一種交流伺服系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

劉斌 劉仲曄 陳瑜

（1. 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064；2. 海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭411101；3. 海軍駐武漢719所軍事代表室， 武漢 4300643）

0 引言

永磁交流伺服系統(tǒng)具備十分優(yōu)良的低速性能，適應(yīng)了高性能伺服驅(qū)動(dòng)的要求；并且隨著永磁材料性能的大幅度提高和價(jià)格的降低，在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域和國(guó)防軍事裝備中將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，目前已成為交流伺服系統(tǒng)的主流[1],而構(gòu)建硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的控制算法應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)實(shí)際效果的重要保證。

1 DSP芯片的選擇與設(shè)計(jì)

可編程DSP芯片的開(kāi)發(fā)需要一整套完善的軟、硬件開(kāi)發(fā)工具。通常，DSP芯片的開(kāi)發(fā)工具可以分為代碼生成工具和代碼調(diào)試工具。代碼生成工具的作用是將C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言或者兩者呼喝編寫(xiě)的DSP程序編譯、匯編并鏈接成為可執(zhí)行程序。代碼生成工具主要包括：C編譯器、匯編器和鏈接器。此外還有一些輔助工具，如文件格式轉(zhuǎn)換程序、庫(kù)生成和文檔管理程序等。代碼調(diào)試工具的作用是對(duì)DSP程序及系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，使之能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。TMS320系列DSP芯片的系統(tǒng)集成和調(diào)試工具主要有：C/匯編語(yǔ)言源碼調(diào)試器、初學(xué)者工具DSK（Designer Starter Kit）、軟件模擬器（Simulator）、評(píng)估模塊EVM（Evaluation Module）、軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)SWDS（Software Developing System）和仿真器XDS（eXtended Developing System）等。

1.1 TMS320LF2407芯片簡(jiǎn)介[2]

TMS320LF2407是TI公司專門(mén)為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的DSP定點(diǎn)運(yùn)算芯片，當(dāng)外掛晶振為10 MHz，內(nèi)部鎖相環(huán)兩倍倍頻時(shí)，單步指令周期為50 ns，其處理速度能夠滿足高頻控制的要求。另外，TMS320F2407不僅提供了較強(qiáng)的計(jì)算能力，而且針對(duì)電機(jī)提供了專門(mén)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的外設(shè)。TMS320F2407內(nèi)部采用哈弗結(jié)構(gòu)，流水線作業(yè)，每個(gè)指令周期僅為50ns，并且由于TMS320F2407內(nèi)部具有硬件乘法器，一個(gè)1616×位的乘法在一個(gè)指令周期便可實(shí)現(xiàn)，因此處理速度比其他單片機(jī)快速許多。TMS320LF2407主要具有下述功能部件：20MIPS的CPU，片內(nèi)RAM/ROM/FLASH，專用于電機(jī)控制的“事件管理器（Event Manager）”和片內(nèi)外設(shè)。其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

Ⅰ16路A/D變換器、轉(zhuǎn)換速度500 ns。在系統(tǒng)中，速度給定環(huán)節(jié)，電流檢測(cè)環(huán)節(jié)均用到A/D采樣，其中速度給定環(huán)節(jié)給定模擬量一路，實(shí)時(shí)讀入給定值；電流檢測(cè)環(huán)節(jié)4路，實(shí)時(shí)讀入電流值。

圖1 TMS320F2407A DSP結(jié)構(gòu)示意圖

Ⅱ 9路PWM輸出、頻率可編程10～200 kHz。對(duì)于方波永磁同步電機(jī)控制的核心思想就是PWM電流斬波控制，本系統(tǒng)采用了它的三個(gè)全比較單元，產(chǎn)生了6路非對(duì)稱PWM波形信號(hào)，頻率根據(jù)IGBT模塊的參數(shù)選為10 kHz。

