引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類在微電子、計(jì)算機(jī)、電力電子技術(shù)和電機(jī)制造等諸多領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)步，并直接推動(dòng)了伺服控制技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。諸如在各種數(shù)控設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人、大規(guī)模集成電路制造、交通運(yùn)輸、載人宇宙飛船、電動(dòng)工具以及家用電器等領(lǐng)域的應(yīng)用都日益廣泛。本文提出了一種基于DSP和功率模塊的電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

20世紀(jì)90年代末，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了一些高性能、低成本的DSP芯片，它將DSP核和用于控制的外設(shè)、大容量的片上存儲(chǔ)器件集成在單一的芯片上，可以實(shí)時(shí)的執(zhí)行一些高精度的復(fù)雜控制算法，減少傳感器采樣信號(hào)到控制命令的輸出之間的延時(shí)，改善控制中的動(dòng)態(tài)行為，片上具有的通訊機(jī)制可以更容易的實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)間的信息交互等，這些為電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注入了新的活力。DSP的出現(xiàn)為設(shè)計(jì)具有開(kāi)放式結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)控制功能的高性能的片上驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)提供了可能，是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展方向。

機(jī)器人是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)綜合學(xué)科，它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)

工程、仿生學(xué)、自動(dòng)控制工程以及人工智能等眾多學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一

體化的最高成就，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。目前，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得了

很大的發(fā)展，產(chǎn)生了各種各樣的機(jī)器人，如工業(yè)機(jī)器人，爬壁機(jī)器人，排爆機(jī)器人，水

下機(jī)器人，它們都已經(jīng)在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用。行走機(jī)器人是靠安置在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處的電機(jī)來(lái)提供驅(qū)動(dòng)力矩，在這個(gè)系統(tǒng)中，由于人的行走是一個(gè)復(fù)雜的、周期性往復(fù)的過(guò)程，電機(jī)需要頻繁的起停、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)，同時(shí)需要對(duì)電機(jī)的速度和位置進(jìn)行伺服控制，這對(duì)硬件系統(tǒng)提出了很高的要求。

1伺服控制系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)是輸出量以一定精度跟蹤輸入量變化的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。作為閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)的位置隨動(dòng)系統(tǒng)，它在生產(chǎn)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)對(duì)象的控制、定位、瞄準(zhǔn)、跟蹤、信號(hào)傳遞和接收等裝置中都占有顯著的地位，現(xiàn)已成為各種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要組成部分。

一個(gè)典型的DSP閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示，基本上由三個(gè)模塊組成：控制器、被控對(duì)象和傳感器。控制器根據(jù)下達(dá)的參考指令與由傳感器測(cè)得的反饋信號(hào)比較，所產(chǎn)生的誤差再經(jīng)過(guò)控制算法計(jì)算出適當(dāng)?shù)男拚盘?hào)送給被控對(duì)象。其中控制器的主要目的就在于根據(jù)控制命令與反饋信號(hào)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)男拚盘?hào)而使系統(tǒng)有最佳的反應(yīng)，而這個(gè)過(guò)程主要是完成控制算法的執(zhí)行，可以用模擬、數(shù)字或混合的方式完成。

圖1DSP閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

近代控制理論采用的各種控制方法，如適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)控制、魯棒控制等，均可用來(lái)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?？刂扑惴ǘ喾N多樣，但基本上都是由數(shù)學(xué)方程式組成再加上一些流程控制命令如if…then、go…to等，而查表(TableLook-up)有時(shí)也是必需的，所以控制處理器就在于如何運(yùn)用軟、硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制算法。

2DSP在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了能對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度、位置和電流的控制，同時(shí)也能夠與上位機(jī)進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)了下面的關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)控制框圖2所示，主要包括電機(jī)、諧波減速器、光電編碼器、控制板、驅(qū)動(dòng)板，它們組成一個(gè)有機(jī)的整體，共同實(shí)現(xiàn)電機(jī)伺服控制和助力功能?？刂瓢鍖?shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制和通信，驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2伺服系統(tǒng)控制框圖

2.1DSP的總線模塊

為了能夠與上位機(jī)進(jìn)行通信，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用了DSP的CAN總線模塊，該模塊屬于增強(qiáng)型eCAN總線模塊。

設(shè)計(jì)時(shí)采用了標(biāo)準(zhǔn)CAN控制器(SCC)模式，只使用了32個(gè)郵箱中的前15個(gè)郵箱，不使用定時(shí)郵遞功能。由于此關(guān)節(jié)伺服單元既要接收消息，又要發(fā)送消息，需要把這些郵箱配置成接收郵箱和發(fā)送郵箱，不進(jìn)行接收濾波。通信波特率配置成1M/s。

2.2DSP事件管理器模塊

此模塊為電機(jī)控制用模塊，在DSP中有兩個(gè)事件管理EVA和EVB，它們都包括通用定時(shí)器、比較單元、捕獲單元、PWM邏輯電路、正交編碼脈沖電路以及中斷邏輯電路等。面向優(yōu)化的外設(shè)單元和高性能DSP內(nèi)核結(jié)合，可以為所有電機(jī)類型提供高速、高效和全變速的先進(jìn)控制技術(shù)。

