基于高速數(shù)字信號處理器的面向多對象數(shù)字伺服控制平臺研制

曹英健，仲 悅，張 華

（北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

0 引 言

隨著數(shù)字伺服技術(shù)的蓬勃發(fā)展，數(shù)字化控制已成為發(fā)展的主流，新型伺服系統(tǒng)普遍采用了數(shù)字伺服控制技術(shù)。在數(shù)字伺服產(chǎn)品配套的數(shù)字伺服控制器中，控制方式多種多樣，控制信號類型概括起來有3種：模擬量、數(shù)字量和脈寬調(diào)制量（Pulse Width Modulation，PWM）。為了提高伺服控制器的開發(fā)效率，縮短研制周期，提高設計可靠性，面對類型眾多、差異較大的被控對象，設計一個通用的、面向多對象的數(shù)字伺服控制平臺將為今后的數(shù)字伺服設計提供便捷手段，適應數(shù)字伺服技術(shù)的發(fā)展方向。

基于TI的高速數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）TMS320F2812開發(fā)了滿足多種數(shù)字伺服控制需求的控制器平臺，實現(xiàn)了模擬量、數(shù)字量和脈寬調(diào)制量等多種被控對象控制的功能，并開發(fā)了CAN總線、SPI、SCI等多種通信接口，各項功能均在試驗中得到了有效驗證。

1 控制器平臺設計

1.1 總體方案設計

該控制平臺以高速高性能 DSP處理器TMS320F2812為核心，充分開發(fā)和拓展其通用I/O、A/D轉(zhuǎn)換器和事件管理器等片上功能，擴展SCI、SPI、CAN多種通信接口，擴展了其全部功能和接口用于多對象控制。控制器平臺總體設計功能布局如圖1所示，控制平臺可分為通用平臺和擴展單元兩部分。通用控制平臺包括：電源濾波及多種電源變換單元、中心處理單元、多種總線通信單元和多對象數(shù)字伺服控制器通用接口4部分。電源濾波及多種電源變換單元將輸入電源+28 V轉(zhuǎn)換為控制器所用的±15 V、+5 V、+3.3 V、+1.8 V多種電源。中心處理單元包括DSP微處理器及其外圍電路，包括片外RAM、時鐘電路、CPLD邏輯控制電路、片內(nèi)A/D信號調(diào)理運算電路、JTAG調(diào)試接口等。多種總線通信單元包括CAN接口電路、SPI串行A/D轉(zhuǎn)換電路、雙SCI接口電路和1553B接口電路等。

圖1 控制平臺總體設計功能Fig.1 Functional Block Diagram of Overall Design of Control Platform

擴展單元包括：模擬量控制單元（8通道12位可變增益數(shù)/模轉(zhuǎn)換器）、DO數(shù)字控制單元和電機控制單元（控制和驅(qū)動直流無刷電機）3部分，其中電機控制單元包括驅(qū)動接口板和電機驅(qū)動器及其連接電纜。

1.2 控制器功能電路設計

1.2.1 電源濾波及變換電路設計

控制平臺可接受18～40 V直流電源輸入，經(jīng)電源濾波及變換單元，提供控制平臺及負載系統(tǒng)所需的多路電源變換。

1.2.2 中心處理單元電路設計

中心處理單元基于DSP處理器TMS320F2812開發(fā)，擴展片外SRAM；開發(fā)CPLD可編程硬件控制邏輯，實現(xiàn)片外A/D轉(zhuǎn)換控制、電流截止負反饋和上電PWM信號關(guān)斷控制等邏輯控制功能；設計模擬信號預處理電路，將-10～10 V模擬信號轉(zhuǎn)換為0～3 V片內(nèi)A/D可直接采集的電路，充分應用片內(nèi)A/D資源；擴展了全部獨立可編程、復用型、通用I/O口。

1.2.3 多種通信接口單元設計

控制平臺設計了CAN、SPI、SCI多種通信接口，成功實現(xiàn)了基于各接口的通信功能并通過了試驗驗證。

a）CAN通信接口設計。

控制器選用 Philips公司 CAN 接口芯片PCA82C250開發(fā)出了一種兼容3.3 V與5 V電平接口簡單實用的高性價比、低成本CAN總線驅(qū)動器的接口電路，電路原理如圖2所示。試驗證明該電路的硬件設計簡單可靠，不需要獨立+5 V電源，可節(jié)省印制板空間和成本。在軟件設計中，成功開發(fā)了DSP通過CAN接口通信的應用軟件并在直流無刷電機控制和試驗中得到了成功應用。

