高精度直流伺服控制系統(tǒng)研究

摘要：為提高伺服系統(tǒng)中無刷直流電機(jī)的控制效果，通過運(yùn)用TMS320LF2407芯片建立了直流伺服全數(shù)字三閉環(huán)控制系統(tǒng)，很好的解決了伺服系統(tǒng)中PWM信號的生成、電動機(jī)速度反饋和電流反饋問題，并對其中的轉(zhuǎn)子位置信號檢測電路、相電流檢測電路、驅(qū)動電路以及保護(hù)電路等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并給出了相應(yīng)的硬件電路設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：DSP；伺服系統(tǒng)；無刷直流電機(jī)；PWM信號

中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)31-0985-02

Research on Control System of High Precision DC Servo

CHENG Hai-xia1， YANG Feng2

(1.School of Information and Communication Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， CHina; 2.School of Information and Communication Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， CHina)

Abstract: The control system of DC servo digital three closed loop was founded on using TMS320LF2407A for improving digital servo system control result， providing a good solution for PWM signal generation， motor speed feedback and electromotor current feedback in servo system. And rotor position measure circuit， phase current measure circuit， driver circuit and safeguard circuit are given more description， and the corresponding hardware circuit is described.

Key words: DSP; servo system; brushless DC motor; PWM signal

1 引言

在伺服系統(tǒng)中，無刷直流電機(jī)兼有交流異步電機(jī)簡單、可靠、便于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)和有刷直流電機(jī)調(diào)速性好、效率高的優(yōu)點(diǎn)，在電氣傳動的各個領(lǐng)域得都到了廣泛的應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和各種新型永磁材料的發(fā)展，直流無刷電機(jī)的制造和控制技術(shù)也趨于成熟，為許多高性能伺服系統(tǒng)提供了一種全新的執(zhí)行元件，無刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為應(yīng)用研究的重點(diǎn)。

TI公司的TMS320LF2407數(shù)字信號處理器(DSP)，具有高速信號處理和數(shù)字功能所必須的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。本文介紹以TI公司電機(jī)專用芯片TMS320LF2407為核心的全數(shù)字永磁無刷直流電機(jī)伺服系統(tǒng)控制方案及硬件最小實(shí)現(xiàn)。

2 控制原理

無刷直流電機(jī)的本體是一個永磁同步電機(jī)，定子三相繞組通過交流方波，轉(zhuǎn)子為永磁體。勵磁由轉(zhuǎn)子的永磁體提供，定子的三相繞組中的交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。電樞磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢共同作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。其運(yùn)行原理是在一個具有恒定磁通密度分布的磁極下，保證電樞繞組中通過的電流總量恒定以產(chǎn)生恒定轉(zhuǎn)矩，而且轉(zhuǎn)矩只與電樞電流的大小有關(guān)。由于轉(zhuǎn)子的氣隙磁通為梯型波，由電機(jī)學(xué)原理可知，電樞的感應(yīng)電動勢亦為梯形波，大小與轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)速成正比。BLDC電機(jī)三相電樞繞組的每相電流為120o通電型的交流方波，反電動勢為120o梯形波。只要控制好逆變器各橋臂功率器件的開關(guān)時刻就能滿足上述要求。BLDC三相繞組主回路基本類型有三相半控和三相全控2種。在此采用三相全控式電路，如圖1所示。

3 控制方案設(shè)計(jì)

在本控制方案中，主要是介紹三相Y連接永磁方波無刷電機(jī)PWM控制方案，通電方式采用兩兩導(dǎo)通方式。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵就是通過三閉環(huán)(即位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán))結(jié)構(gòu)最終實(shí)現(xiàn)位置的伺服控制。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，位置環(huán)在最外面(稱作外環(huán))，是本系統(tǒng)的主環(huán)，電流調(diào)節(jié)環(huán)和速度調(diào)節(jié)環(huán)在里面(稱作內(nèi)環(huán))，兩者都是為位置環(huán)而服務(wù)。電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，位置調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)器。以TMS320LF2407A微控制器為控制核心，以功率MOSFET管構(gòu)成逆變器。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制電路主要由功率驅(qū)動、三相逆變和DSP（TMS320LF2407A）單元組成，當(dāng)然還包括檢測電路和必要的保護(hù)電路。本系統(tǒng)采用PWM方式實(shí)現(xiàn)對無刷直流伺服電機(jī)的控制。交流輸入經(jīng)過整流、穩(wěn)壓并為逆變電路提供直流電源。驅(qū)動部分采用國際整流器公司的IR2136S驅(qū)動模塊，位置給定由無刷直流電機(jī)自帶的霍爾元件給出，并由LF2407A的CAP端進(jìn)行捕捉定位。轉(zhuǎn)速及其方向給定由光電編碼器形成正交編碼信號，由LF2407A的QEP端進(jìn)行速度與轉(zhuǎn)向的鑒定。根據(jù)給定的速度信號，DSP產(chǎn)生一定的PWM波。通過調(diào)整PWM波的占空比來控制功率管的開關(guān)時間，實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的控制。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

