摘 要: 現(xiàn)今永磁同步電機(jī)的使用越來越廣泛，本文提出了基于DSP和功率模塊的電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案;完成了伺服控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)選用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A作為核心單元，完成電機(jī)伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，在此硬件平臺(tái)上使用C2000系列的匯編語言完成伺服控制系統(tǒng)的軟件編寫，完成了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵字: 電動(dòng)機(jī);伺服系統(tǒng);DSP;功率模塊

Abstract: At present, the permanent magnet synchronous machine is more and more widely used. A new motor servo-controller based on DSP and power module is designed in this paper. The system regarded the DSP TMS 320LF2407 as the core unit to complete the hardware design of the motor servo-controller, and then finish the software design using C2000 assembly language based on the hardware platform to implement the design of the controller.

Keywords: Motor; Servo-Control; DSP; Power Module

1 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。

2 電機(jī)伺服控制系統(tǒng)概述

從功能上劃分，控制系統(tǒng)硬件部分由控制板和驅(qū)動(dòng)板兩大部分組成。其中，控制板擔(dān)負(fù)控制運(yùn)算，變量采集、界面顯示及數(shù)據(jù)通信等任務(wù)。圖1為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 伺服控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

使用TI公司的電機(jī)控制專用DSP：TMS320LF2407A作為控制板上的主控單元;其外圍電路還包括檢測三相交流電流的ADC模塊、檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置的旋轉(zhuǎn)變壓器位置檢測模塊、面板液晶控制系統(tǒng)及串口通信電路;而驅(qū)動(dòng)板的作用是將控制板輸出的弱電控制信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢?qū)動(dòng)能力的強(qiáng)電信號(hào)并輸出到電機(jī)。主要由三相逆變橋及其驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電流組成。采用集成三相橋臂及驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的智能電源模塊（IPM），使驅(qū)動(dòng)板外圍電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了最簡化，并提供了可靠性。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件部分主要控制板和驅(qū)動(dòng)板由兩大部分組成。以TMS320LF2407A為運(yùn)算核心，由DSP最小系統(tǒng)，連同數(shù)字/模擬量轉(zhuǎn)換模塊（ADC）、旋轉(zhuǎn)變壓器位置轉(zhuǎn)換器（RDC）、液晶控制系統(tǒng)及RS232收發(fā)器部分構(gòu)成了控制板部分，控制板是整個(gè)控制系統(tǒng)核心。

3.1 DSP最小系統(tǒng)

DSP最小系統(tǒng)是指能使DSP內(nèi)核正常運(yùn)行、以及能對(duì)DSP進(jìn)行調(diào)試的最簡硬件設(shè)計(jì)，包括DSP芯片本體、電源設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)、JTAG接口設(shè)計(jì)、調(diào)試用外擴(kuò)RAM設(shè)計(jì)等。本控制系統(tǒng)中的DSP最小系統(tǒng)均按照TI官方推薦的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 DSP最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖，電源管理芯片選用TI的TPS7333Q，它不僅能夠提供+3.3V，500mA的電源供給DSP及其它低電壓外設(shè)使用，其第8腳（/RS）還能在上電的同時(shí)輸出一個(gè)寬度為200mS的低脈沖的上電復(fù)位信號(hào)對(duì)DSP進(jìn)行上電復(fù)位。

3.2 轉(zhuǎn)子位置檢測模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)高精度伺服控制系統(tǒng)需要有高精度的轉(zhuǎn)子磁極位置檢測信號(hào)以滿足伺服系統(tǒng)高精度的控制需要。這也就要求系統(tǒng)配有高性能的轉(zhuǎn)子磁極位置檢測元件。目前，常用的檢測元件主要有光電編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器。其中，光電編碼器精度雖高，但初始位置無法確定，而且價(jià)格昂貴、可靠性較低、對(duì)機(jī)械安裝要求較高，故應(yīng)用較少。而旋轉(zhuǎn)變壓器則不然，它的初始位置是確定的，并且結(jié)構(gòu)堅(jiān)固簡單、成本低、檢測精度較高，加上其與轉(zhuǎn)換芯片之間傳遞的信號(hào)為低頻正弦信號(hào)，信號(hào)傳輸不易受噪聲的影響，抗干擾能力強(qiáng)。因而在高性能交流伺服系統(tǒng)中得到越來越多的運(yùn)用。