圖2 CAN總線接口原理Fig.2 Schematic Diagram of CAN Bus Interface

b）SCI串行通信接口設計。

控制器利用TMS320F2812內(nèi)部集成的兩個SCI（串行通信接口）模塊，選用MAXIM公司的3.3 V串口驅(qū)動器MAX3232開發(fā)了兩套標準RS-232接口電路，成功實現(xiàn)了與上位機串口軟件的通信。

c）SPI模擬量采集接口設計。

控制平臺利用TMS320F2812內(nèi)部集成的SPI（串行外設接口）模塊，選用A/D轉(zhuǎn)換器AD7323開發(fā)了4通道12位A/D轉(zhuǎn)換采集電路。

1.2.4 D/A模擬量控制單元

控制平臺D/A模擬量控制單元設計了8通道12位、輸出范圍可調(diào)的模擬量輸出單元。通過電路板跳線配置，可以靈活設置為不同的D/A模擬量輸出范圍，如表1所示。

表1 跳線配置與該通道模擬量范圍對照Tab.1 Jump Configuration Versus Analog Range of the Channel

1.2.5 DO數(shù)字量控制單元

DO數(shù)字量控制單元設計擴展了12路PWM外設功能信號和8路GPIO共20路DO信號，每路信號都經(jīng)過一級放大增加驅(qū)動能力，可直接控制步進電機、電動缸等脈沖型控制負載。

1.2.6 電機控制單元設計

控制平臺的電機控制單元實現(xiàn)了直流無刷電機的控制和驅(qū)動功能，由驅(qū)動接口板和電機驅(qū)動器兩部分組成，直流無刷電機控制的控制驅(qū)動系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

圖3 直流無刷電機控制系統(tǒng)功能框圖Fig.3 Functional Block Diagram of DC Brushless Motor Control System

a）驅(qū)動接口板設計。

驅(qū)動接口板用總線驅(qū)動器實現(xiàn)電機控制PWM信號的前級驅(qū)動（以驅(qū)動電機驅(qū)動器內(nèi)光耦），并設計霍爾位置傳感器接口、模擬量信號的信號采集及處理和電流截止負反饋保護等功能。

b）電機驅(qū)動器設計。

電機驅(qū)動器選用三菱智能IPM模塊PS21869（最大工作電流50 A），采用自舉電路用單電源+15 V實現(xiàn)三相橋驅(qū)動。該模塊集成了柵極驅(qū)動電路及IGBT三相橋，體積小、質(zhì)量輕，而且大大簡化了電路。系統(tǒng)采用300 V高壓設計，選用瞬時共模隔離電壓達10 kV/μs的IPM專用光耦實現(xiàn)控制電路和驅(qū)動電路的完全隔離，保證了弱電控制系統(tǒng)的安全性。

驅(qū)動器直流母線電源采用AC220V全波整流、濾波得到，直流母線電壓約為311 V，并在直流母線電源之間設計了吸收電路吸收功率管高速開關(guān)產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓變化，從而提高母線電源質(zhì)量，保證功率電路正常工作。

1）吸收電路設計。

吸收電路通常有C、RC、RDC等拓撲結(jié)構(gòu)，驅(qū)動器的直流母線采用RDC拓撲型吸收電路，其中吸收二極管選用1200 V高壓快回復二極管，電阻選用高功率型功率電阻，吸收電容選用0.22 μF的高頻無感電容（吸收電容）。試驗證明，該電路可有效吸收直流母線兩端的瞬態(tài)電壓變化，保證直流母線電壓穩(wěn)定。

2）光耦隔離電路設計。

驅(qū)動器選用安捷倫公司的IPM專用光耦A4504設計PWM信號的隔離電路，且光耦輸出副邊信號經(jīng)過一級施密特反相器將信號整形后，輸入IPM功率模塊，保證功率模塊的開關(guān)時序的一致性。

為了盡量降低控制和功率端信號之間的干擾，本驅(qū)動器采取了一系列措施：將光耦、施密特反相器、IPM功率模塊緊湊放置，距離盡量短（印制線長度不超過2 cm）；保證了PWM控制信號互相平行走線而不交叉；在PWM信號走線區(qū)域大面積敷地減小信號之間的干擾。

