基于DSP的數字伺服機構控制系統設計

摘要：為滿(mǎn)足對直流無(wú)刷伺服機構的數字化控制，介紹了一種數字無(wú)刷直流電機伺服控制系統，以TMS320F2812型DSP為控制核心，包括中央處理電路，驅動(dòng)電路，反饋電路等實(shí)現對直流無(wú)刷電機伺服系統的控制。該系統原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，抗干擾能力強且控制精度高，控制效率好，已在某型伺服控制系統中廣泛應用。
關(guān)鍵詞：DSP；伺服機構；無(wú)刷電機；TMS320F2812；控制系統

伺服系統是控制系統中不可或缺的組成部分。電機作為伺服系統中關(guān)鍵部件，對電機的控制精度和準確度要求越來(lái)越高。無(wú)刷電機因其壽命長(cháng)、可靠性好、運行效率高、無(wú)勵磁損耗以及調速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在伺服系統中應用越來(lái)越廣泛。使用數字信號處理器(DSP)實(shí)現無(wú)刷直流電機的伺服系統可以只用一片DSP實(shí)現比較復雜的算法，控制精度高，可對伺服系統進(jìn)行更有效的控制。文中以TMS320F2812為控制核心實(shí)現對直流無(wú)刷電機伺服系統的控制，并給出了試驗結果。

1 控制器原理及設計方案
1．1 控制器原理及硬件設計
控制器分為3個(gè)單元：中央處理單元即DSP用于接受控制指令，計算并校正控制信號；電機驅動(dòng)單元驅動(dòng)電機工作；執行機構執行主控指令并反饋伺服機構狀態(tài)給中央處理單元以校正伺服機構狀態(tài)。工作原理如圖1所示。

1．2 電源電路
由于DSP和外圍芯片工作電壓為5 V和3．3 V。電位器輸入電壓為+12 V和-12 V。因此使用DC／DC電壓轉換器將+27 V輸入電壓轉換成+12 V和-12 V 工作電壓，用CW78L05將+12 V電壓轉換成5 V工作電壓。同理用FW431將5 V電壓轉換成4 V的基準電壓和3．3 V芯片工作電壓。
1．3 中央處理單元
由TMS320F2812作為中央處理芯片由RS422接口和SCI通信接口接收主控指令信號并轉換成控制指令信號。由SPI總線(xiàn)接口接收執行機構反饋回來(lái)的執行機構的位置信號與控制信號一起通過(guò)控制算法轉換成PWM輸出。
DSP的外圍電路通常由時(shí)鐘電路、JTAG接口電路組成。時(shí)鐘電路使用20 MHz晶振，5倍頻后DSP工作在100 MHz的頻率。每個(gè)電源入口用0．1μF的電容濾波及隔離。
伺服控制電路與主控之間的通信采用RS422異步全雙工傳輸方式，采用MAX3160通信芯片實(shí)現。
1．4 反饋電路
反饋部分采用在執行機構安裝同步電位計，通過(guò)電位計反饋電壓信號，經(jīng)過(guò)信號調理后，經(jīng)由A／D轉換器將數字信號反饋給DSP。
反饋信號信號淵理電路選用LM148，并存輸入信號端加入由10 kΩ電阻和0．1μF電容組成的RC低通濾波電路。由于DSP中A／D轉換的位數不足，因此選用TLC2574將放大后的反饋模擬信號轉換成數字信號，并通過(guò)SDI和SDO端口與DSP傳遞數字信號。
1．5 驅動(dòng)電路
DSP輸出的PNM和DIR信號為3．3 V，為避免驅動(dòng)能力不足，DSP的輸出信號經(jīng)SN74ALVC164245由3．3 V上拉至5 V，輸山電流為24 mA。
光耦隔離電路用于將功率驅動(dòng)電路的信號與DSP控制信號進(jìn)行隔離，避免功率電源對數字控制電路造成干擾。光耦選用HCPL2231，該芯片由兩路獨立光耦組成，當輸入為低時(shí)，二極管導通，輸出為高。輸出信號+15 V上拉。
由于驅動(dòng)板中運放LM193和FN3140，以及邏輯門(mén)電路4069、4070、4073、4081的工作電壓為+15 V，因此需要將系統工作電壓+27 V經(jīng)由電源模塊轉換成驅動(dòng)板中芯片工作電壓+15 V。邏輯門(mén)電路根據電機霍爾位置信號HA、HB、HC和電機方向信號DIR產(chǎn)生控制6個(gè)MOS管開(kāi)關(guān)的控制信號。并且將PWM信號合成到功率開(kāi)關(guān)管的導通相序中。
驅動(dòng)部分前級驅動(dòng)電路采用IR2103，以提高邏輯電路輸出信號的驅動(dòng)能力，用來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉后級的大功率晶體管。芯片輸出采用自舉方式。功率電路采用6個(gè)IRFP250功率管組成全橋式電路。最大供電電壓90 V，最大持續工作電流33A。
當伺服系統中出現持續過(guò)載情況或者逆變電路出現直通時(shí)，電路輸出電流過(guò)大，會(huì )燒壞電機或損壞功率器件，因此需加入過(guò)流保護電路。將采樣電阻采集的信號進(jìn)行濾波處理后與設定值比較，以限定電機的最大工作電流。

2 軟件系統
控制軟件采用模塊化設計，針對各個(gè)功能設計相應的程序模塊。主程序通過(guò)對各個(gè)子函數的合理調用和控制最終實(shí)現整個(gè)伺服系統的合理工作。
當系統開(kāi)始工作時(shí)，首先完成對各個(gè)程序模塊的初始化，包括CPU時(shí)鐘、看門(mén)狗、中斷、SCI口、定時(shí)器、控制參數、PWM等。完成各個(gè)模塊的初始化后，在最后的死循環(huán)中，執行伺服機構控制算法等待串口中斷：首先啟動(dòng)AD采集，采樣結束后，讀取AD的采樣結果。利用采樣結果和通過(guò)中斷接收的伺服控制指令控制電機工作。如果判斷通信出現，則執行SCI口初始化，重新復位串口?？刂栖浖捎肅語(yǔ)言編寫(xiě)，各個(gè)模塊可以相互調用，工作效率高，可以實(shí)現實(shí)時(shí)控制。

3 測試系統及試驗結果
測試系統采用直流穩壓電源提供+27 V控制電，兩個(gè)直流電源提供電機工作電壓，其中-45 V為工作電壓，+45 V為補償電壓。測試平臺采用研華的數據采集和控制平臺，由LabCVI實(shí)現對控制電路的仿真測試控制和數據采集。試驗結果如下圖所示。

4 結論
與傳統的伺服控制系統相比，基于DSP的數字伺服機構控制系統既有數字系統精度高、靈活性強的優(yōu)點(diǎn)，又充分發(fā)揮了無(wú)刷直流電機可靠性高、快速性好的優(yōu)點(diǎn)，大幅提升了伺服系統的整體性能。同時(shí)該系統的建模、仿真、測試、維修等與傳統伺服控制系統相比更加快捷、有效，具有較高的工程應用價(jià)值。該伺服控制系統可以同時(shí)控制多個(gè)直流無(wú)刷電機同時(shí)工作，已在某型伺服機構中驗證并應用。