基于dsp的桥式吊车自动控制系统硬件平台的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于非线性欠驱动机电系统自动控制的技术领域，特别是涉及一种基于DSP的桥式吊车自动控制系统硬件平台。
【背景技术】
[0002]桥式吊车是一种比较常见的装配运输工具，它的机械结构主要包括大车，小车和起升吊钩三个部分，一般由交流电机驱动。在标准的起重机厂房，它们被架在较高的承重梁上，大车沿承重梁上的轨道运动，小车沿大车上的轨道运动，小车上的卷扬机能够使吊钩起升或下降，从而能够将货物运送到三维工作空间的任意位置。由于被架在高处占地空间小，工作空间大，且负载能力强、操作灵活，因此被广泛应用于工业生产的各个方面。主要应用领域包括汽车制造行业、冶金行业、机械行业、物流运输行业、航空航天领域和危险物品自动化吊运等领域。
[0003]桥式吊车属于典型的欠驱动机电系统，大车、小车的运动会引起负载的摆动，尤其是负载较重或体积较大时，容易与周围的货物或者工人发生碰撞，造成货物损坏甚至危及工人生命安全。在运送货物到达指定位置时吊钩的摆动不仅会带来安全隐患，同时也因为负载的摆动使得运送效率大大降低。目前几乎所有的桥式吊车都靠人工操作，不仅效率低，而且容易发生误操作，导致安全事故时常发生。在人工操作吊车时，不仅要求将货物快速准确的运送到指定位置，还要有效的减小负载的摆动，尤其要减少残余摆动时间，从而提高运送货物的速度。现实工作环境中，要达到这些要求主要依靠有经验的工人用眼睛来估测吊车位置，并依赖经验减小操作过程中负载的摆动，进而实现对吊车的“快速消摆”定位控制。这种完全依赖于人工的操作存在如下问题:
[0004]I)运送效率较低
[0005]2)安全系数较低，容易发生意外事故
[0006]3)吊车的定位精度不够高，要实现准确定位非常困难，因此严重阻碍了人工操作方式在核工业等要求较高定位精度的领域的应用。
[0007]鉴于以上原因，国内外学者对桥式吊车的自动控制技术进行了广泛深入的研究[1]]，研究结果表明，通过设计与系统配套的轨迹规划和高性能控制器等方法，能够实现对大车、小车的快速定位和对负载摆角的有效抑制。受到如今已经被广泛应用的机器人技术[3?5]的启发，我们设想如果将机器人技术和自动控制技术充分结合起来，一起应用于桥式吊车系统，则可实现对吊车的远程自动控制，这对于解放劳动力，提高吊车的操作安全性、准确性和运送效率具有重大意义。
[0008]DSP芯片是一种采用哈佛结构的微处理器，其程序和数据分开存储，能够同时访问指令和数据。它具有专门的硬件乘法器，并采用指令流水技术，能够在单周期内完成一次乘法和一次加法，能够快速地实现各种数字信号处理算法。DSP芯片上集成了多种外设和接口，能够满足多数传感器的接口要求，并且能够方便的实现对电机、变频器等的控制。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是针对现有的桥式吊车人工操作方式运送效率和安全系数低，定位精度不高等问题，将自动控制、工业机器人等技术应用于桥式吊车系统，使用DSP芯片作为主控芯片研制出安全高效的桥式吊车自动控制系统硬件平台。
[0010]本发明致力于开发出一套完整的硬件平台，能够满足带有变频器的交流电机系统的控制要求，从而能够将在实验室设计并在半实物吊车平台上验证过的控制方法应用在吊车实物上，以便对吊车控制方法做出进一步改进，并应用在实际的工业生产中，最终能够解放劳动力，提高吊车的运送效率、定位精度和安全系数。
[0011]本发明提供的基于DSP的桥式吊车自动控制系统硬件平台包括DSP控制模块、信号发生模块、两块信号隔离模块、继电器模块、传感器模块以及无线通信模块和电源模块;所述传感器模块包括两个点激光、一个惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)和三路编码器;如图1所示，DSP控制模块通过第一信号隔离模块I连接继电器模块，第一信号隔离模块I同时和传感器模块中的编码器连接，DSP控制模块同时通过无线通信模块连接上位机和传感器模块中的IMU，并与传感器模块中的点激光和第二信号隔离模块2直接相连，第二信号隔离模块2同时与信号发生模块连接。
