基于DSP的數(shù)字伺服機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 湍，季 祥

（1.洛陽光電技術(shù)發(fā)展中心 河南 洛陽 471009；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南 南陽 473009）

伺服系統(tǒng)是控制系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。電機(jī)作為伺服系統(tǒng)中關(guān)鍵部件，對(duì)電機(jī)的控制精度和準(zhǔn)確度要求越來越高。無刷電機(jī)因其壽命長、可靠性好、運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在伺服系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。使用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的伺服系統(tǒng)可以只用一片DSP實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的算法，控制精度高，可對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行更有效的控制。文中以TMS320F2812為控制核心實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無刷電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制，并給出了試驗(yàn)結(jié)果。

1 控制器原理及設(shè)計(jì)方案

1.1 控制器原理及硬件設(shè)計(jì)

控制器[1]分為3個(gè)單元：中央處理單元即DSP用于接受控制指令，計(jì)算并校正控制信號(hào)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作；執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行主控指令并反饋伺服機(jī)構(gòu)狀態(tài)給中央處理單元以校正伺服機(jī)構(gòu)狀態(tài)。工作原理如圖1所示。

圖1 控制器工作原理圖Fig.1 The operational principle of control unit

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(zhuǎn)換器將+27 V輸入電壓轉(zhuǎn)換成+12 V和-12 V工作電壓，用CW78L05將+12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V工作電壓。同理用FW431將5 V電壓轉(zhuǎn)換成4 V的基準(zhǔn)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(hào)并轉(zhuǎn)換成控制指令信號(hào)[1]。由SPI總線接口接收?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)反饋回來的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置信號(hào)與控制信號(hào)一起通過控制算法轉(zhuǎn)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(xiàn)。

1.4 反饋電路

反饋部分采用在執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝同步電位計(jì)，通過電位計(jì)反饋電壓信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后，經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)反饋給DSP。

反饋信號(hào)信號(hào)調(diào)理電路選用LM148，并在輸入信號(hào)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(zhuǎn)換的位數(shù)不足，因此選用TLC2574將放大后的反饋模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過SDI和SDO端口與DSP傳遞數(shù)字信號(hào)。

1.5 驅(qū)動(dòng)電路

DSP輸出的PWM和DIR信號(hào)為3.3 V，為避免驅(qū)動(dòng)能力不足，DSP的輸出信號(hào)經(jīng)SN74ALVC164245由3.3 V上拉至5 V，輸出電流為24 mA。

光耦隔離電路用于將功率驅(qū)動(dòng)電路[2]的信號(hào)與DSP控制信號(hào)進(jìn)行隔離，避免功率電源對(duì)數(shù)字控制電路造成干擾。光耦選用HCPL2231，該芯片由兩路獨(dú)立光耦組成，當(dāng)輸入為低時(shí)，二極管導(dǎo)通，輸出為高。輸出信號(hào)+15 V上拉。

由于驅(qū)動(dòng)板中運(yùn)放LM193和FX3140，以及邏輯門電路4069、4070、4073、4081 的工作電壓為+15 V，因此需要將系統(tǒng)工作電壓+27 V經(jīng)由電源模塊轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)板中芯片工作電壓+15 V。邏輯門電路根據(jù)電機(jī)霍爾位置信號(hào)HA、HB、HC和電機(jī)方向信號(hào)DIR產(chǎn)生控制6個(gè)MOS管開關(guān)的控制信號(hào)。并且將PWM信號(hào)合成到功率開關(guān)管的導(dǎo)通相序中[3]。

驅(qū)動(dòng)部分前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路采用IR2103，以提高邏輯電路輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，用來開啟和關(guān)閉后級(jí)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(xù)工作電流33 A。

當(dāng)伺服系統(tǒng)中出現(xiàn)持續(xù)過載情況或者逆變電路出現(xiàn)直通時(shí)，電路輸出電流過大，會(huì)燒壞電機(jī)或損壞功率器件，因此需加入過流保護(hù)電路。將采樣電阻采集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理后與設(shè)定值比較，以限定電機(jī)的最大工作電流。

2 軟件系統(tǒng)

控制軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，針對(duì)各個(gè)功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序模塊[4]。主程序通過對(duì)各個(gè)子函數(shù)的合理調(diào)用和控制最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)伺服系統(tǒng)的合理工作。

當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，首先完成對(duì)各個(gè)程序模塊的初始化，包括CPU時(shí)鐘、看門狗、中斷、SCI口、定時(shí)器、控制參數(shù)、PWM等。完成各個(gè)模塊的初始化后，在最后的死循環(huán)中，執(zhí)行伺服機(jī)構(gòu)控制算法等待串口中斷：首先啟動(dòng)AD采集，采樣結(jié)束后，讀取AD的采樣結(jié)果。利用采樣結(jié)果和通過中斷接收的伺服控制指令控制電機(jī)工作。如果判斷通信出現(xiàn)，則執(zhí)行SCI口初始化，重新復(fù)位串口?？刂栖浖捎肅語言編寫，各個(gè)模塊可以相互調(diào)用，工作效率高，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。

3 測試系統(tǒng)及試驗(yàn)結(jié)果

測試系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓電源提供+27 V控制電，兩個(gè)直流電源提供電機(jī)工作電壓，其中-45 V為工作電壓，+45 V為補(bǔ)償電壓。測試平臺(tái)采用研華的數(shù)據(jù)采集和控制平臺(tái)，由LabCVI實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電路的仿真測試控制和數(shù)據(jù)采集[5]。試驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。

圖2 空載角速度測試Fig.2 Measurements of Non-Load Angular Velocity

圖3 10 Hz動(dòng)態(tài)特性測試Fig.3 Measurements of dynamic characteristics

圖4 階躍特性測試Fig.4 Measurements of step characteristics

4 結(jié) 論

與傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)相比，基于DSP的數(shù)字伺服機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)既有數(shù)字系統(tǒng)精度高、靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又充分發(fā)揮了無刷直流電機(jī)可靠性高、快速性好的優(yōu)點(diǎn)，大幅提升了伺服系統(tǒng)的整體性能[6]。同時(shí)該系統(tǒng)的建模、仿真、測試、維修等與傳統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)相比更加快捷、有效，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。該伺服控制系統(tǒng)可以同時(shí)控制多個(gè)直流無刷電機(jī)同時(shí)工作，已在某型伺服機(jī)構(gòu)中驗(yàn)證并應(yīng)用。

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[2]劉建斌.基于DSP的電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].導(dǎo)航與控制，2008（7）：15-17.LIU Jian-bin.Design of the electromechanical actuator system based on DSP[J].Navication and Control，2008（7）：15-17.

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