基于DSP的交流伺服控制系統實驗平臺開發

房 芳

(東南大學自動化學院，江蘇南京 210096)

隨著微電子、計算機和控制技術的迅速發展，運動控制技術取得了長足的進步［1］。交流伺服控制系統正朝著數字化、高精度、高速度和高性能的方向發展［2-3］。其中，永磁同步電機伺服系統已成為交流伺服系統的主導。控制器方面，數字信號處理器以其高速數字信號處理特性，實現了先進復雜的控制算法，使交流伺服系統的控制性能得到進一步提高［4］。

本文設計實現了基于DSP的交流伺服控制系統綜合實驗平臺，該平臺以TMS320F2808 eZdsp評估板為核心，設計開發了整流、外部驅動、檢測、通信等硬件模塊，實現了電機的矢量控制策略。本文討論了其在“DSP技術及課程設計”課程教學中的實際應用。分析了交流感應電動機不同坐標系下的數學模型，研究矢量控制的原理和空間電壓矢量(SVPWM)的控制規律。該實驗平臺在教學和科研過程中取得了良好的效果。

1 系統總體結構

本實驗平臺主要由四個邏輯模塊組成:模擬接口模塊、I/O接口模塊、JTAG接口模塊和USB端口的JTAG控制器模塊。內含交/直/交變頻電路，包括整流濾波電路、逆變驅動電路、電流檢測電路、上位機通訊電路以及其他外圍接口電路。控制部分以TMS320F2808 eZdsp評估板為核心，由驅動信號輸出、光電隔離電路和信號傳送電路等。構成了基于DSP控制器的交流伺服控制系統。其硬件框圖如圖1所示。

圖1 控制系統整體結構圖

2 實驗平臺硬件設計

1)整流濾波電路

整流電路部分為單向不可控整流電路，濾波電容的功能主要有兩點:一是過濾電壓紋波，二是當負載變化時，使直流電壓保持平穩。當主電路工作時，因為工作頻率較高，開關動作會在直流環節產生電流突變。由于主電路分布電感電流的存在，MOSFET的集電極和發射極會出現高頻的尖峰毛刺電壓，可能損壞器件，因此在接逆變模塊之前要加上一個由阻容電路組成的吸收緩沖電路。

2)逆變驅動電路

電機控制的驅動器采用IR2130芯片。IR2130芯片可同時控制六個大功率管的導通和關斷順序，從而達到控制電機轉速和正反轉的目的。逆變電路如圖2所示。

圖2 逆變驅動電路

3)電流檢測電路

本電路由兩個霍爾電流傳感器檢測出A相和B相的定子電流，通過200歐姆的采樣電阻轉換后，變為(-5V～+5V)的電壓信號。由于DSP的A/D轉換器只能處理0～3V單極性信號，必須將雙極性的信號轉換為單極性的，為此增加一個偏移量實現電位的提升。這里選取偏移量為+5V，將信號提升為0～10V的信號，利用比例電路將其轉換到0～3V的范圍內。同時為了防止輸入模擬電壓過高或過低以及消除電流反饋信號中的噪聲信號，還需要加入模擬輸入量的濾波和限幅環節。如圖3所示。

圖3 電流檢測電路

第一個OP07組成跟隨器電路，可以提高輸入阻抗，增大帶載能力。第二個OP07接-12V電源，構成減法電路，起到電平平移的作用。設信號檢測電路的輸入電壓為Vin，則輸出電壓為

4)轉速和位置檢測電路

采用M法測速。輸出三路信號為差分信號，分別為 A+，A-，B+，B-，Z+，Z-。需要經過處理轉換成單路信號后才可以直接接入到DSP的正交脈沖編碼電路QEP的輸入引腳QEP1和QEP2。

QEP模式對兩路脈沖的前后沿均進行計數，這樣相當于4倍頻而無需外部的倍頻電路。而且能夠根據兩路脈沖的先后次序判別電機的轉動方向，省去了外部的辨向電路，增加了系統的可靠性。采用美國TI公司的MC3486實現碼盤差分信號處理。MC3486提供4路差分信號通道，每個通道有A、B兩個輸入，一個Y輸出。當A-B＞0.2V時，Y輸出高電平;當A-B＜0.2V時，Y輸出低電平。