4.1 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，電機(jī)控制的驅(qū)動器采用的是IR（國際整流器）公司專門為三相橋式驅(qū)動設(shè)計(jì)的IR2136S芯片，IR2136S是大功率MOSFET和IGBT專用驅(qū)動集成電路。IR2136S芯片可同時控制六個大功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷順序，通過輸出HO1、HO2、HO3分別控制三相全橋驅(qū)動電路的上半橋Q1、Q3、Q5的導(dǎo)通關(guān)斷，輸出LO1、LO2、LO3分別控制三相全橋驅(qū)動電路的下半橋Q2、Q4、Q6的導(dǎo)通關(guān)斷，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)的目的。

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圖3 驅(qū)動電路圖

4.2 電流檢測電路設(shè)計(jì)

在該控制系統(tǒng)中，為了得到快速的起動性能，以及對主電路的電流監(jiān)控，需要加入對主電路的電流信號采樣反饋電路。而磁場平衡式霍爾電流傳感器模塊把互感器、磁路放大器、霍爾元件和電子線路集成在一起，具有測量、反饋、保護(hù)三種功能。這種霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于：測量精度高、線性度好、多量程、相應(yīng)時間快、優(yōu)良的溫度特性、穩(wěn)定性、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等。此種霍爾電流傳感器的轉(zhuǎn)換率為1:1000，過檢測電阻的電流i是被測實(shí)際電流的1/1000。電流檢測信號一是用來反饋給DSP做電流PWM控制；二是用來實(shí)現(xiàn)過留保護(hù)功能。具體電路如圖4所示。

4.3 位置信號檢測電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)方案中，位置檢測環(huán)節(jié)采用了3個位置間隔120o分布的霍爾傳感器，由霍爾器件所輸出的轉(zhuǎn)子位置信號送到功率變換電路后，直接送至TMS320LF2407A的捕獲單元進(jìn)行處理，每個霍爾傳感器的輸出與捕獲單元的一個輸入引腳相連。通過產(chǎn)生捕捉中斷來給出換相時刻，同時給出位置信息，實(shí)現(xiàn)定頻和換相控制。3個霍爾傳感器輸出3個180o的交疊信號，每個輸出信號的上升沿和下降沿都被檢測到，從而產(chǎn)生6個強(qiáng)制換向信號，每2個換向信號之間相差60o，正好對應(yīng)無刷直流電機(jī)的6個換相時刻。通過DSP中CAP1/IPOA1、CAP2/IPOA2、CAP3/IPOA3輸入，觸發(fā)DSP捕捉中斷功能從而獲得這6個時刻。

4.4 保護(hù)電路

在直流伺服系統(tǒng)中，保護(hù)電路占據(jù)著非常重要的地位，主要作用是保護(hù)DSP免受過流、過壓的影響。本系統(tǒng)的保護(hù)電路有隔離保護(hù)電路和驅(qū)動保護(hù)電路。

4.4.1 隔離保護(hù)電路

驅(qū)動電路本身不具有邏輯信號與功率信號的隔離功能，為了消除地環(huán)路引起的共阻抗耦合干擾，實(shí)現(xiàn)不同電壓信號的隔離，抑制干擾傳遞，我們設(shè)計(jì)DSP出來的PWM信號先經(jīng)過光電耦合器。因此需要在輸入的控制信號和驅(qū)動電路之間加入光耦隔離器件。需要注意的是，由于控制信號開關(guān)頻率較高，要求光耦器件有良好的跟隨性，一般需要選用快速光耦，這里選用了6N137光耦合器。隔離電路圖如圖5所示。

4.4.2 驅(qū)動保護(hù)電路

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，如果負(fù)載或驅(qū)動電路出現(xiàn)過電流或欠電壓的情況，驅(qū)動器會自動啟動內(nèi)部保護(hù)電路，F(xiàn)AULT引腳會輸出制動信號，通常這個輸出信號連接到DSP的PDPINT引腳上，拉低PDPINT引腳的輸入電平，關(guān)斷DSP的輸出通道，所以輸出通道并置為高阻態(tài)，實(shí)現(xiàn)整個控制電路的保護(hù)作用。

5 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，通過上位機(jī)可以給定位置量，同時控制過程中電機(jī)的速度、電流、位置反饋量等參數(shù)也可以實(shí)時地送上位機(jī)顯示；SPI接口完成串行驅(qū)動數(shù)碼管顯示的功能。

6 結(jié)束語

本文主要從硬件方面著手，介紹了DSP在永磁無刷直流電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用解決方案，提供了一硬件平臺，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代諸多控制理論和算法的評估；采用TMS320LF2407芯片為核心設(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信號的生成，能方便實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，使系統(tǒng)硬件得到了極大的簡化，且它的高速性能為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，具有體積小、性價比高的特點(diǎn)，是運(yùn)動控制比較理想的選擇。

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