基于DSP的全數(shù)字交流位置伺服控制系統(tǒng)的研究-新品速遞

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趙葵銀，吳俊，崔海波（1.湖南工程學(xué)院，湖南湘潭411101；2.湘潭大學(xué)，湖南湘潭411105）

1引言伺服控制技術(shù)經(jīng)歷了交磁電機(jī)擴(kuò)大機(jī)系統(tǒng)、磁放大器控制、晶體管控制、集成電路控制、計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展過程，至今已進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)期，其主要標(biāo)志為智能功率集成電路和數(shù)字信號(hào)處理器的出現(xiàn)，使得伺服系統(tǒng)模塊化和全數(shù)字化容易實(shí)現(xiàn)，長(zhǎng)期以來建立在現(xiàn)代控制理論或其它一些復(fù)雜控制算法基礎(chǔ)上的控制原理得以快速在線計(jì)算及進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化處理。

TMS320F240是美國(guó)TI公司于1997年推出的一種適應(yīng)于工業(yè)控制，尤其適應(yīng)于電動(dòng)機(jī)控制的DSP芯片。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為哈佛結(jié)構(gòu)，它將DSP的高速運(yùn)算能力和面向電機(jī)的高效控制能力集于一體，它的高速性使復(fù)雜的控制策略得以實(shí)現(xiàn)。本文提出的基于該DSP的全數(shù)字位置伺服控制系統(tǒng)，充分利用其豐富的周邊接口，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該位置伺服系統(tǒng)具有良好動(dòng)、靜態(tài)性能，且在外界參數(shù)大范圍變化的情況下表現(xiàn)出很強(qiáng)的魯棒性。

2數(shù)字伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在實(shí)時(shí)性允許的前提下，一般來說，總是盡可能的用軟件資源代替硬件資源，以降低成本，簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的性價(jià)比。TMS320F240通過軟件可以靈活的實(shí)現(xiàn)矢量PWM輸出、速度檢測(cè)、電流檢測(cè)等功能。本文設(shè)計(jì)的基于TMS320F240的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)，如圖1所示。

圖中的虛線框內(nèi)的部分代表了TMS320F240用于全數(shù)字化伺服系統(tǒng)的控制系統(tǒng)組成?，F(xiàn)對(duì)其中主要部分的具體實(shí)現(xiàn)分析如下：

2.1空間矢量PWM形成方式

TMS320F240可工作在空間矢量PWM模式下，我們定義主電路中6個(gè)功率器件的8種開關(guān)組合為8個(gè)基本空間矢量，由TMS320F240的PWM發(fā)生電路產(chǎn)生，6個(gè)非零矢量和兩個(gè)零矢量，分別標(biāo)注為：U0、U60、U120、U180、U240、O000、O111，相鄰非零矢量之間的夾角為600，兩個(gè)零矢量位于原點(diǎn)（如圖2所示）。

用空間矢量估算電動(dòng)機(jī)電壓，在任意時(shí)刻投影的電動(dòng)機(jī)電壓矢量都落在6個(gè)區(qū)中的一個(gè)，這樣在任意時(shí)間的電動(dòng)機(jī)電壓矢量UOUT都可以通過相鄰的基本空間矢量上的兩個(gè)矢量元素估算出來：

2.2電動(dòng)機(jī)速度和方向的檢測(cè)

TMS320F240的正交編碼脈沖輸入單元(QEP)能對(duì)脈沖前后沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，即其本身能進(jìn)行4倍頻，而無需添加任何硬件，并可根據(jù)兩路脈沖的次序判別電機(jī)轉(zhuǎn)向，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件。TMS320F240內(nèi)部的4個(gè)捕獲單元腳，用軟件定義為QEP方式。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的速度傳感器（光電編碼器）輸出兩路相位相差900正交信號(hào)，會(huì)被QEP工作方式的捕獲單元檢測(cè)到這兩路信號(hào)，內(nèi)部便產(chǎn)生一個(gè)4倍頻信號(hào)時(shí)針和一個(gè)方向信號(hào)，方向信號(hào)連接在TMS320F240的內(nèi)部通用定時(shí)器的記數(shù)方向上，使計(jì)數(shù)器加或減，時(shí)針連接到計(jì)數(shù)器的輸入端，對(duì)計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值及變化速率的檢測(cè)計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。TMS320F240使用內(nèi)部通用定時(shí)器T2或T3，由軟件選擇。圖3為TMS320F240內(nèi)正交編碼器框圖。

2.3電流檢測(cè)

采用變比為1∶1000霍耳元件檢測(cè)主回路電流信號(hào)，TMS320F240內(nèi)部有兩個(gè)10位A/D轉(zhuǎn)換器，每一個(gè)可接8路模擬信號(hào)。由于TMS320F240的A/D輸入信號(hào)范圍為0～5V，先將霍耳元件輸出的小電流信號(hào)首先變換為電壓信號(hào)，再經(jīng)放大濾波后進(jìn)入DSP內(nèi)部的A/D通道進(jìn)行反饋控制。

2.4光電隔離及IPM驅(qū)動(dòng)電路

IPM門極驅(qū)動(dòng)電路見圖4，它實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP的6路PWM輸出信號(hào)與IPM的光電隔離，并實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和電平轉(zhuǎn)換功能。光耦采用6N137，這是一種快速光耦，三極N為9014，供電電壓為15V，該三極管將來自光耦的TTL電平轉(zhuǎn)換為IPM的控制極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.5保護(hù)功能

為保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路安全可靠的工作，TMS320X240還提供了PDPINT輸入信號(hào)，利用它可方便地實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的各種保護(hù)功能。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖5所示。

各種故障信號(hào)由CD4078綜合后，經(jīng)光電隔離輸入到PDPINT引腳。有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)4078輸出低電平，PDPINT引腳也被拉為低電平，此時(shí)DSP內(nèi)定時(shí)器立即停止計(jì)數(shù)，所有PWM輸出管腳全部呈高阻狀態(tài)，同時(shí)產(chǎn)生中斷信號(hào)，通知CPU有異常情況發(fā)生。整個(gè)過程不需要程序干預(yù)，全部自動(dòng)完成，這對(duì)實(shí)現(xiàn)各種故障狀態(tài)的快速處理非常有用。

2.6系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊系統(tǒng)中用SCI接口完成與上位機(jī)的通訊功能，采用RS-232通信，波特率達(dá)19.2kbps，通過上位機(jī)可以給定位置量，同時(shí)控制過程中電機(jī)的速度、電流、位置反饋量等參數(shù)也可以實(shí)時(shí)地送上位機(jī)顯示；SPI接口完成串行驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示的功能，通過數(shù)字I/O擴(kuò)展的鍵盤也可以設(shè)定位置給定量，由數(shù)碼管顯示；程序可直接固化在片內(nèi)的ROM或FLASHEEPROM中，并由看門狗和實(shí)時(shí)中斷定時(shí)器完成程序走飛后的系統(tǒng)復(fù)位。3結(jié)束語采用TMS320F240芯片為設(shè)計(jì)的數(shù)字伺服系統(tǒng)，很好地解決了伺服系統(tǒng)中PWM信號(hào)的生成、電機(jī)速度反饋大小及電動(dòng)機(jī)電流反饋問題，能方便實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，系統(tǒng)硬件得到了極大的簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)的可靠性，減小了伺服系統(tǒng)的體積，降低了成本。TMS320F240先進(jìn)的內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)及指令執(zhí)行的高速性，極大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和控制精度，使得一些復(fù)雜的算法得以實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn):

[1].TMS320F240datasheet/datasheet/TMS320F2