基于DSP的數字伺服機構控制系統設計

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。