基于DSP的全数字交流位置伺服控制系统的研究

基于DSP的全数字交流位置伺服控制系统的研究

赵葵银，吴 俊， 崔海波
（1. 湖南工程学院 ，湖南 湘潭 411101；2. 湘潭大学，湖南 湘潭 411105）

1 引言
伺服控制技术经历了交磁电机扩大机系统、磁放大器控制、晶体管控制、集成电路控制、计算机控制的发展过程，至今已进入了一个全新的时期，其主要标志为智能功率集成电路和数字信号处理器的出现，使得伺服系统模块化和全数字化容易实现，长期以来建立在现代控制理论或其它一些复杂控制算法基础上的控制原理得以快速在线计算及进行对系统的优化处理。

TMS320F240是美国TI公司于1997年推出的一种适应于工业控制，尤其适应于电动机控制的DSP芯片。它的内部结构为哈佛结构，它将DSP的高速运算能力和面向电机的高效控制能力集于一体，它的高速性使复杂的控制策略得以实现。本文提出的基于该DSP的全数字位置伺服控制系统，充分利用其丰富的周边接口，使系统的结构大为简化，并实现了系统的在线实时控制。实验结果表明：该位置伺服系统具有良好动、静态性能，且在外界参数大范围变化的情况下表现出很强的鲁棒性。

2数字伺服系统结构

在伺服系统的设计中，在实时性允许的前提下，一般来说，总是尽可能的用软件资源代替硬件资源，以降低成本，简化硬件系统结构，提高系统的性价比。TMS320F240通过软件可以灵活的实现矢量PWM输出、速度检测、电流检测等功能。本文设计的基于TMS320F240的全数字交流伺服系统，如图1所示。

图中的虚线框内的部分代表了TMS320F240用于全数字化伺服系统的控制系统组成。现对其中主要部分的具体实现分析如下：

2.1 空间矢量PWM形成方式

TMS320F240可工作在空间矢量PWM模式下，我们定义主电路中6个功率器件的8种开关组合为8个基本空间矢量，由TMS320F240的PWM发生电路产生，6个非零矢量和两个零矢量，分别标注为：U 0、U60、U120 、U180、U240、 O000、O111，相邻非零矢量之间的夹角为60 0，两个零矢量位于原点（如图2所示）。

用空间矢量估算电动机电压，在任意时刻投影的电动机电压矢量都落在6个区中的一个，这样在任意时间的电动机电压矢量 UOUT都可以通过相邻的基本空间矢量上的两个矢量元素估算出来：

2.2 电动机速度和方向的检测

TMS320F240的正交编码脉冲输入单元(QEP)能对脉冲前后沿进行计数，即其本身能进行4倍频，而无需添加任何硬件，并可根据两路脉冲的次序判别电机转向，大大简化了系统的硬件。TMS320F240内部的4个捕获单元脚，用软件定义为QEP方式。当电动机的速度传感器（光电编码器）输出两路相位相差90 0正交信号，会被QEP工作方式的捕获单元检测到这两路信号，内部便产生一个4倍频信号时针和一个方向信号，方向信号连接在TMS320F240的内部通用定时器的记数方向上，使计数器加或减，时针连接到计数器的输入端，对计数器中的计数值及变化速率的检测计算得到电动机的转速和方向。TMS320F240使用内部通用定时器T2或T3，由软件选择。图3为 TMS320F240内正交编码器框图。

2.3 电流检测

采用变比为1∶1000霍耳元件检测主回路电流信号，TMS320F240内部有两个10位A/D转换器，每一个可接8路模拟信号。由于TMS320F240的A/ D输入信号范围为0～5 V，先将霍耳元件输出的小电流信号首先变换为电压信号，再经放大滤波后进入DSP内部的A/D通道进行反馈控制。

2.4 光电隔离及IPM驱动电路

IPM门极驱动电路见图4，它实现对DSP的6 路PWM输出信号与IPM的光电隔离，并实现驱动和电平转换功能。光耦采用6N137，这是一种快速光耦，三极N为9014，供电电压为15V，该三极管将来自光耦的TTL电平转换为IPM的控制极驱动信号。

2.5 保护功能

为保证系统中功率转换电路及电机驱动电路安全可靠的工作，TMS320X240还提供了PDPINT输入信号，利用它可方便地实现伺服系统的各种保护功能。具体实现电路如图5所示。

各种故障信号由CD4078综合后，经光电隔离输入到PDPINT引脚。有任何故障状态出现时4078输出低电平，PDPINT引脚也被拉为低电平，此时 DSP内定时器立即停止计数，所有PWM输出管脚全部呈高阻状态，同时产生中断信号，通知CPU 有异常情况发生。整个过程不需要程序干预，全部自动完成，这对实现各种故障状态的快速处理非常有用。

2.6 系统与上位机的通讯
系统中用SCI接口完成与上位机的通讯功能，采用RS-232通信，波特率达19.2 kbps，通过上位机可以给定位置量，同时控制过程中电机的速度、电流、位置反馈量等参数也可以实时地送上位机显示；SPI接口完成串行驱动数码管显示的功能，通过数字I/O扩展的键盘也可以设定位置给定量，由数码管显示；程序可直接固化在片内的ROM或 FLASH EEPROM中，并由看门狗和实时中断定时器完成程序走飞后的系统复位。

3 结束语
采用TMS320F240芯片为设计的数字伺服系统，很好地解决了伺服系统中PWM信号的生成、电机速度反馈大小及电动机电流反馈问题，能方便实现保护功能，系统硬件得到了极大的简化，提高了系统的可靠性，减小了伺服系统的体积，降低了成本。TMS320F240先进的内部总线结构及指令执行的高速性，极大提高了系统的实时性和控制，使得一些复杂的算法得以实现。

  

参考文献:

[1]. TMS320F240 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TMS320F240_309662.html.
[2]. 6N137 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/6N137_91364.html.
[3]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[4]. RS-232 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS-232_584855.html.
[5]. ROM datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ROM_1188413.html.