基于高速數(shù)字信號(hào)處理器的面向多對(duì)象數(shù)字伺服控制平臺(tái)研制

曹英健，仲 悅，張 華

（北京精密機(jī)電控制設(shè)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(hào)類(lèi)型概括起來(lái)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(kāi)發(fā)效率，縮短研制周期，提高設(shè)計(jì)可靠性，面對(duì)類(lèi)型眾多、差異較大的被控對(duì)象，設(shè)計(jì)一個(gè)通用的、面向多對(duì)象的數(shù)字伺服控制平臺(tái)將為今后的數(shù)字伺服設(shè)計(jì)提供便捷手段，適應(yīng)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(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）TMS320F2812開(kāi)發(fā)了滿(mǎn)足多種數(shù)字伺服控制需求的控制器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了模擬量、數(shù)字量和脈寬調(diào)制量等多種被控對(duì)象控制的功能，并開(kāi)發(fā)了CAN總線(xiàn)、SPI、SCI等多種通信接口，各項(xiàng)功能均在試驗(yàn)中得到了有效驗(yàn)證。

1 控制器平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

該控制平臺(tái)以高速高性能 DSP處理器TMS320F2812為核心，充分開(kāi)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(kuò)展SCI、SPI、CAN多種通信接口，擴(kuò)展了其全部功能和接口用于多對(duì)象控制。控制器平臺(tái)總體設(shè)計(jì)功能布局如圖1所示，控制平臺(tái)可分為通用平臺(tái)和擴(kuò)展單元兩部分。通用控制平臺(tái)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(xiàn)通信單元和多對(duì)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(shí)鐘電路、CPLD邏輯控制電路、片內(nèi)A/D信號(hào)調(diào)理運(yùn)算電路、JTAG調(diào)試接口等。多種總線(xiàn)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(tái)總體設(shè)計(jì)功能Fig.1 Functional Block Diagram of Overall Design of Control Platform

擴(kuò)展單元包括：模擬量控制單元（8通道12位可變?cè)鲆鏀?shù)/模轉(zhuǎn)換器）、DO數(shù)字控制單元和電機(jī)控制單元（控制和驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電機(jī)）3部分，其中電機(jī)控制單元包括驅(qū)動(dòng)接口板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及其連接電纜。

1.2 控制器功能電路設(shè)計(jì)

1.2.1 電源濾波及變換電路設(shè)計(jì)

控制平臺(tái)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(tái)及負(fù)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(shè)計(jì)

中心處理單元基于DSP處理器TMS320F2812開(kāi)發(fā)，擴(kuò)展片外SRAM；開(kāi)發(fā)CPLD可編程硬件控制邏輯，實(shí)現(xiàn)片外A/D轉(zhuǎn)換控制、電流截止負(fù)反饋和上電PWM信號(hào)關(guān)斷控制等邏輯控制功能；設(shè)計(jì)模擬信號(hào)預(yù)處理電路，將-10～10 V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～3 V片內(nèi)A/D可直接采集的電路，充分應(yīng)用片內(nèi)A/D資源；擴(kuò)展了全部獨(dú)立可編程、復(fù)用型、通用I/O口。

1.2.3 多種通信接口單元設(shè)計(jì)

控制平臺(tái)設(shè)計(jì)了CAN、SPI、SCI多種通信接口，成功實(shí)現(xiàn)了基于各接口的通信功能并通過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證。

a）CAN通信接口設(shè)計(jì)。

控制器選用 Philips公司 CAN 接口芯片PCA82C250開(kāi)發(fā)出了一種兼容3.3 V與5 V電平接口簡(jiǎn)單實(shí)用的高性?xún)r(jià)比、低成本CAN總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的接口電路，電路原理如圖2所示。試驗(yàn)證明該電路的硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，不需要獨(dú)立+5 V電源，可節(jié)省印制板空間和成本。在軟件設(shè)計(jì)中，成功開(kāi)發(fā)了DSP通過(guò)CAN接口通信的應(yīng)用軟件并在直流無(wú)刷電機(jī)控制和試驗(yàn)中得到了成功應(yīng)用。

