基于DSP的永磁同步電機伺服控制系統設計

3 硬件系統設計
此處以F2808DSP為核心，結合多種外圍擴展，構成一套功能完善、驅動(dòng)簡(jiǎn)單的PMSM驅動(dòng)系統，其結構框圖如圖2所示。

由圖可知，本系統的硬件結構主要由以下6部分構成：①PMSM；②DSP主控單元；③速度和位置檢測電路；④主功率部分和驅動(dòng)電路；⑤電流檢測電路；⑥D／A轉換電路；⑦保護電路。
3．1 逆變電路設計
主電路由三相橋式逆變電路組成。根據控制對象的額定參數，選用MOSFET功率管IRF540N作為逆變電路的功率開(kāi)關(guān)器件?？紤]到功率器件的發(fā)熱問(wèn)題，MOSFET功率管采用壁貼的安裝方法，解決了功率管的散熱問(wèn)題。這種結構保證了系統有足夠的電壓、電流裕量，提高了系統的可靠性。
3．2 MOSFET驅動(dòng)
功率管的驅動(dòng)芯片采用半橋驅動(dòng)集成芯片IR2106。該芯片內部集成了互相獨立的驅動(dòng)輸出電路。由于IR2130內部的6個(gè)驅動(dòng)器輸出阻抗較低，直接應用其驅動(dòng)功率MOSFET器件會(huì )引起MOSFET器件的快速開(kāi)通與關(guān)斷，這樣會(huì )造成MOSFET器件漏-源極間的振蕩，將引起射頻干擾和造成MOSFET器件由于承受過(guò)高的du／dt而擊穿。所以在本設計中在MOSFET管的柵極與IR2106的輸出之間串聯(lián)一個(gè)4．7Ω的無(wú)感電阻。
3．3 采樣通道
電流檢測的方法很多，在本伺服系統中采用電磁隔離霍爾電流傳感器CS040G進(jìn)行電流檢測。CS040G的初級電流測量范圍為-20～20 A，對應的次級輸出電壓是-1～1 V。由于DSP A／D輸入端只能接收直流信號(0～3．3 V)，故由傳感器輸出來(lái)的信號還要經(jīng)過(guò)電平抬升電路。
采樣通道電壓抬升電路采用運算放大器LM324與外圍器件構成加法器，其輸入信號有：①霍爾元件的輸出電壓Uis；②電平抬升參考電壓信號Uref。輸出為電壓信號Uino，Uiso=1．5(Uin+Uref)。
Uis信號幅值在±1 V內，Uref=1 V，因此可保證Uiso為正值。通過(guò)RC阻容構成低通濾波電路，消除開(kāi)關(guān)干擾。DSP A／D輸入端通過(guò)二極管與3．3 V相連實(shí)現筘位保護。
3．4 D／A轉換電路
為方便觀(guān)測電機調試過(guò)程中出現的中間變量，硬件系統增加了D／A輸出電路。目前D／A輸出主要有兩種方法：①采用軟件PWM方法，將數字量經(jīng)一個(gè)I／O口輸出并接在一個(gè)簡(jiǎn)單的RC低通濾波器上獲得模擬信號，該方案在高頻時(shí)效果不好；②硬件方法，該方案在低頻和高頻時(shí)，效果都很好，缺點(diǎn)是成本較高。本系統采用硬件方法實(shí)現。
D／A轉換電路系統采用TLC5620芯片外加雙極性輸出電路，TLC5620是串聯(lián)型8位D／A轉換器。在控制TLC5620時(shí)，只要對該芯片的DATA，CLK，LDAC，LOAD端口控制即可。其中DATA為芯片串行數據輸入端，與DSP的SPI從輸入／主輸出引腳相連，CLK為芯片時(shí)鐘，接到DSP的SPI時(shí)
鐘引腳。數據在每個(gè)時(shí)鐘下降沿輸入DATA端，數據輸入過(guò)程中LOAD始終處于高電平，一旦數據輸入完成，LOAD置低，則轉換輸出，實(shí)驗中LDAC一直保持低電平。
3．5 過(guò)流故障信號檢測
此平臺通過(guò)電流霍爾傳感器對母線(xiàn)電流進(jìn)行檢測得到電壓信號MC，再通過(guò)跟隨器送入遲滯比較器與閾值電平比較，輸出電壓信號OC送入DSP的錯誤控制子模塊來(lái)實(shí)現過(guò)流信號的檢測。
3．6 脈沖輸入接口電路
采用高速光耦合器6N137，其內部是由一個(gè)光敏二極管、高增益線(xiàn)性運放及一個(gè)肖特基箝位的集電極開(kāi)路的三極管組成。

4 實(shí)驗研究
實(shí)驗中采用三相PMSM，額定電壓為36 V，額定電流為7．6 A，額定轉速為3 000 r·min-1，額定功率為200 W，極對數為4，直軸電感為0．162 mH，交軸電感為0．142 mH，定子電阻為0．215 Ω，轉子感應到定子側的磁鏈為0．012 405 Wb。為了驗證硬件系統設計的可行性，編制了PMSM伺服控制軟件進(jìn)行實(shí)驗研究，其軟件流程如圖3所示。

采用C語(yǔ)言編寫(xiě)伺服控制軟件，系統控制周期為40μs，ePWM事件下溢觸發(fā)A／D轉換，然后進(jìn)入周期中斷，對采樣信號進(jìn)行處理得出新的PWM控制信號。編碼器線(xiàn)數為1000。