基于DSP的全數(shù)字交流位置伺服控制系統(tǒng)的研究

基于dsp的全數(shù)字交流位置伺服控制系統(tǒng)的研究 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(guò)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(kāi)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：u 0、u60、u120 、u180、u240、 o000、o111，相鄰非零矢量之間的夾角為60 0，兩個(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(guò)相鄰的基本空間矢量上的兩個(gè)矢量元素估算出來(lái)：
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(wú)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90 0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0～5 v，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(jiàn)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(lái)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