基于TMS320F2812的雙通道高精度伺服系統

0 引　言

以無(wú)刷直流電動(dòng)機為核心的無(wú)刷直流伺服系統具有優(yōu)越的調速特性以及壽命長(cháng)、效率高、維護性好等優(yōu)點(diǎn),高精度、高可靠性、高智能化的無(wú)刷直流伺服系統是當前伺服系統的重要發(fā)展方向[ 1 - 2 ] 。隨著(zhù)微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展,伺服系統能夠獲得越來(lái)越高的工作精度、較寬的調速范圍,促進(jìn)了伺服系統在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域應用,例如工業(yè)自動(dòng)化控制。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中,某些場(chǎng)合如高精度數控機床和一些液壓設備需要兩臺或者多臺電機同時(shí)工作來(lái)達到保證精度、提高性能的目的。一種液壓設備要求兩臺伺服電機同時(shí)工作,并有較高的伺服精度要求,需要設計合適的伺服系統。本文介紹了以高性能數字信號處理器TMS320F2812 為控制核心的雙通道高精度伺服控制系統,充分利用其豐富的片內資源,簡(jiǎn)化系統硬件設計,取得了較好的效果,滿(mǎn)足了設備的要求。

1 方案設計
系統要求實(shí)現較高的精度,這就需要降低伺服電機運行過(guò)程中的轉矩波動(dòng),可以從電機結構和控制算法兩個(gè)方面加以考慮:伺服系統采用無(wú)槽結構的無(wú)刷直流電動(dòng)機（BLDCM）作為伺服電機,換相控制方式為電壓空間矢量（ SVPWM）正弦波驅動(dòng)技術(shù)。無(wú)刷直流電動(dòng)機采用正弦波驅動(dòng)方式,三相繞組通入對稱(chēng)三相交流電,電樞磁場(chǎng)為圓形旋轉磁場(chǎng),方向連續變化, 實(shí)現較低的轉矩紋波、平滑運轉和較低的工作噪聲,文獻[ 3 ]證明了SVPWM驅動(dòng)技術(shù)對于降低電機的轉矩波動(dòng)有較好的效果;無(wú)槽結構的無(wú)刷直流電動(dòng)機消除了齒槽效應, 具有轉矩波動(dòng)小、運行平穩、噪聲低、電樞電感小、定位干擾力矩小等特點(diǎn),采用正弦波繞組后,從結構上配合正弦波驅動(dòng)技術(shù)使得系統高精度控制的實(shí)現更為容易。采用正弦波驅動(dòng)方式,要求電機安裝有高分辨率的位置傳感器以提供精確的轉子位置信息。旋轉變壓器用來(lái)作為轉子位置檢測傳感器,能夠實(shí)現高精度檢測,滿(mǎn)足正弦波驅動(dòng)的位置精度要求。
普通的電機控制用微控制器只有一個(gè)電機控制單元,如果同時(shí)控制兩臺三相電機,需要外部擴展一定數量的器件和接口,大大提高了成本,降低了可靠性。TMS320F2812是新一代電機控制專(zhuān)用數字信號處理器,集成度高,運算速度快,帶有兩個(gè)事件管理器,能夠實(shí)現同時(shí)對兩臺三相電機的調速控制,因此選擇TSM320F2812作為核心控制器。伺服系統方案原理框圖如圖1所示

無(wú)刷直流電動(dòng)機是系統的伺服驅動(dòng)單元;采用PC機作為上位機平臺,通過(guò)RS - 485總線(xiàn)實(shí)現對伺服系統的實(shí)時(shí)監控。系統兩個(gè)通道的技術(shù)指標及控制對象相同,因此各個(gè)通道采取了相同的硬件結構,以利于降低系統成本,縮短開(kāi)發(fā)周期。
TMS320F2812作為整個(gè)控制器的核心,根據控制算法產(chǎn)生PWM調制信號,與保護電路產(chǎn)生的信號綜合后,經(jīng)過(guò)驅動(dòng)電路放大控制逆變電路,實(shí)現對伺服電動(dòng)機的控制。信號發(fā)生器產(chǎn)生穩定的正弦波信號作為旋轉變壓器的激勵信號及角度變換（Resolver - to - Digital Converter, RDC）電路的參考信號。旋轉變壓器與電機轉子同軸連接,實(shí)現角度位置檢測及反饋、速度計算及反饋功能。

2 系統硬件設計
兩個(gè)通道采用相同的硬件電路,因此下面所討論的硬件電路都在兩個(gè)通道中得到應用。

2. 1 功率電路設計

圖2 功率電路