試驗證明，以上設計有效降低了功率端及控制端的信號干擾，雖然驅(qū)動電路功率端在300 V以上高壓工作，電路工作仍穩(wěn)定可靠。

3）電流截止負反饋電路設計。

電流截止負反饋作為電機驅(qū)動器的保護電路，在回路過流時及時切斷PWM控制信號以保護功率電路，電路功能如圖3所示。

電路工作原理：電路利用IPM功率模塊內(nèi)集成的過流保護電路，在直流母線地端串聯(lián)功率電阻進行采樣，當功率電阻兩端電壓大于0.5 V時，IPM的VFO端輸出電流截止有效電平（低電平），該信號經(jīng)過一級晶體管放大后驅(qū)動光耦；在光耦副邊電流截止信號通過控制邏輯（CPLD實現(xiàn)）關(guān)斷PWM信號總線驅(qū)動器的使能端!CS從而切斷PWM控制信號。控制信號消失后，功率管全部關(guān)斷，直流母線電流接近于零，電流截止信號消失，PWM信號通過總線驅(qū)動器控制IPM功率模塊。

試驗證明，以上電流截止負反饋電路工作正常、可靠，響應頻率約1.4 kHz，既能濾去高頻諧波干擾又有較快的響應速度和安全余量。

2 軟件設計

基于數(shù)字信號處理器的面向多對象數(shù)字控制平臺的軟件采用模塊化設計，將各外設操作和控制算法模塊化，加入不同的軟件模塊即可完成不同的控制功能，軟件模塊以函數(shù)的形式進行封裝。

軟件由一個主程序和若干子程序構(gòu)成，閉環(huán)控制在定時中斷子程序中完成。3種被控對象中以直流無刷電機控制軟件最為復雜，包括1個主程序和2個中斷服務子程序（包括Timer3定時中斷服務程序、eCAN接收中斷服務程序）。主程序主要完成硬件寄存器設置、軟件參數(shù)初始化、直流無刷電機轉(zhuǎn)向的判斷、換相控制字的檢測及判斷、電機換相的執(zhí)行。

Timer3定時中斷服務程序完成轉(zhuǎn)速的計算、控制量（占空比）的PID閉環(huán)運算及占空比的更新等操作。

eCAN接收中斷服務程序是與上位機交換信息的窗口，主要完成上位機傳來數(shù)據(jù)的接收、判讀、解碼，對Timer3定時中斷進行使能控制，并將當前控制器參數(shù)（如電機轉(zhuǎn)速等）實時發(fā)送至上位機。上位機則通過該接口控制系統(tǒng)的運行實時了解運行參數(shù)。

直流無刷電機控制信號的PWM載波頻率選為10 kHz，在主程序中設置PWM周期為100 μs，用Timer1定時器產(chǎn)生；電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制周期定為50 ms，用Timer3定時器產(chǎn)生；自舉電容充電時間設為60 ms，用CPU定時實現(xiàn)，以上操作均在主程序的事件管理器初始化子程序內(nèi)完成。

功率逆變橋可采用單端斬波和雙端斬波，考慮到本項目的功率驅(qū)動電路采用自舉驅(qū)動，單端斬波（上管斬波）時的上管關(guān)斷期間，可通過下管開通為自舉電容補充能量，保持自舉電壓高于功率驅(qū)動電壓下限，因此采用單端斬波方案。

直流無刷電機的換相采用霍爾位置傳感器反饋的控制方式實現(xiàn)。經(jīng)過對被控電機試驗研究，獲得電機逆時針及順時針旋轉(zhuǎn)（面向電機出軸方向）的換相控制字。功率管控制采用單端PWM的控制方式，即當一對功率管開啟時，高端功率管進行PWM控制，低端功率管常開。直流無刷電機控制軟件主程序流程如圖4所示。

圖4 直流無刷電機控制軟件主程序流程Fig.4 Main Program Flow Chart of Control Software for DC Brushless Motor

3 試驗情況及控制算法研究

3.1 模擬量控制電液作動器試驗

以一種伺服作動器為控制對象，測試儀發(fā)送模擬量指令信號，控制器平臺通過A/D（SPI接口）轉(zhuǎn)換接收，同時采集作動器的線位移，采用作動器線位移閉環(huán)控制算法，通過D/A模擬量控制單元實現(xiàn)伺服閥電流控制。

控制器控制電液伺服作動器的控制算法采用比例環(huán)節(jié)控制，并通過限波器算法等方式進行特性補償。圖5為采用限波器算法進行動態(tài)特性補償?shù)目刂扑惴üδ芸驁D。