5)通信與接口電路

本系統控制電路板和上位PC機之間通過RS232串行總線進行通信，使用MAX232芯片進行電平轉換。

3 系統軟件架構

系統軟件是實現伺服控制的關鍵部分，主要完成定子電流、轉子零位置和轉速的檢測、坐標變換、轉子磁鏈估計、PID電流和轉速控制調節等功能。控制策略采用轉子磁場定向矢量控制，控制系統軟件包括:電機電流、速度的采樣與計算，控制算法的實施，坐標變換，PWM信號的輸出，故障檢測與保護。其軟件架構如圖4所示。

圖4 軟件結構圖

4 實驗平臺在教學中的應用

4.1 系統開環啟動

系統開環啟動用于測試硬件電路的功率單元以及軟件架構里的開環磁鏈給定模塊、矢量生成模塊和PWM波形產生模塊的狀態是否正確。PARK逆變換子程序的輸出作為電動機定子電壓參考值;矢量計算模塊根據給定的電壓參考值計算出相應的占空比指令;PWM波形發生模塊根據計算的占空比指令產生PWM波輸出到逆變器。

實驗時，按操作規范連接實驗系統硬件，接通主功率電源和DSP控制電源。啟動CCS軟件，下載編寫的程序，通過選擇“Debug-Run”全速運行程序。此時電機啟動迅速達到最大轉速(設定50Hz);在實時模式下修改rmp_freq的值(2A00H～2000H)，相應電動機的轉速發生變化。觀測Ta，Tb和rmp-out的波形，如圖5和圖6所示。從圖中可以看出，輸出三相電流幅值相等，相位互差120°，其波形近似為正弦波。

圖5 Ta與rmp-out波形

圖6 Ta與Tb波形

4.2 閉環運行測試

此實驗用于測試速度估計和電流檢測模塊的軟硬件功能是否正確，反饋信號處理環節“CLARKE變換”和“PARK變換”功能是否正確。電動機在50Hz情況下閉環啟動運行。在實時模式下利用圖形顯示功能觀測檢測到的電流“Ia_out”和“Ib_out”波形和相位關系為相差120°的兩路正弦信號，且“Ia_out”超前“Ib_out”，觀測 rmp-out與 Ta的波形，如圖7所示。

圖7 rmp-out與Ia-out波形

CLARKE變換模塊的輸出clarke_d和clarke_q是相差90°的兩路正弦信號，PARK變換模塊的輸出park_D和park_Q為兩個直流量，其大小隨“Ia_out”和“Ib_out”幅值變化而變化。實時模式下通過內存變量窗口觀測速度測量值speed_frq和speed_frq_rpm，speed_frq_rpm與LCD的速度顯示值相接近，direction信號隨電動機的轉向切換而變化。

5 結語

本文設計并實現了以TMS320F2808為控制器的交流伺服控制系統綜合實驗平臺。完成了控制、通信等硬件電路模塊的設計與開發，在此基礎上確立了一種全數字交流伺服系統的控制方案，實現了電機的矢量控制策略。通過具體的實驗教學，增加了學生的感性認識和實際操作能力，并且使學生對交流伺服控制抽象的知識點有了直觀的理解和掌握，具備一定的系統開發能力。

［1］ 陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.北京:機械工業出版社，2004

［2］ 張銳，白連平.永磁交流伺服電機控制系統的研究［J］.北京:電氣技術，2011，3:6-9

［3］ 謝玉春，楊貴杰，崔乃政.高性能交流伺服電機系統控制策略綜述［J］.深圳:伺服控制，2011，1:19-22

［4］ 張興國，黨幼云.基于DSP的永磁同步電動機交流伺服控制系統的設計［J］.西安:西安工程大學學報，2009，23(6):115-119