基于TMS320F2812的雙通道高精度伺服系統(tǒng)

0 引　言

      以無刷直流電動機(jī)為核心的無刷直流伺服系統(tǒng)具有優(yōu)越的調(diào)速特性以及壽命長、效率高、維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn),高精度、高可靠性、高智能化的無刷直流伺服系統(tǒng)是當(dāng)前伺服系統(tǒng)的重要發(fā)展方向[ 1 - 2 ] 。隨著微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展,伺服系統(tǒng)能夠獲得越來越高的工作精度、較寬的調(diào)速范圍,促進(jìn)了伺服系統(tǒng)在各個行業(yè)和領(lǐng)域應(yīng)用,例如工業(yè)自動化控制。在工業(yè)自動化領(lǐng)域中,某些場合如高精度數(shù)控機(jī)床和一些液壓設(shè)備需要兩臺或者多臺電機(jī)同時(shí)工作來達(dá)到保證精度、提高性能的目的。一種液壓設(shè)備要求兩臺伺服電機(jī)同時(shí)工作,并有較高的伺服精度要求,需要設(shè)計(jì)合適的伺服系統(tǒng)。本文介紹了以高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812 為控制核心的雙通道高精度伺服控制系統(tǒng),充分利用其豐富的片內(nèi)資源,簡化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),取得了較好的效果,滿足了設(shè)備的要求。

1 方案設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)較高的精度,這就需要降低伺服電機(jī)運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)矩波動,可以從電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制算法兩個方面加以考慮:伺服系統(tǒng)采用無槽結(jié)構(gòu)的無刷直流電動機(jī)（BLDCM）作為伺服電機(jī),換相控制方式為電壓空間矢量（ SVPWM）正弦波驅(qū)動技術(shù)。無刷直流電動機(jī)采用正弦波驅(qū)動方式,三相繞組通入對稱三相交流電,電樞磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場,方向連續(xù)變化, 實(shí)現(xiàn)較低的轉(zhuǎn)矩紋波、平滑運(yùn)轉(zhuǎn)和較低的工作噪聲,文獻(xiàn)[ 3 ]證明了SVPWM驅(qū)動技術(shù)對于降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動有較好的效果;無槽結(jié)構(gòu)的無刷直流電動機(jī)消除了齒槽效應(yīng), 具有轉(zhuǎn)矩波動小、運(yùn)行平穩(wěn)、噪聲低、電樞電感小、定位干擾力矩小等特點(diǎn),采用正弦波繞組后,從結(jié)構(gòu)上配合正弦波驅(qū)動技術(shù)使得系統(tǒng)高精度控制的實(shí)現(xiàn)更為容易。采用正弦波驅(qū)動方式,要求電機(jī)安裝有高分辨率的位置傳感器以提供精確的轉(zhuǎn)子位置信息。旋轉(zhuǎn)變壓器用來作為轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度檢測,滿足正弦波驅(qū)動的位置精度要求。
      普通的電機(jī)控制用微控制器只有一個電機(jī)控制單元,如果同時(shí)控制兩臺三相電機(jī),需要外部擴(kuò)展一定數(shù)量的器件和接口,大大提高了成本,降低了可靠性。TMS320F2812是新一代電機(jī)控制專用數(shù)字信號處理器,集成度高,運(yùn)算速度快,帶有兩個事件管理器,能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)對兩臺三相電機(jī)的調(diào)速控制,因此選擇TSM320F2812作為核心控制器。伺服系統(tǒng)方案原理框圖如圖1所示

無刷直流電動機(jī)是系統(tǒng)的伺服驅(qū)動單元;采用PC機(jī)作為上位機(jī)平臺,通過RS - 485總線實(shí)現(xiàn)對伺服系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)兩個通道的技術(shù)指標(biāo)及控制對象相同,因此各個通道采取了相同的硬件結(jié)構(gòu),以利于降低系統(tǒng)成本,縮短開發(fā)周期。 
      TMS320F2812作為整個控制器的核心,根據(jù)控制算法產(chǎn)生PWM調(diào)制信號,與保護(hù)電路產(chǎn)生的信號綜合后,經(jīng)過驅(qū)動電路放大控制逆變電路,實(shí)現(xiàn)對伺服電動機(jī)的控制。信號發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波信號作為旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵信號及角度變換（Resolver - to - Digital Converter, RDC）電路的參考信號。旋轉(zhuǎn)變壓器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸連接,實(shí)現(xiàn)角度位置檢測及反饋、速度計(jì)算及反饋功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
      兩個通道采用相同的硬件電路,因此下面所討論的硬件電路都在兩個通道中得到應(yīng)用。

