基于DSP的全數字交流位置伺服控制系統(tǒng)的研究

基于dsp的全數字交流位置伺服控制系統(tǒng)的研究 趙葵銀，吳 俊， 崔海波
（1. 湖南工程學院 ，湖南 湘潭 411101；2. 湘潭大學，湖南 湘潭 411105） 1 引言
伺服控制技術經歷了交磁電機擴大機系統(tǒng)、磁放大器控制、晶體管控制、集成電路控制、計算機控制的發(fā)展過程，至今已進入了一個全新的時期，其主要標志為智能功率集成電路和數字信號處理器的出現(xiàn)，使得伺服系統(tǒng)模塊化和全數字化容易實現(xiàn)，長期以來建立在現(xiàn)代控制理論或其它一些復雜控制算法基礎上的控制原理得以快速在線計算及進行對系統(tǒng)的優(yōu)化處理。 tms320f240是美國ti公司于1997年推出的一種適應于工業(yè)控制，尤其適應于電動機控制的dsp芯片。它的內部結構為哈佛結構，它將dsp的高速運算能力和面向電機的高效控制能力集于一體，它的高速性使復雜的控制策略得以實現(xiàn)。本文提出的基于該dsp的全數字位置伺服控制系統(tǒng)，充分利用其豐富的周邊接口，使系統(tǒng)的結構大為簡化，并實現(xiàn)了系統(tǒng)的在線實時控制。實驗結果表明：該位置伺服系統(tǒng)具有良好動、靜態(tài)性能，且在外界參數大范圍變化的情況下表現(xiàn)出很強的魯棒性。 2數字伺服系統(tǒng)結構 在伺服系統(tǒng)的設計中，在實時性允許的前提下，一般來說，總是盡可能的用軟件資源代替硬件資源，以降低成本，簡化硬件系統(tǒng)結構，提高系統(tǒng)的性價比。tms320f240通過軟件可以靈活的實現(xiàn)矢量pwm輸出、速度檢測、電流檢測等功能。本文設計的基于tms320f240的全數字交流伺服系統(tǒng)，如圖1所示。 圖中的虛線框內的部分代表了tms320f240用于全數字化伺服系統(tǒng)的控制系統(tǒng)組成。現(xiàn)對其中主要部分的具體實現(xiàn)分析如下： 2.1 空間矢量pwm形成方式 tms320f240可工作在空間矢量pwm模式下，我們定義主電路中6個功率器件的8種開關組合為8個基本空間矢量，由tms320f240的pwm發(fā)生電路產生，6個非零矢量和兩個零矢量，分別標注為：u 0、u60、u120 、u180、u240、 o000、o111，相鄰非零矢量之間的夾角為60 0，兩個零矢量位于原點（如圖2所示）。 用空間矢量估算電動機電壓，在任意時刻投影的電動機電壓矢量都落在6個區(qū)中的一個，這樣在任意時間的電動機電壓矢量 uout都可以通過相鄰的基本空間矢量上的兩個矢量元素估算出來：
2.2 電動機速度和方向的檢測 tms320f240的正交編碼脈沖輸入單元(qep)能對脈沖前后沿進行計數，即其本身能進行4倍頻，而無需添加任何硬件，并可根據兩路脈沖的次序判別電機轉向，大大簡化了系統(tǒng)的硬件。tms320f240內部的4個捕獲單元腳，用軟件定義為qep方式。當電動機的速度傳感器（光電編碼器）輸出兩路相位相差90 0正交信號，會被qep工作方式的捕獲單元檢測到這兩路信號，內部便產生一個4倍頻信號時針和一個方向信號，方向信號連接在tms320f240的內部通用定時器的記數方向上，使計數器加或減，時針連接到計數器的輸入端，對計數器中的計數值及變化速率的檢測計算得到電動機的轉速和方向。tms320f240使用內部通用定時器t2或t3，由軟件選擇。圖3為 tms320f240內正交編碼器框圖。 2.3 電流檢測 采用變比為1∶1000霍耳元件檢測主回路電流信號，tms320f240內部有兩個10位a/d轉換器，每一個可接8路模擬信號。由于tms320f240的a/ d輸入信號范圍為0～5 v，先將霍耳元件輸出的小電流信號首先變換為電壓信號，再經放大濾波后進入dsp內部的a/d通道進行反饋控制。 2.4 光電隔離及ipm驅動電路 ipm門極驅動電路見圖4，它實現(xiàn)對dsp的6 路pwm輸出信號與ipm的光電隔離，并實現(xiàn)驅動和電平轉換功能。光耦采用6n137，這是一種快速光耦，三極n為9014，供電電壓為15v，該三極管將來自光耦的ttl電平轉換為ipm的控制極驅動信號。 2.5 保護功能 為保證系統(tǒng)中功率轉換電路及電機驅動電路安全可靠的工作，tms320x240還提供了pdpint輸入信號，利用它可方便地實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的各種保護功能。具體實現(xiàn)電路如圖5所示。 各種故障信號由cd4078綜合后，經光電隔離輸入到pdpint引腳。有任何故障狀態(tài)出現(xiàn)時4078輸出低電平，pdpint引腳也被拉為低電平，此時 dsp內定時器立即停止計數，所有pwm輸出管腳全部呈高阻狀態(tài)，同時產生中斷信號，通知cpu 有異常情況