[0012]两个点激光中，测量大车位置的点激光称为大车点激光，测量小车位置的点激光称为小车点激光，如图9所示，两个点激光都安装在桥式吊车大车的一端，并搭配反光板，其中大车点激光的反光板固定在厂房一侧的围墙上，小车点激光的反光板固定在小车一侧，在大车、小车所在平面建立坐标系，以大车点激光打到反光板的位置为零点，把大车运行轨迹所在直线称为X轴，小车运行轨迹所在直线称为Y轴，大车、小车都在第一象限运行且不会超过这个范围，因此大车点激光到围墙上反光板的距离为吊车X轴坐标，即大车的位置，小车点激光到小车上反光板的距离为Y轴坐标，即小车的位置;MU安装在吊钩上，它能够测量吊绳的摆角信息;三路编码器分别安装在小车、大车和升降三个电机上，它们能够测量三个电机的转速信息。
[0013]所述电源模块包括内电源和外电源两块直流开关电源，每块电源均有5V、12V和24V三个端子，输入电压为220V，额定功率为120W;内电源用于给DSP控制模块、信号发生模块、两块信号隔离模块、两个点激光和无线通信模块供电，外电源用于给继电器模块和两块信号隔离模块供电。
[0014]由所述DSP控制模块、信号发生模块、两块信号隔离模块和继电器模块组成控制电路，在控制电路中，由所述内电源供电的部分称为控制电路内电路，由所述外电源供电的部分称为控制电路外电路，这两部分电路的内部信号分别共地并与彼此电源地分开，在所述两块信号隔离模块内部使用光耦将两部分电源地分开。
[0015]所述DSP控制模块的主控芯片为DSP28335，辅助芯片为Cyclone II型号的FPGA，由内电源12V端进行供电，外部接口包括DSP28335自带的7路脉冲宽度调制(pulse widthmodulat1n，PffM)波接口、3路串口 和2 路控制器局域网(controller area network ,CAN)接口，DSP程序包括实现与上位机交互的通信协议程序，处理传感器模块数据的程序和实现控制算法的程序，FPGA程序能够处理最多7路编码器信号，7路限位信号，并能产生最多7路电机正反转信号，DSP与FPGA之间采用总线时钟方式连接。
[0016]所述信号发生模块的主控芯片为DSP2812，由内电源5V端进行供电，用于产生需要的固定频率的PffM控制信号。
[0017]所述两块信号隔离模块，第一信号隔离模块I由内电源5V端和外电源12V端进行供电，第二信号隔离模块2由内电源5V端和外电源24V端进行供电；两块信号隔离模块分别用于对需要的PWM控制信号、电机正反转信号和限位信号进行差分滤波和光耦隔离，并能增强PffM信号、电机正反转信号的驱动能力。
[0018]所述继电器模块分别由外电源5V端和24V端进行供电，5V端为控制信号输入端，24V端为控制信号输出端，DSP控制模块产生的电机正反转信号经过第一信号隔离模块I后输入继电器模块，用于控制24V端的常开常闭端子的接通和断开，进而通过外电源24V电压信号控制电机正反转；
[0019]所述无线通信模块为低频无线模块，接口是RS232，所述传感器模块中的MU能够通过无线通信模块将测量信息发送给所述DSP控制模块，并且所述DSP控制模块能够利用无线通信模块实现与上位机的实时交互，能够接收上位机的控制命令并应答，并且将吊车的状态信息实时反馈给上位机；
[0020]所述DSP控制模块产生的PffM控制信号通过所述第一信号隔离模块I后控制电机转速，所述DSP控制模块产生的电机正反转信号通过所述第一信号隔离模块I和继电器模块后控制电机正反转，所述DSP控制模块通过所述两块信号隔离模块采集需要的限位信号和编码器信号，经过DSP控制模块外围电路和FPGA程序的处理后存储到相应的DSP寄存器中；
[0021]所述硬件平台采用的控制信号是PWM波，能够应用在所有使用变频器的吊车系统中，并能使用不同的控制程序实现不同的控制效果；
[0022]所述硬件平台设计了一套完整的与上位机交互的通信协议，具有对意外状况的容错设计，能够保证数据的正确传输和对吊车控制命令的及时反馈;该通信协议主要包括以下两部分:
[0023]I)上位机主动发给DSP控制模块的命令，包括:位置控制命令帧，升降控制命令帧，紧急制动命令帧和复位命令帧;其中位置控制命令和升降控制命令均使用异或校验以保证数