本文中的電機(jī)伺服控制系統(tǒng)也采用了一臺(tái)變磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器來檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置,為配合12對(duì)極的永磁同步電機(jī)，選用的旋轉(zhuǎn)變壓器也為12對(duì)極。旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子與永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸并隨電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，定子則壓緊在電機(jī)機(jī)殼上固定不動(dòng)，這時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子位置即實(shí)時(shí)反映了電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置。再使用一片Analog Device公司的旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片AD2S83，將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的兩路正弦模擬信號(hào)同其勵(lì)磁信號(hào)一起轉(zhuǎn)換得到旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子，及電機(jī)的轉(zhuǎn)子實(shí)際位置值。另外，通過特定間隔時(shí)間內(nèi)采集的兩個(gè)轉(zhuǎn)子位置值，即可求取電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.3 模擬量采集、前向通道及數(shù)模轉(zhuǎn)換（ADC）電路設(shè)計(jì)

電機(jī)伺服控制系統(tǒng)需要對(duì)電機(jī)的三相相電流和直流側(cè)電壓瞬時(shí)值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。在電氣特性上，電機(jī)的電壓電流瞬時(shí)值為強(qiáng)電量，不能直接輸入到控制板中而必須經(jīng)過強(qiáng)弱電隔離并實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換。在本文的伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過采用多個(gè)電壓電流霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)弱電的分離;并通過模擬量前向通道輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）中實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量實(shí)際值的采集。圖3為電流霍爾傳感器電路設(shè)計(jì)。

圖3 電流霍爾傳感器電路

圖中，霍爾傳感器U17的第2腳和第6腳相連，第3腳和第5腳相連，檢測電流從第1腳流入，從第4腳流出。采用這種配置時(shí)，初級(jí)側(cè)檢測電流輸入有效值最大為8A，對(duì)應(yīng)的次級(jí)側(cè)轉(zhuǎn)換電流輸出有效值最大為12mA。第7腳和第8腳為霍爾傳感器的電源腳，它與模擬量是不共地的一套單獨(dú)的電源。第11腳和第9腳之間接負(fù)載電阻，阻值為68Ω，其作用是輸出平衡并將輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為易于檢測的電壓信號(hào)。另外，考慮到得到的電壓值很低，測量時(shí)誤差較大，故在霍爾傳感器附加設(shè)計(jì)了一組使用運(yùn)放TL084構(gòu)成的同向放大器。

3.4 帶IPM的逆變橋及隔離設(shè)計(jì)

對(duì)交流電機(jī)的控制系統(tǒng)而言，逆變橋部分是必不可少的。圖4為由六支IGBT管組成的三相逆變橋原理圖。為簡化設(shè)計(jì)和增大系統(tǒng)的可靠性，在本文的伺服控制系統(tǒng)中逆變橋部分采用了一塊三菱電機(jī)的IPM，其型號(hào)為PM50CSD060，其典型參數(shù)為：VCES=600V，IC=50A，Tdead=2.5μs。

圖4 三相逆變橋原理圖

IPM內(nèi)含有三相逆變器所需的IGBT及反并聯(lián)二極管，并且三相已連接好，只要把P、N引出端接到直流側(cè)電容兩端，把U、V、W端子連接至電機(jī)的三相輸入端即可。對(duì)于PM50CSD060，除有6個(gè)PWM信號(hào)輸入外，還有4個(gè)故障保護(hù)信號(hào)輸出，即三個(gè)上橋臂故障和一個(gè)下橋臂總故障。