每個(gè)事件管理器模塊可以同時(shí)產(chǎn)生8路脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，包括3對(duì)由16位全比較單元產(chǎn)生的死區(qū)可編程CMP/PWM信號(hào)和由16位通用定時(shí)器比較器產(chǎn)生的2路獨(dú)立的PWM信號(hào)。通過(guò)設(shè)置不同工作方式，可選擇輸出非對(duì)稱PWM波、對(duì)稱PWM波或8個(gè)空間矢量的PWM波?？梢愿鶕?jù)需要直接改變PWM輸出頻率；可以在PWM周期內(nèi)或周期結(jié)束后改變PWM脈寬；所具有的自動(dòng)裝載比較和周期寄存器可以減少CPU的開(kāi)銷。

在設(shè)計(jì)中，使用了事件管理器A中的全比較單元來(lái)產(chǎn)生帶有死區(qū)保護(hù)的非對(duì)稱PWM波，通過(guò)該P(yáng)WM波來(lái)控制H橋電路中6個(gè)N溝道MOSFET晶體管的通斷。利用了捕獲單元中的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2組成的正交編碼脈沖(QEP)電路來(lái)對(duì)光電編碼器產(chǎn)生的正交編碼脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，來(lái)計(jì)算速度和位置。利用了PDPINTx引腳產(chǎn)生的中斷來(lái)對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。利用了ADC模塊來(lái)采集H橋電路的相電流，實(shí)現(xiàn)電流環(huán)的閉環(huán)控制。

3功率驅(qū)動(dòng)模塊

在控制系統(tǒng)中，控制信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置——電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗荒芴峁╇妱?dòng)機(jī)運(yùn)行所需要的足夠大的功率?？刂菩盘?hào)必須通過(guò)功率放大器件才能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)?？梢哉f(shuō)，功率放大器件把具有固定電壓的電源變成了由控制信號(hào)控制的能源，電壓、電流或其他參數(shù)隨控制信號(hào)變化而變化。伺服系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的直流功率放大器有三種：線性(比例式)功率放大器、開(kāi)關(guān)式功率放大器和晶閘管功率放大器。其中的開(kāi)關(guān)功率放大器是通過(guò)脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行調(diào)制的，稱為PWM調(diào)制方法。

3.1PWM調(diào)速原理

PWM驅(qū)動(dòng)是利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)調(diào)制直流電源的固定電壓，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)，并根據(jù)需要來(lái)改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”與“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，通過(guò)改變伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如圖3所示為PWM控制原理圖。

圖3PWM控制原理圖

3.2電流檢測(cè)電路

電機(jī)的定子三相電機(jī)的檢測(cè)采用IR公司生產(chǎn)的一款在電機(jī)控制器中檢測(cè)相電流的芯片IR2277。該芯片具有與DSP同步的信號(hào)端子。定子電流由芯片檢測(cè)，輸出到DSP的AD轉(zhuǎn)換器，檢測(cè)到其中兩相的電流，從而獲得定子三相電流的信息。如圖所示為電機(jī)控制系統(tǒng)框圖。

圖4電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

3.3速度檢測(cè)電路

采用增量式光電編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)速。它輸出兩個(gè)相位差90度的方波信號(hào)A和B，及非信號(hào)PA、PB和零脈沖PZ信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)中利用事件管理器的正交編碼單元對(duì)光電編碼器進(jìn)行檢測(cè)，A、B分別與正交解碼脈沖單元的兩個(gè)通道QEP1和QEP2相連。正交解碼脈沖單元QEP具有方向檢測(cè)功能，它的方向檢測(cè)邏輯辨明兩個(gè)序列中哪一個(gè)是先導(dǎo)序列，接著可以產(chǎn)生方向信號(hào)作為所選定時(shí)器的方向輸入。注意兩列正交輸入脈沖的兩個(gè)邊沿都被正交解碼脈沖單元計(jì)數(shù)，因此產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率是每個(gè)輸入序列的4倍。

4結(jié)論

本系統(tǒng)硬件上采用DSP的控制結(jié)構(gòu)，電流設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、緊湊，能夠滿足系統(tǒng)矢量控制要求；同時(shí)全數(shù)字化的控制能使系統(tǒng)在控制精度、功能和抗干擾能力上都有很大提高。從典型閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制算法上分析,模擬電路難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法,行走機(jī)器人對(duì)驅(qū)動(dòng)統(tǒng)的要求比較高，因此選用了基于DSP的全數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)，所采用的芯片的運(yùn)算速度快，位數(shù)高，片上存儲(chǔ)器容量大，具有專門(mén)的電機(jī)控制模塊和CAN總線通信功能，具有A/D轉(zhuǎn)換模塊，很好地滿足了控制要求。