基于DSP的數(shù)字伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計

李 湍，季 祥

（1.洛陽光電技術(shù)發(fā)展中心 河南 洛陽 471009；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 南陽 473009）

伺服系統(tǒng)是控制系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。電機作為伺服系統(tǒng)中關(guān)鍵部件，對電機的控制精度和準確度要求越來越高。無刷電機因其壽命長、可靠性好、運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點，在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。使用數(shù)字信號處理器（DSP）實現(xiàn)無刷直流電機的伺服系統(tǒng)可以只用一片DSP實現(xiàn)比較復(fù)雜的算法，控制精度高，可對伺服系統(tǒng)進行更有效的控制。文中以TMS320F2812為控制核心實現(xiàn)對直流無刷電機伺服系統(tǒng)的控制，并給出了試驗結(jié)果。

1 控制器原理及設(shè)計方案

1.1 控制器原理及硬件設(shè)計

控制器[1]分為3個單元：中央處理單元即DSP用于接受控制指令，計算并校正控制信號；電機驅(qū)動單元驅(qū)動電機工作；執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行主控指令并反饋伺服機構(gòu)狀態(tài)給中央處理單元以校正伺服機構(gòu)狀態(tài)。工作原理如圖1所示。

圖1 控制器工作原理圖Fig.1 The operational principle of control unit

1.2 電源電路

由于DSP和外圍芯片工作電壓為5 V和3.3 V。電位器輸入電壓為+12 V和-12 V。因此使用DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器將+27 V輸入電壓轉(zhuǎn)換成+12 V和-12 V工作電壓，用CW78L05將+12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V工作電壓。同理用FW431將5 V電壓轉(zhuǎn)換成4 V的基準電壓和3.3 V芯片工作電壓。

1.3 中央處理單元

由TMS320F2812作為中央處理芯片由RS422接口和SCI通信接口接收主控指令信號并轉(zhuǎn)換成控制指令信號[1]。由SPI總線接口接收執(zhí)行機構(gòu)反饋回來的執(zhí)行機構(gòu)的位置信號與控制信號一起通過控制算法轉(zhuǎn)換成PWM輸出。

DSP的外圍電路通常由時鐘電路、JTAG接口電路組成。時鐘電路使用20 MHz晶振，5倍頻后DSP工作在100 MHz的頻率。每個電源入口用0.1μF的電容濾波及隔離。

伺服控制電路與主控之間的通信采用RS422異步全雙工傳輸方式，采用MAX3160通信芯片實現(xiàn)。

1.4 反饋電路

反饋部分采用在執(zhí)行機構(gòu)安裝同步電位計，通過電位計反饋電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理后，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號反饋給DSP。

反饋信號信號調(diào)理電路選用LM148，并在輸入信號端加入由10 kΩ電阻和0.1μF電容組成的RC低通濾波電路。由于DSP中A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)不足，因此選用TLC2574將放大后的反饋模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過SDI和SDO端口與DSP傳遞數(shù)字信號。

1.5 驅(qū)動電路

DSP輸出的PWM和DIR信號為3.3 V，為避免驅(qū)動能力不足，DSP的輸出信號經(jīng)SN74ALVC164245由3.3 V上拉至5 V，輸出電流為24 mA。

光耦隔離電路用于將功率驅(qū)動電路[2]的信號與DSP控制信號進行隔離，避免功率電源對數(shù)字控制電路造成干擾。光耦選用HCPL2231，該芯片由兩路獨立光耦組成，當輸入為低時，二極管導(dǎo)通，輸出為高。輸出信號+15 V上拉。

由于驅(qū)動板中運放LM193和FX3140，以及邏輯門電路4069、4070、4073、4081 的工作電壓為+15 V，因此需要將系統(tǒng)工作電壓+27 V經(jīng)由電源模塊轉(zhuǎn)換成驅(qū)動板中芯片工作電壓+15 V。邏輯門電路根據(jù)電機霍爾位置信號HA、HB、HC和電機方向信號DIR產(chǎn)生控制6個MOS管開關(guān)的控制信號。并且將PWM信號合成到功率開關(guān)管的導(dǎo)通相序中[3]。