Ⅲ 4路高速捕獲單元（CAP）。對(duì)于方波永磁同步電機(jī)，當(dāng)采用有位置傳感器的控制策略時(shí)，3路軸角編碼信號(hào)的檢測(cè)要求高速準(zhǔn)確，而一般單片機(jī)的中斷資源和響應(yīng)速度都無(wú)法滿足要求。選用TMS320LF240的4路高速單元的3路，就可以輕松完成軸角編碼信號(hào)上下跳變的檢測(cè)和響應(yīng)[3]。

TMS320LF2407A DSP是基于320C2xLP核。C2xLP核具有4級(jí)流水，工作在40MHz。具有JTAG仿真模塊。C2xLP有一個(gè)中心算術(shù)邏輯單元（CALU），及32-bit的累加器（Acc）。Acc也是CALU的一個(gè)輸入。Acc的其他輸入包括16316-bit的乘法器通過(guò)定標(biāo)移位器，以及輸入數(shù)據(jù)定標(biāo)移位器。軟件可以通過(guò)進(jìn)位旋轉(zhuǎn)Acc的內(nèi)容，來(lái)實(shí)施位操作和測(cè)試。

TMS320LF2407A芯片可以采用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，也可以采用C語(yǔ)言，C語(yǔ)言程序簡(jiǎn)潔、對(duì)于復(fù)雜的算法和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算有著匯編語(yǔ)言不可比擬的優(yōu)越性，TI公司提供了比較好的C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)編譯環(huán)境，其編譯效率很高，本課題采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

TI的Code Composer4. 10是一個(gè)集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持編輯、建立、調(diào)試、分析和項(xiàng)目管理。這個(gè)價(jià)值為1995美元的開(kāi)發(fā)環(huán)境包括ANSI C編譯器、匯編器、連接器、軟仿真器、實(shí)時(shí)分析器，數(shù)據(jù)是可視化的。TI的仿真器支持JTAG非插入式的邊界掃描仿真。該公司也分別提供C編譯器、匯編器、連接器、軟仿真器、實(shí)時(shí)分析器和應(yīng)用程序庫(kù)。第三方可以提供評(píng)估模塊、仿真器、以及應(yīng)用算法[4]。

圖2 SEED-LF2407DCS電機(jī)控制板

1.2 SEED-LF2407電機(jī)控制板

DCS2407A應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)是以數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LLF2407A為核心的應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)，支持C240X系列的DSP控制器開(kāi)發(fā)。DSC2407提供了非常完整的C240X應(yīng)用開(kāi)發(fā)的外圍設(shè)備接口設(shè)計(jì)，并根據(jù)工業(yè)控制需要，提供了專業(yè)級(jí)的運(yùn)動(dòng)控制接口，為優(yōu)化數(shù)字式馬達(dá)控制器及其它數(shù)字式功率控制提供了極其便利的應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境[5]。

2 DSP外圍電路設(shè)計(jì)

DSP芯片采用64腳QFP封裝，和計(jì)算機(jī)用JTAG接口連接，可以實(shí)現(xiàn)在線仿真和程序升級(jí)，也可以通過(guò)DSP芯片的調(diào)試軟件進(jìn)行板上資源的監(jiān)測(cè)。

圖3 DSP外圍電路框圖

靜態(tài)RAM空間主要作為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，當(dāng)系統(tǒng)處于仿真狀態(tài)下，可將程序通過(guò)JTAG鏈下載到程序存儲(chǔ)RAM中，然后執(zhí)行。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，先將程序通過(guò)燒寫(xiě)軟件下載到片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器上，然后通過(guò)跳線選擇，將程序空間指向片內(nèi)FLASHROM，這樣就可以實(shí)時(shí)運(yùn)行了。

另外，為了指示電機(jī)的姿態(tài)，便于系統(tǒng)的調(diào)試，外圍電路還設(shè)計(jì)了一組信號(hào)燈和一組微動(dòng)開(kāi)關(guān)，作為DSP的擴(kuò)展I/O空間。8個(gè)指示燈占用了F240的I/O存貯區(qū)的000Ch地址，數(shù)據(jù)線Bit0-Bit7的狀態(tài)可用指示燈的亮暗來(lái)表示，置1為ON,清0為OFF；10個(gè)開(kāi)關(guān)占用F240的I/O存貯區(qū)0008h地址空間。

