交流伺服驅(qū)動器的設計與實現(xiàn)

摘 要 為了實現(xiàn)伺服系統(tǒng)高響應、寬調(diào)速、高穩(wěn)態(tài)等性能要求，本文設計了一款基于DSP+FPGA架構(gòu)的交流伺服驅(qū)動器。設計包括DSP作為主控制芯片，IPM模塊作為功率驅(qū)動核心，同時應用FPGA開發(fā)IO擴展及位置、電流、電壓數(shù)據(jù)讀取、實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、按鍵操作以及系統(tǒng)參數(shù)設置等輔助功能;通過系統(tǒng)的程序設計，實現(xiàn)了全部功能并通過實驗驗證了設計效果。

關(guān)鍵詞 交流伺服驅(qū)動器;DSP;IPM;FPGA

引言

隨著技術(shù)的進步和應用需求的提升，對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的應用需求越來越迫切。驅(qū)動器的發(fā)展由最早的模擬控制系統(tǒng)逐漸發(fā)展到目前的全數(shù)字控制系統(tǒng)。針對應用需求，本文將以DSP作為主控制芯片結(jié)合IPM功率驅(qū)動模塊設計了一款交流伺服驅(qū)動器硬件平臺;在該平臺基礎上通過程序設計實現(xiàn)矢量控制、PID閉環(huán)控制、濾波抑振等算法，實現(xiàn)對伺服電機的高精確、高響應且高穩(wěn)態(tài)等控制目標。

1 伺服驅(qū)動器的硬件設計

本文設計的硬件電路主要由功率驅(qū)動電路、控制電路、電機轉(zhuǎn)速采集電路等電路構(gòu)成。

1.1 功率驅(qū)動電路設計

功率驅(qū)動電路是實現(xiàn)電機直流逆變控制過程的基礎。其主要由主回路和電流及電壓檢測電路等組成。主電路系統(tǒng)采用的是英飛凌公司的型號為IGCM20FXXA 型IPM模塊，通過主電路的整流逆變過程接入控制對象實現(xiàn)控制功能。在系統(tǒng)內(nèi)部的整流部分需要外接軟啟動電路實現(xiàn)對系統(tǒng)電路濾波作用，同時為了實現(xiàn)整流過程的啟動控制，需要使用功率電阻作為啟動電阻，另外模塊內(nèi)部具有過電壓以過流保護[1]。同時結(jié)合程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)故障狀態(tài)下的保護，實現(xiàn)對故障保護動作的及時準確，從而保證被控制電機的運行安全。對主電路逆變控制過程需要通過DSP實現(xiàn)PWM輸出信號的輸出，從而實現(xiàn)對電機的控制。電流及電壓檢測電路通過霍爾式電流互感器進行電流的實時檢測從而判斷電機的負載及轉(zhuǎn)矩變化情況。其中對IPM模塊輸出的V相及W相進行電流采集，利用光電耦合器 HCPL7840進行高電壓與低電壓的隔離。將電流信號經(jīng)過采樣處理轉(zhuǎn)換成電壓信號送入DSP進行計算，實現(xiàn)對所控制對象的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

1.2 控制電路設計

本文設計的驅(qū)動器控制芯片型號為TMS320F2808，通過該芯片實現(xiàn)伺服矢量控制，將按照控制算法得到的PWM輸出信號送入IPM實現(xiàn)對伺服電機的控制。同時根據(jù)系統(tǒng)故障檢測實現(xiàn)保護的功能。為了優(yōu)化DSP的資源配置，本文使用FPGA作為FPU，在完成信號檢測的同時，實現(xiàn)對驅(qū)動器的IO擴展、位置和電流電壓讀取、參數(shù)顯示、鍵盤操作以及參數(shù)設置等功能。通過信號檢測模塊實現(xiàn)伺服電機參數(shù)的檢測，F(xiàn)PGA與DSP之間通過串口通信的方式將所檢測的數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP后對其進行分析;實現(xiàn)對伺服電機狀態(tài)的判斷，并根據(jù)結(jié)果執(zhí)行對應的動作。同時本文設計的驅(qū)動器可以實現(xiàn)外部數(shù)字信號、模擬信號以及脈沖信號輸入的識別，可以對外接數(shù)據(jù)進行處理[2]。系統(tǒng)的電源由開關(guān)電源提供，從而可以通過外接交流220V進行供電。