驅(qū)動部分前級驅(qū)動電路采用IR2103，以提高邏輯電路輸出信號的驅(qū)動能力，用來開啟和關(guān)閉后級的大功率晶體管。芯片輸出采用自舉方式。功率電路采用6個IRFP250功率管組成全橋式電路。最大供電電壓90 V，最大持續(xù)工作電流33 A。

當伺服系統(tǒng)中出現(xiàn)持續(xù)過載情況或者逆變電路出現(xiàn)直通時，電路輸出電流過大，會燒壞電機或損壞功率器件，因此需加入過流保護電路。將采樣電阻采集的信號進行濾波處理后與設(shè)定值比較，以限定電機的最大工作電流。

2 軟件系統(tǒng)

控制軟件采用模塊化設(shè)計，針對各個功能設(shè)計相應(yīng)的程序模塊[4]。主程序通過對各個子函數(shù)的合理調(diào)用和控制最終實現(xiàn)整個伺服系統(tǒng)的合理工作。

當系統(tǒng)開始工作時，首先完成對各個程序模塊的初始化，包括CPU時鐘、看門狗、中斷、SCI口、定時器、控制參數(shù)、PWM等。完成各個模塊的初始化后，在最后的死循環(huán)中，執(zhí)行伺服機構(gòu)控制算法等待串口中斷：首先啟動AD采集，采樣結(jié)束后，讀取AD的采樣結(jié)果。利用采樣結(jié)果和通過中斷接收的伺服控制指令控制電機工作。如果判斷通信出現(xiàn)，則執(zhí)行SCI口初始化，重新復(fù)位串口。控制軟件采用C語言編寫，各個模塊可以相互調(diào)用，工作效率高，可以實現(xiàn)實時控制。

3 測試系統(tǒng)及試驗結(jié)果

測試系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓電源提供+27 V控制電，兩個直流電源提供電機工作電壓，其中-45 V為工作電壓，+45 V為補償電壓。測試平臺采用研華的數(shù)據(jù)采集和控制平臺，由LabCVI實現(xiàn)對控制電路的仿真測試控制和數(shù)據(jù)采集[5]。試驗結(jié)果如下圖所示。

圖2 空載角速度測試Fig.2 Measurements of Non-Load Angular Velocity

圖3 10 Hz動態(tài)特性測試Fig.3 Measurements of dynamic characteristics

圖4 階躍特性測試Fig.4 Measurements of step characteristics

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)相比，基于DSP的數(shù)字伺服機構(gòu)控制系統(tǒng)既有數(shù)字系統(tǒng)精度高、靈活性強的優(yōu)點，又充分發(fā)揮了無刷直流電機可靠性高、快速性好的優(yōu)點，大幅提升了伺服系統(tǒng)的整體性能[6]。同時該系統(tǒng)的建模、仿真、測試、維修等與傳統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)相比更加快捷、有效，具有較高的工程應(yīng)用價值。該伺服控制系統(tǒng)可以同時控制多個直流無刷電機同時工作，已在某型伺服機構(gòu)中驗證并應(yīng)用。

[1]江龍，秦文甫.TMS320LF2407A在舵機多通道控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].航空兵器，2009（2）：31-34.JIANG Long，QIN Win-pu.Study on TMS3202407A applied on multi-channel control in servo system[J].Aero Weaponry，2009（2）：31-34.

[2]劉建斌.基于DSP的電動舵機控制系統(tǒng)設(shè)計 [J].導(dǎo)航與控制，2008（7）：15-17.LIU Jian-bin.Design of the electromechanical actuator system based on DSP[J].Navication and Control，2008（7）：15-17.

[3]張琛.直流無刷電機原理及應(yīng)用 [M].北京機械工業(yè)出版社，1996.

[4]孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開發(fā)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008.

[5]孫曉云.基于Labwindows/CVI的虛擬儀器設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010.

[6]張強，謝宗武.基于DSP的電動機控制技術(shù)[M].北京:中國電力出版社，2008.