2. 1 功率電路設(shè)計(jì)

圖2 功率電路
      功率電路包括驅(qū)動電路和逆變電路兩個部分。圖2是單個通道的功率電路原理圖,三相逆變電路由6只功率MOSFET構(gòu)成。系統(tǒng)采用了集成驅(qū)動芯片IR2133實(shí)現(xiàn)對功率MOSFET的驅(qū)動控制,具有欠電壓保護(hù)和過電流保護(hù)功能。IR2133的供電采用了自舉方式,用單電源經(jīng)過3個二極管給逆變器的3個上橋臂驅(qū)動電路供電, 3個下橋臂則共用一個電源。PWM輸入信號經(jīng)過IR2133放大后驅(qū)動MOS2FET工作,產(chǎn)生控制BLDCM 的三相電壓。IR2133內(nèi)部集成的運(yùn)算放大器采集母線電流信號,實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。ITR IP引腳外接采樣電阻,實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。當(dāng)發(fā)生電源欠電壓或過電流故時(shí),FAULT引腳輸出為低電平,送至TMS320F2812的故障保護(hù)引腳,關(guān)閉PWM輸出,實(shí)現(xiàn)報(bào)警保護(hù)功能。圖中R6、R7 構(gòu)成分壓電路,檢測直流母線的供電電壓,防止系統(tǒng)工作在異常供電條件下,并根據(jù)檢測到的電壓執(zhí)行電壓補(bǔ)償算法,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2. 2 RDC電路設(shè)計(jì)

      本系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測元件。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正/余弦信號經(jīng)過RDC電路后變成數(shù)字信號,通過數(shù)據(jù)總線送入TMS320F2812,構(gòu)成轉(zhuǎn)子位置檢測反饋通道。位置反饋、轉(zhuǎn)子位置確定、速度測量都取決于該通道,其精度是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定及位置精度的關(guān)鍵因素之一,所以該反饋電路是系統(tǒng)的關(guān)鍵通道。為了保證該通道的精度,系統(tǒng)采用了AD2S83集成電路實(shí)現(xiàn)RDC變換功能,具有抗干擾能力強(qiáng),線性度好,精度高等優(yōu)點(diǎn),電路如圖3所示。

 圖3 RDC角度轉(zhuǎn)換電路
      圖3中,旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號送入AD2S83,DATA [ 0～16 ]為AD2S83 的數(shù)字輸出; SC1 和SC2選擇AD2S83輸出精度,根據(jù)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇。在設(shè)計(jì)過程中,充分利用了TMS320F2812資源豐富、引腳多的特點(diǎn),由其對精度選擇位進(jìn)行控制,擴(kuò)展了使用對象; 本系統(tǒng)伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,AD2S83最終選擇14 位精度。參考信號的頻率為18 kHz,圖中各個元件取值的詳細(xì)計(jì)算過程見文獻(xiàn)[ 6 ]。