圖5 控制算法功能Fig.5 Functional Block Diagram of Control Algorithm

根據(jù)相應伺服作動器調(diào)整控制參數(shù)進行試驗，試驗取Kp＝0.5，Kf正、負向反饋系數(shù)略有差異，實測正向1.51，負向1.55，1ω＝220，2ω=300，b1、b2根據(jù)仿真及試驗情況進行選取?？刂破脚_在以上控制參數(shù)時，伺服作動器的正弦位置特性曲線如圖6所示，0.358゜線位移頻率特性如圖7所示。

圖6 7.5°指令、線位移時域特性線位移Fig.6 Time-domain Characteristic Line Displacement of 7.5°Instruction and Line Displacement

圖7 0.358゜線位移頻率特性Fig.7 Frequency Characteristics of 0.358° Line Displacement

該試驗證明控制器平臺對于模擬量被控對象（伺服作動器）可以進行精確控制，完成了伺服控制器的功能，保證了伺服系統(tǒng)性能。

3.2 DO數(shù)字量控制數(shù)字缸試驗

控制平臺通過DO數(shù)字量接口控制數(shù)字缸等設備?？刂破脚_方向控制信號控制數(shù)字缸的伸縮，通過DO數(shù)字量發(fā)送的脈沖數(shù)控制步進電機驅(qū)動器及線位移，通過脈沖的時間間隔控制移動速度。試驗脈沖數(shù)字缸位移曲線如圖8所示。圖8中，前600脈沖為高，數(shù)字缸伸出；后600脈沖為低，數(shù)字缸縮回。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，計算出該數(shù)字缸單脈沖導程（線位移與脈沖數(shù)比）約為48 mm/500Pulse=0.096 mm/Pulse。

圖8 脈沖數(shù)字缸位移曲線Fig.8 Displacement Curve of Pulse Digital Cylinder

3.3 直流無刷電機控制試驗

直流無刷電機的換相控制采用電機內(nèi)部的霍爾信號反饋，霍爾信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后輸入至DSP的捕獲單元，捕獲單元設置為邊沿觸發(fā)，并設置相應捕獲中斷，當某個霍爾信號發(fā)生跳變時，進入相應捕獲中斷服務程序，按照當前霍爾信號狀態(tài)進行換相。

控制器平臺通過CAN總線接收上位機的轉(zhuǎn)速控制信號（采用浮點數(shù)形式）nref，同時通過電機兩次換相時間間隔tc計算出電機的當前平均轉(zhuǎn)速n，然后對當前占空比寄存器的值R進行閉環(huán)PI運算，得出占空比并更新至相應寄存器，從而對直流無刷電機進行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。電機平均轉(zhuǎn)速如下：

式中sT＝50 ms為采樣時間間隔（即閉環(huán)運算周期）；Kp和Ki分別為比例系數(shù)和積分系數(shù)，試驗中由于直流母線電壓高，實際工作占空比較小。

3.3.1 空載試驗

電機驅(qū)動器使用交流220 V電源直接整流供電試驗時，對應直流母線電壓為317.3 V，空載試驗曲線見圖9。

圖9 電機空載試驗曲線Fig.9 No-load Test Curve of Motor

3.3.2 電機帶載試驗

電機帶載控制試驗在測功機上進行，此次試驗加載的力矩分別為0.1 N·m、0.2 N·m和0.5 N·m（電機額定轉(zhuǎn)矩為2.2 N·m），設定工作時間為120 s，試驗中控制器給定轉(zhuǎn)速分別為4500 r/min，3500 r/min和2000 r/min，帶載試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 直流無刷電機控制系統(tǒng)加載試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Test Data of DC Brushless Motor Control System

4 結(jié)束語

本文對TMS320F2812高速處理器進行系統(tǒng)研究和全功能開發(fā)，研究和掌握了CAN總線、SPI、SCI等多種總線接口及通信技術(shù)，用1個通用控制平臺同時實現(xiàn)了模擬量、數(shù)字量和脈寬調(diào)制量等多種被控對象的控制功能，并實用于各種被控對象成功進行試驗。試驗結(jié)果證明該控制器各項功能穩(wěn)定可靠，設計正確、實用，其研制技術(shù)經(jīng)驗已廣泛應用于專業(yè)各個項目多個領(lǐng)域。