，不用增加任何硬件就可以使眾多刮印單元和中央控制PLC一起構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)。 [align=center] 圖1 平網(wǎng)印花機(jī)刮印單元專用變頻器[/align] 3 逆變模塊的特點(diǎn)與保護(hù) 　　逆變模塊采用三菱的第五代IGBT集成電路，5A-30A/600V雙排直插智能功率模塊（DIP-IPM），有如下特點(diǎn)： 　?。?）集成三相逆變電路，采用平面IGBT和CSTBT（Carrier Stored Trench-gate Bipolar Transistor）技術(shù)。 　　（2）內(nèi)有電源自舉電路，僅需要15V單電源驅(qū)動(dòng)。與傳統(tǒng)使用的四路隔離驅(qū)動(dòng)電源相比，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求大為簡(jiǎn)化。 　?。?）內(nèi)建的控制電源欠壓（UV）保護(hù)和主電路短路（SC）保護(hù)功能。驅(qū)動(dòng)電源電壓低于12.5V時(shí)，自動(dòng)封鎖六路PWM驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)。 　?。?）使用集成的高壓IC（HVIC），無(wú)須光電隔離和變壓器隔離，直接和CPU接口，顯著簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜性。 　?。?）使用高有效驅(qū)動(dòng)邏輯，取消了開機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源和驅(qū)動(dòng)輸入施加先后順序的限制，使器件具有了自動(dòng)防這類故障的功能。這一點(diǎn)常常被設(shè)計(jì)人員忽視，因而也常常由于這個(gè)原因引起損壞。 　?。?）無(wú)須電平轉(zhuǎn)換，可直接與3V的CPU或DSP接口。TMS320LF2407是3.3V的DSP芯片，這個(gè)特點(diǎn)免除了它和逆變模塊接口時(shí)的很多麻煩。 4 CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)（圖2） [align=center] 圖2 平網(wǎng)印花機(jī)CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)[/align] 　　BUSH-5V平網(wǎng)印花機(jī)在中央控制器和刮印單元之間使用RS-232串行通訊，速度慢，可靠性差。因而一些關(guān)鍵性的操作仍然沿用傳統(tǒng)的方法，直接連線。BUSH-7V改用RS-485串行通訊，可靠性有了提高。在我們的方案中，使用CAN總線實(shí)現(xiàn)中央控制PLC與各刮印單元變頻器之間的串行通訊，廣播起停命令、監(jiān)控各刮印單元的工作狀況;各刮印單元之間也可以相互通訊，復(fù)制設(shè)定信息，簡(jiǎn)化刮印單元參數(shù)的重復(fù)設(shè)定。鑒于CAN的可靠性很高，所有的控制和狀態(tài)信號(hào)都通過總線發(fā)送，簡(jiǎn)化了布線，提高了實(shí)時(shí)性。 　　有關(guān)CAN總線的討論文章已經(jīng)很多，用的比較多的獨(dú)立CAN芯片是SJA1000，帶有CAN控制器的8位單片機(jī)有P8xC591等，但是TMS320LF2407中集成的CAN控制器很有特點(diǎn)。它有六個(gè)郵箱，其中有兩個(gè)發(fā)送郵箱、兩個(gè)接收郵箱、兩個(gè)發(fā)送/接收可選郵箱;每個(gè)發(fā)送郵箱有獨(dú)立的發(fā)送標(biāo)識(shí)碼，每個(gè)接收郵箱有獨(dú)立的接收驗(yàn)收碼，每?jī)蓚€(gè)接收郵箱公用一個(gè)接收屏蔽碼。這種多郵箱安排比SJA1000的相當(dāng)于只有兩個(gè)郵箱（一個(gè)接收郵箱/一個(gè)發(fā)送郵箱）來(lái)說，極大的方便了用戶構(gòu)造更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)更為靈活的通訊。也簡(jiǎn)化了通訊協(xié)議的編寫。 5 串行通訊控制面板 　　每個(gè)刮印單元專用變頻器都有一個(gè)控制面板，通過它可以設(shè)定刮印速度/刮印次數(shù)/刮印行程，可以設(shè)定聯(lián)機(jī)運(yùn)行/單機(jī)運(yùn)行，還可以單獨(dú)啟停。傳統(tǒng)的做法是簡(jiǎn)單的在控制面板上安裝相應(yīng)的按鍵，控制面板上沒有CPU，控制面板與刮印單元變頻器之間的連接線很多。我們的設(shè)計(jì)采用現(xiàn)代的作法，利用串行通訊實(shí)現(xiàn)控制面板與刮印單元變頻器的互連，如圖1所示，控制面板上有CPU（89C52）。 　　本方案中串行通訊的接口標(biāo)準(zhǔn)采用EIARS232C標(biāo)準(zhǔn)。RS232C規(guī)定了自己的電氣標(biāo)準(zhǔn)，但此標(biāo)準(zhǔn)不滿足DSP芯片電平的串行通訊要求，因此必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本方案中使用的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232能實(shí)現(xiàn)TTL/RS232雙向電平轉(zhuǎn)換，如圖3所示。同樣的道理，控制面板上也需要使用MAX232完成雙向電平轉(zhuǎn)換，將89C52串口的TTL電平變換為RS232電平。使用標(biāo)準(zhǔn)的串行接口的另一個(gè)好處是方便了刮印單元專用變頻器與PC機(jī)的串行通訊，只要編寫適當(dāng)?shù)能浖?，也可以通過PC機(jī)完成對(duì)刮印單元專用變頻器的設(shè)定和監(jiān)控，人機(jī)界面可以更人性化。這兩種方法在我們的設(shè)計(jì)中都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。 [align=center] 圖3 串行通訊電平轉(zhuǎn)換原理圖[/align] 6 結(jié)果 　　所開發(fā)的刮印單元專用變頻器可以驅(qū)動(dòng)1.5kW的異步電機(jī)，采用普通的V/F控制模式，開關(guān)頻率達(dá)5kHz。速度分十擋，相當(dāng)于輸出頻率從15Hz到80Hz;刮印行程采用光電編碼器計(jì)量，光電編碼器每轉(zhuǎn)200個(gè)脈沖;刮印次數(shù)從0到9，用戶可以任意設(shè)定。刮印單元變頻器設(shè)有RS232C標(biāo)準(zhǔn)串行口，通過此串行口與控制面板通訊。控制面板上有89C52單片機(jī)、MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片、12個(gè)按鍵、液晶顯示屏等，構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的人機(jī)界面。刮印單元專用變頻器設(shè)有現(xiàn)場(chǎng)總線CAN接口，通過此接口可以和中央控制單元PLC和其它的刮印單元變頻器通訊，組成一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的CAN控制網(wǎng)絡(luò)。中央控制單元采用貝加來(lái)的PLC，帶有CAN通訊模塊。系統(tǒng)中最多有十幾臺(tái)刮印單元，每個(gè)刮印單元負(fù)責(zé)一種顏色的刮印，由中央控制單元PLC統(tǒng)一指揮。實(shí)驗(yàn)室使用證明，刮印單元專用變頻器運(yùn)行可靠、控制自如，圖4示出了空載驅(qū)動(dòng)一個(gè)750瓦三相異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)的線電流、線電壓波形。本文所介紹的方案受陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目的資助。 [align=center] 圖4 刮印單元變頻器實(shí)驗(yàn)線電流（上）線電壓（下）波形[/align]