基于DSP2812的全數字交流伺服系統的實現

趙香桂，董海鷹，趙宇坤

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

隨著微電子技術的不斷發展，數字伺服系統逐步取代了傳統的模擬式、模數混合式伺服系統，并在許多高科技領域得到了非常廣泛的應用，如數控機床、工業機器人大規模集成電路、雷達以及軍用武器隨動系統等［1-2］。研究高速、高精度、高可靠性和強抗干擾能力的嵌入式微控制器的全數字伺服系統，已成為當代電機伺服控制系統發展的趨勢。TMS320F2812 DSP芯片功耗低、指令執行周期短、外設資源豐富，是用于電機控制的高性能、多功能的32位定點芯片［3］。本文基于DSP2812，采用矢量控制技術，實現對交流電機的全數字位置伺服控制，并對實驗結果進行了分析。

2 交流伺服電機的控制方案

異步電機的動態數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統。為了使調速系統具有較高的動態性能，本文采用按轉子磁場定向的矢量控制方案。矢量控制技術利用坐標變換將三相系統等效為兩相系統，再經過按轉子磁場定向的同步旋轉變換實現對定子電流勵磁分量與轉矩分量之間的解耦，從而達到對交流電動機的磁鏈和轉矩分別控制的目的，這樣就可以將一臺三相異步電動機等效為直流電動機來控制,因而可獲得與直流調速系統性能相媲美的靜態及動態性能［4］。本系統結構如圖1所示。

圖1 交流電機伺服控制系統結框圖

調速過程中采用空間電壓矢量PWM（SVPWM）技術，模型簡單,便于數字化實現,并具有轉矩脈動小、噪聲低、電壓利用率高等優點。伺服控制器采用電流環、速度環、位置環的三環控制技術，提高了伺服系統控制精度、快速性、可靠性與抗干擾性［5］。

3 系統硬件設計

全數字交流伺服系統以TMS320F2812為處理器，以增量式光電編碼器和LEM電流傳感器為反饋通道裝置，以智能功率模塊IPM為主開關功率器件實現交流電機的全數字高性能控制。其硬件設計如圖2所示。

圖2 伺服系統硬件設計框圖

采用32位DSP芯片TMS320F2812作為系統運算控制模塊，接收來自SCI、編碼器接口、電流檢測模塊和故障信號處理模塊的信息，進行數據處理，完成對交流電機的控制和故障處理［6］。

采用LEM電流傳感器（LTS15-NP）實現對定子兩相電流的檢測。經過電流檢測模塊，將具有正負極性的定子電流信號通過濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉化為0-3V的電壓信號送入DSP的A/D引腳。為矢量控制和系統過流保護提供實時電流信號。

采用增量式光電編碼器（RHI 503）作為速度和位置信號的檢測器件。光電編碼器輸出A、B、Z三相脈沖信號。A、B脈沖信號是一對正交編碼脈沖（QEP），相位相差90°，頻率是電動機機械轉速頻率的1024倍；Z信號為零位脈沖信號，轉子每轉一周將產生一個零位脈沖。DSP的QEP單元對光電編碼器輸出的脈沖序列進行計數，這樣通過定時讀取該計數器的計數值即可得到電機轉子位置、轉速和轉向。TMS320F2812 QEP單元實現了對光電脈沖的4倍頻計數，從而提高了速度和位置的檢測精度。

采用智能功率模塊IPM（6MBP50RA060）作為系統的主開關功率器件。該模塊把功率開關器件和驅動電路集成在一起，內置有直流母線過壓保護和過流保護電路等故障檢測電路。IPM故障保護輸出信號相與后送入DSP的PDPINTA引腳，當PDPINTA引腳接收到低電平信號時，將響應故障中斷，封鎖PWM輸出，同時PWM輸出引腳全部呈高阻狀態。

4 系統軟件設計

為了獲得伺服系統快速、準確、無超調的特性，系統采用位置環，速度環，電流環的三環控制結構［7］。其中速度環和電流環采用抗積分飽和的PID控制器，以防止PID調節器出現過飽和［3］，調節器原理如圖3所示。

圖3 抗積分飽和PID控制器原理圖

位置環采用比例前饋補償控制，按照給定變化進行控制，當給定的變化出現，調節器立刻根據其性質和大小對被控參數進行控制，使被控量能及時跟隨給定值的變化，大大減少控制的滯后性，前饋控制器如圖4所示。

圖4 前饋控制器原理圖

系統軟件由DSP主程序和中斷服務子程序組成。其中，中斷服務子程序包括定時器1下溢中斷程序、光電編碼器零脈沖捕獲程序、功率驅動保護程序和通訊中斷程序4部分。主程序主要完成系統初始化，各外設模塊（A/D，SCI，EVA等）初始化，系統所需變量的初始化以及系統設置的中斷，并進入循環中等待中斷。