圖2 CAN總線(xiàn)接口原理Fig.2 Schematic Diagram of CAN Bus Interface

b）SCI串行通信接口設(shè)計(jì)。

控制器利用TMS320F2812內(nèi)部集成的兩個(gè)SCI（串行通信接口）模塊，選用MAXIM公司的3.3 V串口驅(qū)動(dòng)器MAX3232開(kāi)發(fā)了兩套標(biāo)準(zhǔn)RS-232接口電路，成功實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)串口軟件的通信。

c）SPI模擬量采集接口設(shè)計(jì)。

控制平臺(tái)利用TMS320F2812內(nèi)部集成的SPI（串行外設(shè)接口）模塊，選用A/D轉(zhuǎn)換器AD7323開(kāi)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(tái)D/A模擬量控制單元設(shè)計(jì)了8通道12位、輸出范圍可調(diào)的模擬量輸出單元。通過(guò)電路板跳線(xiàn)配置，可以靈活設(shè)置為不同的D/A模擬量輸出范圍，如表1所示。

表1 跳線(xiàn)配置與該通道模擬量范圍對(duì)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(shè)計(jì)擴(kuò)展了12路PWM外設(shè)功能信號(hào)和8路GPIO共20路DO信號(hào)，每路信號(hào)都經(jīng)過(guò)一級(jí)放大增加驅(qū)動(dòng)能力，可直接控制步進(jìn)電機(jī)、電動(dòng)缸等脈沖型控制負(fù)載。

1.2.6 電機(jī)控制單元設(shè)計(jì)

控制平臺(tái)的電機(jī)控制單元實(shí)現(xiàn)了直流無(wú)刷電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)功能，由驅(qū)動(dòng)接口板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器兩部分組成，直流無(wú)刷電機(jī)控制的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

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

a）驅(qū)動(dòng)接口板設(shè)計(jì)。

驅(qū)動(dòng)接口板用總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制PWM信號(hào)的前級(jí)驅(qū)動(dòng)（以驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)光耦），并設(shè)計(jì)霍爾位置傳感器接口、模擬量信號(hào)的信號(hào)采集及處理和電流截止負(fù)反饋保護(hù)等功能。

b）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)三相橋驅(qū)動(dòng)。該模塊集成了柵極驅(qū)動(dòng)電路及IGBT三相橋，體積小、質(zhì)量輕，而且大大簡(jiǎn)化了電路。系統(tǒng)采用300 V高壓設(shè)計(jì)，選用瞬時(shí)共模隔離電壓達(dá)10 kV/μs的IPM專(zhuān)用光耦實(shí)現(xiàn)控制電路和驅(qū)動(dòng)電路的完全隔離，保證了弱電控制系統(tǒng)的安全性。

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

1）吸收電路設(shè)計(jì)。

吸收電路通常有C、RC、RDC等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)器的直流母線(xiàn)采用RDC拓?fù)湫臀针娐罚渲形斩O管選用1200 V高壓快回復(fù)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(wú)感電容（吸收電容）。試驗(yàn)證明，該電路可有效吸收直流母線(xiàn)兩端的瞬態(tài)電壓變化，保證直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定。

2）光耦隔離電路設(shè)計(jì)。

驅(qū)動(dòng)器選用安捷倫公司的IPM專(zhuān)用光耦A(yù)4504設(shè)計(jì)PWM信號(hào)的隔離電路，且光耦輸出副邊信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)施密特反相器將信號(hào)整形后，輸入IPM功率模塊，保證功率模塊的開(kāi)關(guān)時(shí)序的一致性。

為了盡量降低控制和功率端信號(hào)之間的干擾，本驅(qū)動(dòng)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(xiàn)長(zhǎng)度不超過(guò)2 cm）；保證了PWM控制信號(hào)互相平行走線(xiàn)而不交叉；在PWM信號(hào)走線(xiàn)區(qū)域大面積敷地減小信號(hào)之間的干擾。

試驗(yàn)證明，以上設(shè)計(jì)有效降低了功率端及控制端的信號(hào)干擾，雖然驅(qū)動(dòng)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(fù)反饋電路設(shè)計(jì)。