寫(xiě) I/O 信 號(hào)燈狀態(tài)時(shí)采用：

OUT LED_STATUS,00Ch；

將STATUS寄存器的值寫(xiě)到000Ch。

讀 I/O DIP開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)采用：

IN SW_STATUS,008h；

讀0008h值，并存放到SW_STATUS寄存器中。

3 隔離保護(hù)電路設(shè)計(jì)

在DSP控制器和IGBT之間，因?yàn)镈SP是弱電部分，電壓為5V，它驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)信號(hào)不能直接加在引腳上。這時(shí)為了更好的匹配兩者，使用了光電耦合器，光電耦合器是連接控制信號(hào)和IGBT模塊的橋梁，其性能的好壞直接影響到控制品質(zhì)的優(yōu)劣。因此選用日本 TOSHIBA的高速精密線形光耦－TLP559。TLP559高速精密線形光耦合器由一個(gè)紅外光 LED照射分叉配置的一個(gè)隔離反饋二極管和一個(gè)輸出光二極管組成。反饋光二極管吸收 LED光通量的一個(gè)部分而產(chǎn)生控制信號(hào)，該信號(hào)可用來(lái)調(diào)節(jié)LED的驅(qū)動(dòng)電流，本文設(shè)計(jì)了6個(gè)光耦。其主要特點(diǎn)如下：

交流或直流信號(hào)的耦合；

帶寬＞200 kHz；

高傳輸增益穩(wěn)定性±0.05%；

3500 V峰值隔離電壓；

TLP559芯片的引腳和原理圖如圖 4所示。TLP559光耦芯片在電路中的應(yīng)用如圖5所示。

圖4 TLP559芯片的引腳說(shuō)明

圖5 TLP559光耦芯片應(yīng)用

4 逆變驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

所謂逆變，就是將直流變成交流的過(guò)程。在此系統(tǒng)上集成了整流濾波模塊、逆變驅(qū)動(dòng)模塊和各種電流、電壓反饋[6]。其功能如下：

（a）能和SEED DCS2407A馬達(dá)控制模塊連接，構(gòu)成完整的數(shù)字馬達(dá)控制系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)；

（b）適用于三相交流異步電動(dòng)機(jī)，永磁同步電機(jī)，直流無(wú)刷電機(jī)（BLDC）以及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制和調(diào)速；

（c）額定350VDC的母線電壓；

（d）額定電流10安培和最大值15A；

（e）輸入為220V/50Hz交流電壓；

（f）PFC反饋及控制模塊；

（e）相電流采樣及放大反饋；

（f）母線電壓、電流反饋；

（g）過(guò)流保護(hù)和報(bào)警電路；

（h）自動(dòng)死區(qū)保護(hù)。

系統(tǒng)如圖6所示：

圖6 功率電路框圖

5 結(jié)論

本文介紹了基于TMS320LF2407DSP的交流伺服系統(tǒng)的硬件平臺(tái)系統(tǒng)，主要介紹了其中幾個(gè)主要的功能模塊，為控制算法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作提供了可靠的硬件基礎(chǔ)。

[1] 蘇彥民, 李宏.交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.

[2] 杜雋隆.微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)－工程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社, 1992, 105－119.

[3] 陳榮, 鄧智泉. 永磁伺服系統(tǒng)控制方案選擇[J]. 鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2003, 16（2）: 5-9.

[4] 陳艷峰, 丘水生. MATLAB與PSPICE相結(jié)合用于開(kāi)關(guān)功率變換器仿真的方法[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào),1999（2）: 177-179.

[5] Chern T L, Wu Y C.Design of brushless DC position servo systems using integral variable structure approach[J].IEE Proceedings-B, 1993, 140（1）: 27-34.

[6] 田淳, 胡育文. 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)理論及控制方案的研究[J]. 電機(jī)技術(shù)學(xué)報(bào), 2002（1）:7-11.