定時器1下溢中斷程序為整個系統的主中斷程序，主要完成位置環、速度環、電流環調節器的調度以及電流、速度、位置反饋通道的采樣與運算，然后調用正向通道中的矢量運算模塊函數，最終輸出三相逆變器的空間矢量PWM波信號，程序流程如圖5所示。光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序用于捕捉電機轉子零位Z脈沖。通訊中斷程序主要實現與上位機通信，接收并刷新控制參數，同時設置運行模式。功率驅動保護中斷程序則用于IPM的故障檢測，當IPM出現故障時，DSP的PWM通道將被封鎖，相應輸出口成高阻態。

圖5 下溢中斷服務子程序流程圖

為了提高系統的控制精度，本系統電流環采樣周期為0.1ms,速度環采樣周期0.5ms，位置環采樣周期1ms。

5 實驗研究

在以TMS320F2812為主控制芯片搭建的實驗平臺上，對全數字交流伺服控制系統進行了實驗。本實驗采用鼠籠式三相異步電機，具體參數為：

PN=2.2kw，UN=380V，IN=5.9A，fN50Hz，p=2，Y型接法 LS=Lr=0.1801mH，Lm=0.1893mH，Rr=2.27Ω，Rs=2.75Ω。實驗中IGBT開關頻率為10kHz，PWM波形死區時間為3.2μs。

在程序的調試過程中，可以用1 kΩ電阻和0.1μF的無極性電容對DSP的PWM波輸出進行濾波，用示波器觀測相關波形。ABC三相相電壓波形應滿足相位差120°的對稱關系，線電壓波形為正弦波，A、B相電壓及其對應的線電壓波形如圖6所示。

圖6 A、B相相電壓波形及線電壓波形

如圖7所示為電機在600r/min轉速下，3.2s處突然加載（10N·m）時的轉速波形和q軸轉矩電流波形。從實驗結果可以看出,電機轉速準確地跟蹤了給定指令，控制精度高；加載瞬間，轉矩電流迅速上升到4A左右,同時轉速有一個較小的波動，大約100ms后轉速恢復為600r/min，系統具有較強的抗干擾性。

圖7 600r/min轉速下突加負載的轉速和q軸轉矩電流波形

本實驗中，全數字交流伺服系統中減速箱和位置齒輪箱的總速比為480:1。當系統收到上位機起動命令，電機經加速過程后以600r/min的轉速旋轉，位置齒輪則以8°/s的速度跟蹤到給定位置。如圖8所示為電機運行過程中的線電壓和相電流波形，從圖8中可看出定子線電壓是不同占空比的脈寬調制波，由于電機定子繞組的電感作用，電流是連續的正弦波。當上位機位置信號按0°→35°→60°給定時，電機正轉，經加速過程后，以600r/min的轉速跟蹤目標位置指令，當上位機位置信號按60°→40°→0°給定時，電機反轉，經加速過程后，同樣以600r/min的轉速跟蹤目標位置。其中，齒輪圈位置跟蹤曲線如圖9所示，和位置曲線相對應的電機轉速曲線如圖10所示。實驗結果表明，該交流伺服系統具有較好的靜態和動態性能。

圖8 電機運行過程中的線電壓和相電流波形

圖9 齒輪圈位置跟蹤曲線

圖10 電機速度曲線

6 結論

本文提出了一種基于DSP2812的全數字交流伺服系統的設計與實現方案。該方案充分利用了DSP的外圍電路和控制接口，硬件結構簡單、緊湊；軟件設計采用模塊化方法，便于復雜程序的編寫。實驗結果表明該系統具有快速、準確、無超調的響應特性和較強的魯棒性以及自適應能力，在運動控制領域可以廣泛應用。

［1］吳 峻，趙葵銀.基于DSP的全數字交流位置伺服控制系統的研究［J］.機床與液壓，2003，5（1）：42-43.

［2］LiBo,Sun Li,Kang Erliang,Ding Tianhui.High performance and fulldigital AC position servo system ［J］.IEEEElectrical Machinesand Systems,2005,3（1）:1869-1872.

［3］Texas Instruments Corporation,TMS320F2812 Distal Signal Processors,2006.

［4］楊 耕，羅應立.電機與運動控制系統［M］.清華大學出版社，2006.

［5］Owermars A.H,Toncich D.J.Application of DSP technology to closed-position-loop servo drive systems ［J］.International Journalof Advanced Manufacturing Technology,1996,11（1）:27-33.

［6］Y.-Y.Tzou,M.-F.Tsai,Y.-F.LinandH.Wu.Dual DSP fully digital controlofan inductionmotor［J］.IEEE ISIEConference.Rec.Warsaw,Poland,1996:673-678.

［7］劉 兵,尤 波.基于DSP的伺服運動控制器［J］.哈爾濱理工大學學報,2005,10（3）:114-116.