電流截止負(fù)反饋?zhàn)鳛殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)電路，在回路過(guò)流時(shí)及時(shí)切斷PWM控制信號(hào)以保護(hù)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(guò)流保護(hù)電路，在直流母線(xiàn)地端串聯(lián)功率電阻進(jìn)行采樣，當(dāng)功率電阻兩端電壓大于0.5 V時(shí)，IPM的VFO端輸出電流截止有效電平（低電平），該信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)晶體管放大后驅(qū)動(dòng)光耦；在光耦副邊電流截止信號(hào)通過(guò)控制邏輯（CPLD實(shí)現(xiàn)）關(guān)斷PWM信號(hào)總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的使能端!CS從而切斷PWM控制信號(hào)。控制信號(hào)消失后，功率管全部關(guān)斷，直流母線(xiàn)電流接近于零，電流截止信號(hào)消失，PWM信號(hào)通過(guò)總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器控制IPM功率模塊。

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

2 軟件設(shè)計(jì)

基于數(shù)字信號(hào)處理器的面向多對(duì)象數(shù)字控制平臺(tái)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，將各外設(shè)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(jìn)行封裝。

軟件由一個(gè)主程序和若干子程序構(gòu)成，閉環(huán)控制在定時(shí)中斷子程序中完成。3種被控對(duì)象中以直流無(wú)刷電機(jī)控制軟件最為復(fù)雜，包括1個(gè)主程序和2個(gè)中斷服務(wù)子程序（包括Timer3定時(shí)中斷服務(wù)程序、eCAN接收中斷服務(wù)程序）。主程序主要完成硬件寄存器設(shè)置、軟件參數(shù)初始化、直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)向的判斷、換相控制字的檢測(cè)及判斷、電機(jī)換相的執(zhí)行。

Timer3定時(shí)中斷服務(wù)程序完成轉(zhuǎn)速的計(jì)算、控制量（占空比）的PID閉環(huán)運(yùn)算及占空比的更新等操作。

eCAN接收中斷服務(wù)程序是與上位機(jī)交換信息的窗口，主要完成上位機(jī)傳來(lái)數(shù)據(jù)的接收、判讀、解碼，對(duì)Timer3定時(shí)中斷進(jìn)行使能控制，并將當(dāng)前控制器參數(shù)（如電機(jī)轉(zhuǎn)速等）實(shí)時(shí)發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)則通過(guò)該接口控制系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)時(shí)了解運(yùn)行參數(shù)。

直流無(wú)刷電機(jī)控制信號(hào)的PWM載波頻率選為10 kHz，在主程序中設(shè)置PWM周期為100 μs，用Timer1定時(shí)器產(chǎn)生；電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制周期定為50 ms，用Timer3定時(shí)器產(chǎn)生；自舉電容充電時(shí)間設(shè)為60 ms，用CPU定時(shí)實(shí)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(xiàng)目的功率驅(qū)動(dòng)電路采用自舉驅(qū)動(dòng)，單端斬波（上管斬波）時(shí)的上管關(guān)斷期間，可通過(guò)下管開(kāi)通為自舉電容補(bǔ)充能量，保持自舉電壓高于功率驅(qū)動(dòng)電壓下限，因此采用單端斬波方案。

直流無(wú)刷電機(jī)的換相采用霍爾位置傳感器反饋的控制方式實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)對(duì)被控電機(jī)試驗(yàn)研究，獲得電機(jī)逆時(shí)針及順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（面向電機(jī)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(dāng)一對(duì)功率管開(kāi)啟時(shí)，高端功率管進(jìn)行PWM控制，低端功率管常開(kāi)。直流無(wú)刷電機(jī)控制軟件主程序流程如圖4所示。

圖4 直流無(wú)刷電機(jī)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(yàn)情況及控制算法研究

3.1 模擬量控制電液作動(dòng)器試驗(yàn)

以一種伺服作動(dòng)器為控制對(duì)象，測(cè)試儀發(fā)送模擬量指令信號(hào)，控制器平臺(tái)通過(guò)A/D（SPI接口）轉(zhuǎn)換接收，同時(shí)采集作動(dòng)器的線(xiàn)位移，采用作動(dòng)器線(xiàn)位移閉環(huán)控制算法，通過(guò)D/A模擬量控制單元實(shí)現(xiàn)伺服閥電流控制。