3 控制策略及實(shí)現(xiàn)
      本系統(tǒng)為實(shí)時(shí)性強(qiáng)的數(shù)字化高精度伺服系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,充分利用了數(shù)字控制技術(shù),簡化硬件電路設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)可靠性,充分發(fā)揮軟件強(qiáng)大功能,用軟件產(chǎn)生部分傳統(tǒng)上由硬件電路實(shí)現(xiàn)的功能?？刂破鬈浖饕蓛蓚€部分構(gòu)成,一是主循環(huán)程序,二是PWM定時(shí)器下溢中斷服務(wù)子程序。主程序和中斷服務(wù)子程序相互配合,完成伺服電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。主循環(huán)程序負(fù)責(zé)硬件外設(shè)的初始化、數(shù)據(jù)初始化和電機(jī)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換,并在發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信息。由于采用的是單芯片控制兩臺伺服電機(jī)的方法,因此實(shí)現(xiàn)兩臺伺服電機(jī)的協(xié)同控制,完成狀態(tài)機(jī)的切換是主程序最重要的任務(wù)。按照設(shè)備的工作要求,兩臺伺服電機(jī)分為左右電機(jī),其工作狀態(tài)有5個:左電機(jī)單獨(dú)工作、右電機(jī)單獨(dú)工作、左右電機(jī)同步工作、左右電機(jī)差動工作和左右電機(jī)鎖定保持,其中左/右電機(jī)單獨(dú)工作時(shí),另外一臺電機(jī)處于鎖定狀態(tài),防止誤動作。根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的控制指令,主程序確定工作狀態(tài),為中斷服務(wù)子程序的控制實(shí)現(xiàn)做準(zhǔn)備。PWM定時(shí)器下溢中斷服務(wù)子程序是核心部分,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器信號讀取、電流檢測、電壓檢測、轉(zhuǎn)速計(jì)算和系統(tǒng)閉環(huán)控制等功能。TMS320F2812 集成有兩個事件管理器,每個事件管理器可以單獨(dú)控制一臺伺服電機(jī)。由于硬件電路采用了相同的設(shè)計(jì),伺服電機(jī)完全相同,最后的技術(shù)指標(biāo)也一致,因此對兩臺伺服電機(jī)的控制采取相同的控制算法,分別由各個事件管理器的中斷服務(wù)子程序調(diào)用執(zhí)行。根據(jù)SVPWM算法原理,在TMS320F2812中存儲了一個正弦表格,表格的長度依據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器的分辨率和系統(tǒng)要求的控制精度進(jìn)行設(shè)置。由于采用了高精度的旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)位置檢測,根據(jù)測得的無刷直流電動機(jī)反電勢信號將一個電周期劃分為六個扇區(qū),由讀取的旋轉(zhuǎn)變壓器信號確定相應(yīng)的扇區(qū)號。圖4是PWM定時(shí)器中斷服務(wù)子程序的流程圖。

 在PWM中斷服務(wù)子程序中,實(shí)時(shí)讀取RDC電路的輸出信號,作為SVPWM控制算法的角度依據(jù); RDC電路的輸出信號與電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息相對應(yīng),可計(jì)算出伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和位置信號,并根據(jù)A /D采樣獲得的電流信號,計(jì)算實(shí)時(shí)誤差,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制,產(chǎn)生新的PWM占空比,通過調(diào)節(jié)占空比,控制作為伺服驅(qū)動單元的無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,達(dá)到實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)高精度控制的目的。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

      伺服系統(tǒng)采用的兩臺無刷直流電動機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要參數(shù)為:額定功率80W,額定電壓28 V,最高轉(zhuǎn)速1 500 r/min,極對數(shù)p = 2,相電阻R = 0. 42Ω,相電感L = 2. 1 mH。系統(tǒng)工作時(shí)的PWM斬波頻率為25 kHz, SVPWM采用雙極性調(diào)制技術(shù)。

圖5a是左右通道經(jīng)過RC濾波后的一相電壓波形,圖5b是單臺伺服電機(jī)工作時(shí)的相電流波形,圖5c是伺服系統(tǒng)的起動加速曲線。采用軟起動方式初始加速時(shí)間稍長,但對伺服系統(tǒng)具有一定的保護(hù)功能;并且系統(tǒng)采用了軟起動技術(shù),使得在加速階段轉(zhuǎn)速超調(diào)幾乎為零,保證了系統(tǒng)的精度。系統(tǒng)運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速時(shí),在10 min內(nèi)測量到的最大角度誤差為1. 87°,而最大轉(zhuǎn)速偏差為±1. 0%。由于采用了高精度的旋轉(zhuǎn)變壓器作為檢測元件,伺服系統(tǒng)的最低轉(zhuǎn)速低至0. 1r /min,滿足了低速場合的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用TMS320F2812同時(shí)控制兩臺伺服電機(jī),利用合理的控制算法和高精度傳感器,能夠獲得較高的控制精度,滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。