1.3 電機轉(zhuǎn)速采集電路設計

在進行伺服電機控制過程，為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，需要對伺服電機運行轉(zhuǎn)速進行實時測量。本文針對的電機編碼器為多摩川17位編碼器進行位置和速度的計算和檢測;驅(qū)動器讀取編碼器信息采用的是RS485通訊電路設計;能夠保證2.5Mbit/s的傳輸速率;DSP通過編碼器讀取電路獲得電機的位置信息再通過微分計算出電機轉(zhuǎn)速;實現(xiàn)位置環(huán)、速度環(huán)的閉環(huán)控制。

2 伺服驅(qū)動器的程序設計

伺服控制程序設計包括主程序設計及中斷程序設計，主程序主要實現(xiàn)對系統(tǒng)的初始化、對各子程序的調(diào)用等功能;中斷程序主要完成控制PWM信號的輸出以及脈沖判斷等功能，下面分別進行介紹。

2.1 主程序設計

系統(tǒng)主程序主要完成程序上電后各寄存器初始化及中斷使能，其中包括時鐘鎖相初始化、PWM 中斷向量初始化、CPU 中斷使能、外圍接口函數(shù)初始化、控制參數(shù)初始化等一系列動作，完成程序運行的準備工作，隨后等待執(zhí)行中斷服務程序。

2.2 中斷程序設計

主中斷程序主要實現(xiàn)伺服電機的控制算法，在一個伺服更新周期內(nèi)完成對電機位置檢測、電機轉(zhuǎn)速計算、電流檢測以及矢量變換，進而為電機位置控制、速度控制以及電流控制提供參數(shù)依據(jù)，輸出PWM信號，從而對伺服電機進行控制。主中斷程序時間為100<！--[if gte vml 1]> <！[endif]--><！--[if ！vml]--><！--[endif]-->，即每隔100<！--[if gte vml 1]> <！[endif]--><！--[if ！vml]--><！--[endif]-->系統(tǒng)執(zhí)行一次中斷程序?qū)崿F(xiàn)PWM信號的輸出。為了實現(xiàn)對電流進行矢量控制，對于電流的檢測周期需要保持與PWM輸出周期一致。同時對于速度控制過程所需要進行的速度檢測需要保證與主中斷周期保持整數(shù)倍關(guān)系[3]。本文設計的電路保護是通過硬件結(jié)合程序共同完成的。通過對系統(tǒng)電壓、電流信號的檢測，如果軟件判斷出現(xiàn)異常時控制輸出停止，同時進入報警中斷程序。主要的故障包括IPM過流、母線過壓、母線欠壓、過載等故障現(xiàn)象。

3 設計結(jié)果驗證與分析

為了驗證本文設計的伺服控制器的功能及性能特把交流伺服電機作為控制對象。伺服電機型號為TS4614 N7191 E200，其額定參數(shù)分別是：額定轉(zhuǎn)矩2.39Nm;額定電流5.1A;額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。試驗結(jié)果表明本文設計的驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)對伺服電機平穩(wěn)控制、系統(tǒng)響應性能優(yōu)越、穩(wěn)態(tài)誤差小，系統(tǒng)可以實現(xiàn)按照位置、速度以及轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，符合交流伺服系統(tǒng)應用需要。

4 結(jié)束語

本文完成了以DSP為主控芯片實現(xiàn)的交流伺服驅(qū)動器設計，其中包括硬件平臺及系統(tǒng)程序的設計。根據(jù)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)驗證結(jié)果表明，本文設計的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的控制性能，在機器人領域具有很好的實用性。

參考文獻

[1] 宋寶，唐小琦.全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器設計與研究[J].機械與電子，2004（1）：39-42.

[2] 王愛祥.全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器的研究[J].現(xiàn)代雷達，2006（3）：66-69.

[3] 邢杰.基于DSP的全數(shù)字流伺服驅(qū)動器設計[J].機械管理開發(fā)，2005（2）：59-60.

作者簡介

趙振龍（1982-），男，遼寧省鞍山人;學歷：碩士研究生，職稱：中級工程師，研究方向：機器人電控系統(tǒng)設計與開發(fā)、運動控制器硬件開發(fā)與應用、伺服系統(tǒng)開發(fā)與應用、工業(yè)機器人行業(yè)應用。