控制器控制電液伺服作動(dòng)器的控制算法采用比例環(huán)節(jié)控制，并通過(guò)限波器算法等方式進(jìn)行特性補(bǔ)償。圖5為采用限波器算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)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(yīng)伺服作動(dòng)器調(diào)整控制參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)取Kp＝0.5，Kf正、負(fù)向反饋系數(shù)略有差異，實(shí)測(cè)正向1.51，負(fù)向1.55，1ω＝220，2ω=300，b1、b2根據(jù)仿真及試驗(yàn)情況進(jìn)行選取。控制平臺(tái)在以上控制參數(shù)時(shí)，伺服作動(dòng)器的正弦位置特性曲線(xiàn)如圖6所示，0.358゜線(xiàn)位移頻率特性如圖7所示。

圖6 7.5°指令、線(xiàn)位移時(shí)域特性線(xiàn)位移Fig.6 Time-domain Characteristic Line Displacement of 7.5°Instruction and Line Displacement

圖7 0.358゜線(xiàn)位移頻率特性Fig.7 Frequency Characteristics of 0.358° Line Displacement

該試驗(yàn)證明控制器平臺(tái)對(duì)于模擬量被控對(duì)象（伺服作動(dòng)器）可以進(jìn)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(yàn)

控制平臺(tái)通過(guò)DO數(shù)字量接口控制數(shù)字缸等設(shè)備。控制平臺(tái)方向控制信號(hào)控制數(shù)字缸的伸縮，通過(guò)DO數(shù)字量發(fā)送的脈沖數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及線(xiàn)位移，通過(guò)脈沖的時(shí)間間隔控制移動(dòng)速度。試驗(yàn)脈沖數(shù)字缸位移曲線(xiàn)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(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算出該數(shù)字缸單脈沖導(dǎo)程（線(xiàn)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(xiàn)Fig.8 Displacement Curve of Pulse Digital Cylinder

3.3 直流無(wú)刷電機(jī)控制試驗(yàn)

直流無(wú)刷電機(jī)的換相控制采用電機(jī)內(nèi)部的霍爾信號(hào)反饋，霍爾信號(hào)經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換后輸入至DSP的捕獲單元，捕獲單元設(shè)置為邊沿觸發(fā)，并設(shè)置相應(yīng)捕獲中斷，當(dāng)某個(gè)霍爾信號(hào)發(fā)生跳變時(shí)，進(jìn)入相應(yīng)捕獲中斷服務(wù)程序，按照當(dāng)前霍爾信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行換相。

控制器平臺(tái)通過(guò)CAN總線(xiàn)接收上位機(jī)的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)（采用浮點(diǎn)數(shù)形式）nref，同時(shí)通過(guò)電機(jī)兩次換相時(shí)間間隔tc計(jì)算出電機(jī)的當(dāng)前平均轉(zhuǎn)速n，然后對(duì)當(dāng)前占空比寄存器的值R進(jìn)行閉環(huán)PI運(yùn)算，得出占空比并更新至相應(yīng)寄存器，從而對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。電機(jī)平均轉(zhuǎn)速如下：

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

3.3.1 空載試驗(yàn)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用交流220 V電源直接整流供電試驗(yàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)直流母線(xiàn)電壓為317.3 V，空載試驗(yàn)曲線(xiàn)見(jiàn)圖9。

圖9 電機(jī)空載試驗(yàn)曲線(xiàn)Fig.9 No-load Test Curve of Motor

3.3.2 電機(jī)帶載試驗(yàn)

電機(jī)帶載控制試驗(yàn)在測(cè)功機(jī)上進(jìn)行，此次試驗(yàn)加載的力矩分別為0.1 N·m、0.2 N·m和0.5 N·m（電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩為2.2 N·m），設(shè)定工作時(shí)間為120 s，試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)TMS320F2812高速處理器進(jìn)行系統(tǒng)研究和全功能開(kāi)發(fā)，研究和掌握了CAN總線(xiàn)、SPI、SCI等多種總線(xiàn)接口及通信技術(shù)，用1個(gè)通用控制平臺(tái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了模擬量、數(shù)字量和脈寬調(diào)制量等多種被控對(duì)象的控制功能，并實(shí)用于各種被控對(duì)象成功進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明該控制器各項(xiàng)功能穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)正確、實(shí)用，其研制技術(shù)經(jīng)驗(yàn)已廣泛應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)各個(gè)項(xiàng)目多個(gè)領(lǐng)域。