IPM的驅(qū)動(dòng)需要四個(gè)相互隔離的電源，上橋臂的三個(gè)IGBT需要三個(gè)獨(dú)立不共地的電源，下橋臂的三個(gè)IGBT是共發(fā)射極的，只需共用一個(gè)電源驅(qū)動(dòng)，故本系統(tǒng)的隔離驅(qū)動(dòng)電源選用了4只5V-15V，最大輸出100mA的DC-DC變換器。對(duì)于使用IPM的驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)而言，對(duì)PWM驅(qū)動(dòng)部分和IGBT保護(hù)電路的設(shè)計(jì)得到了極大的簡化。

3.5 其他部分設(shè)計(jì)

由于控制系統(tǒng)需要通過RS232串口同上位機(jī)進(jìn)行通信，同時(shí)接受來自控制系統(tǒng)面板輸入的命令。為編寫和調(diào)試程序的方便，在控制系統(tǒng)中還單獨(dú)使用了一塊微控制系統(tǒng)W78E58P，用以實(shí)現(xiàn)液晶顯示、鍵盤輸入及協(xié)調(diào)DSP同上位機(jī)之間的通信。在電路連接上，DSP、W78E58P和RS232收發(fā)器三者間使用一個(gè)雙刀雙擲繼電器，其開和狀態(tài)與控制系統(tǒng)是否外接串口通信線有關(guān)。具體而言，當(dāng)使用RS232串口通信線連接控制系統(tǒng)與PC機(jī)時(shí)，繼電器連接DSP和RS232收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)同PC機(jī)之間的通信，并通過專用的上位機(jī)控制程序向控制系統(tǒng)發(fā)送命令;而當(dāng)通信線從控制系統(tǒng)拔掉后，繼電器斷開RS232收發(fā)器并連接DSP和W78E58P，使兩者之間的串口通過TTL電平直接連接。這時(shí)，DSP主控制系統(tǒng)同W78E58P通信并通過面板鍵盤接收命令。

以DSP為控制系統(tǒng)核心，采用IPM實(shí)現(xiàn)逆變橋主回路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高精度、高性能、可靠性好的電機(jī)伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用TMS320LF2407A強(qiáng)大的運(yùn)算能力、高效的指令系統(tǒng)，可以方便地設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的軟件。從功能作用上劃分，電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的軟件部分主要包括：與上位機(jī)的通信程序、模擬量定時(shí)采集程序、核心控制算法程序以及PWM生成程序等4個(gè)主要部分。其軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。考慮到整體繁重的計(jì)算量，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的實(shí)時(shí)性和高效性，本文的電機(jī)伺服控制系統(tǒng)軟件部分全部采用了基于TMS320LF2407A的匯編語言體系。

圖5 控制系統(tǒng)軟件框圖

上圖清晰地反映了整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)。首先，伺服控制系統(tǒng)不斷地掃描來自上位PC機(jī)或控制系統(tǒng)前面板的命令，通過對(duì)命令的判斷進(jìn)行相應(yīng)的操作。命令大體上分為兩類：一類是對(duì)電機(jī)參數(shù)的讀寫操作，即將特定的電機(jī)參數(shù)寫入到EEPROM中供控制程序計(jì)算時(shí)調(diào)用，或?qū)㈦姍C(jī)參數(shù)由EEPROM讀出并顯示于屏幕上;第二類即控制電機(jī)命令，包括位置控制模式、速度控制模式、轉(zhuǎn)矩控制模式以及鎖定電機(jī)、啟動(dòng)電機(jī)和停止運(yùn)行等命令。當(dāng)控制系統(tǒng)接收到控制電機(jī)命令后，算出控制電機(jī)的三相瞬時(shí)電壓值并通過輸出PWM的方式產(chǎn)生實(shí)際的三相電壓控制電機(jī)。另外，所有計(jì)算中需要的電流、電壓及當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速值均通過定時(shí)采集程序并計(jì)算得到。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 選用數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A和智能功率模塊（IPM）設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)，完成硬件調(diào)試;并在此硬件平臺(tái)上使用C2000系列的匯編語言完成伺服控制系統(tǒng)的軟件編寫和調(diào)試，完成控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。

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