基于DSP的交流伺服電機控制系統的研究

胡慶杰　張建偉　徐艷　趙曉陽

摘 要：在早期的時候，伺服電機一般采用直流電機。而直流電機本身具有電刷及換向器，在電機運行時由于摩擦容易產生火花，因此使得直流電機的使用場合受到了一定的限制。同時，長期的摩擦會導致電刷及換向器損壞，增加了維修的成本。隨著社會的不斷發展，伺服系統的應用也越來越廣泛。本文提出了一種基于DSP的交流伺服電機控制系統，給出了控制系統的硬件和軟件設計。

關鍵詞：基于DSP;交流伺服電機;控制系統;研究

1 前言

數字控制系統是自動控制理論和計算機技術相結合的產物，一般是指微處理機參與控制的開環或閉環系統，通常具有精度高、速度快、存儲量大和有邏輯判斷功能等特點，因此可以實現高級復雜的控制方法，獲得快速精密的控制效果。目前大多數運動控制系統仍采用單片機來進行設計，雖然成本相對較低，但運算能力較弱難以完成大運算量算法。針對伺服驅動系統高速度、高精度的要求，出現了許多適應不同工作狀況的高性能的控制算法。但是這些控制算法都是基于傳統的硬件結構，伺服驅動器只能采用某種固定的控制算法，系統不能根據工作環境、負載狀態的變化實時地調整控制算法和控制參數，不能充分發揮不同控制算法的性能特點，從而影響了伺服驅動器在不同工作環境下性能的發揮。

DSP具有極強的數字計算能力，利用DSP可將很多新型的控制算法應用于伺服控制。本文提出了以最新的數字處理芯片（DSP）TM$320F28335為核心控制芯片的交流伺服電機控制系統，它具有功耗小、性能高、運算速度快、數據和程序存儲器容量大、AD采樣和處理精度高等特點，能滿足伺服系統復雜控制算法的要求。

2 交流伺服技術的發展趨勢

采用新型的高速微處理器和數字信號處理器（DSP）的現代交流伺服技術已經全面取代模擬器件的伺服控制技術成為市場主流，現在數字信號閉環控制已經非常普遍，如電流環、速度環、位置環等。高性能的DSP、ARM等新型電力電子半導體器件越來越多用于伺服控制系統。這些先進元件的應用降低了系統損耗，提高了控制效率。結合市場需求的變化，可以看到以下最新的一些發展趨勢。

2.1 高效率化

隨著開關頻率較高的現代電力電子半導體器件的顯著應用，交流伺服系統的效率得到顯著提高，但仍需要我們繼續加強交流伺服電機的效率優化。特別是在一些驅動電路、能量反饋、傳感器的控制精度以及先進的理論控制算法等方面還需我們進一步開發利用。

2.2 一體化和集成化

現在的很多交流伺服系統發展方形趨向于將被控對象電動機、前向驅動模塊，負向反饋模塊以及串口通信模塊等實現縱向一體化。交流伺服系統現在也實行高度集成化，從被控對象，功率驅動等模塊的集成使系統從設計制造到運行維護都緊密的集成在一塊。這樣既縮小整個控制系統的體積，又使得系統的安裝和調試得到簡化。

2.3 通用化

通用型的伺服驅動模塊配置有豐富的菜單功能和大量的參數。在硬件配置一定的條件下，它可以工作在不同的控制方式，如變壓變頻控制、永磁同步交流伺服電機控制。矢量控制等。根據不同類型的傳感器可以工作在不同場合，可以使用電機本身配置的傳感器構成半閉環控制系統，也可以通過接口與外部的位置或力矩或速度傳感器構成高精度全閉環控制系統。

2.4 智能化

智能化是現代工業生產設備的一種流行趨勢，也是現代科學先進性的具體體現。交流伺服技術作為高級的工業控制裝置，我們也需要將其設計成智能化的產品。現代交流伺服驅動器都具備參數記憶功能，系統的所有運行參數可以通過軟件來設置，應用十分方便。有的交流伺服驅動器還具有故障自診斷，參數自整定以及自動調節穩定性等功能，這些都為伺服用戶提供更好的體驗。

3 伺服電機控制系統的硬件設計

本系統提供的硬件設計能夠滿足多種控制算法，它是以TI公司的TMS320F28335為控制核心設計的。TMS320F28335控制器是一種集成了數字信號處理核心與外設的微處理器，也是專門用于電機控制的DSP。它運行速度快，工作時鐘頻率達到150MHz，功耗低，性能高，可以滿足復雜控制。

電機控制卡根據上位機的命令產生脈沖序列，脈沖個數、位置、頻率及頻率變化率、加速度均受主機控制。微處理器及其外圍電路主要負責控制策略和算法的實現、產生PWM信號、響應速度反饋等工作。微處理器根據控制卡的位置命令值減去位置反饋值來算出電機位置誤差值，經過驅動單元的數字濾波器（調節算法）產生電機速度控制信號。其中反饋值是根據檢測電路中的電磁隔離式霍爾傳感器電路來檢測永磁同步電機的相電流，之后進行A/D轉換并作相應處理，實現控制算法。PWM輸出通過光耦傳輸使得傳遞PWM控制信號時控制電路與功率電路隔離。增量編碼器是伺服電機的反饋元件，它將電機的旋轉角度轉換為正交的電脈沖信號，微控制器根據該反饋信號就能跟蹤電機的旋轉位置。電源模塊將開關電源提供的+5V電壓變換為+3.3V為系統供電。

4 伺服電機控制系統的軟件設計

軟件設計分為兩大部分：一是電機卡控制軟件設計，二是控制器的軟件設計。對電機控制卡的控制主要是在上位機中通過VisualC++進行編程，進而控制電機控制卡進行瀆寫操作并向控制卡發出位移、速度、加速度等命令。

DSP程序由兩個模塊組成，即主程序模塊和中斷服務程序模塊。主程序模塊主要完成中斷矢量的聲明、內存變量的定義、各個功能模塊的初始化等工作;中斷模塊主要是處理電機控制卡的命令、檢測電路的反饋值、讀取QEP的計數和控制算法程序Ⅲ。控制器的軟件流程見圖1。

5 結論

本系統采用了先進的全數字電機控制算法，實現了電流環、速度環、位置環的閉環伺服控制，具備良好的魯棒性和自適應能力，可配合多種規格的伺服電機，適應于需要快速響應的精密轉速控制與定位控制的應用系統，如數控機床、印刷機械、包裝機械、造紙機械、塑料機械、紡織機械、工業機器人、自動化生產線等。

參考文獻

[1]龍曉軍.基于自抗擾技術的永磁同步電機調速方法研究.大連海事大學碩士學位論文，2011

[2]顧問等.基于自抗擾控制技術的永磁同步電機矢量控制策略.電源學報，2011

[3]劉清.基于自抗擾控制器的永磁同步電機伺服系統控制策略的研究與實現.天津大學博士學位論文，2011

[4]李驥.基于DSP的永磁同步電機矢量控制系統的研究.武漢理工大學碩士學位論文.2008