摘 要: 總線化是工業(yè)控制系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向,基于CAN（Controller Area Network）總線的伺服系統(tǒng)在適用范圍、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性以及抗故障能力等方面有明顯的優(yōu)越性。本文給出了伺服控制器的硬件設(shè)計(jì),選用美國TI公司專門為數(shù)字運(yùn)動(dòng)和電機(jī)控制推出的DSP控制器TMS320LF2407來實(shí)現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)。并給出了交流伺服系統(tǒng)的全閉環(huán)軟件實(shí)現(xiàn)方案。 關(guān)鍵字: 伺服控制, DSP, 電機(jī), CAN 1 引言 　　伺服系統(tǒng)向著全數(shù)字化的方向發(fā)展,而高性能DSP器件的出現(xiàn)為其奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從國內(nèi)外最新的發(fā)展情況來看,國外很多公司都已推出了基于DSP的成型的全數(shù)字交流伺服產(chǎn)品,象國內(nèi)引進(jìn)較多的日本松下、安川等交流伺服系統(tǒng)。目前,國內(nèi)的控制界也己掀起了利用DSP來實(shí)現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)的熱潮。 　　另外,采用高性能控制策略的控制系統(tǒng)具有很好自適應(yīng)能力和抗干擾能力,能夠在參數(shù)時(shí)變及干擾等惡劣的工況下保證系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能?？朔嘶诔Ｒ?guī)控制理論設(shè)計(jì)的電機(jī)控制系統(tǒng)存在的缺陷和不足。本文的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一種基于DSP和CAN總線技術(shù)的高性能全數(shù)字化伺服系統(tǒng)。采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方式對永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度和位置控制。 2 控制系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu) 　　本系統(tǒng)提供的硬件設(shè)計(jì)能夠滿足多種控制算法,能夠滿足本系統(tǒng)的控制要求。它是以TI公司的TMS320LF2407為控制核心設(shè)計(jì)的。TMS320LF2407芯片是TMS320C2000TM平臺下有較高性能價(jià)格比的一種定點(diǎn)DSP芯片。該芯片的低成本、低功耗、高性能的處理能力對電機(jī)的數(shù)字化控制非常有效。可以適用于多種控制策略。我們采用了IGBT CPV363M4K模塊組成逆變橋來實(shí)現(xiàn)功率主回路直流到交流的逆變?？刂葡到y(tǒng)的硬件構(gòu)成見圖1。 　　主要包括:TMS320LF2407微處理器及其外圍電路,主要負(fù)責(zé)控制策略和算法的實(shí)現(xiàn),產(chǎn)生PWM信號、響應(yīng)速度反饋等工作;CAN模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通訊,通過總線接收對電機(jī)的控制信息;JTAG接口電路為仿真器與微機(jī)的接口電路,便于系統(tǒng)進(jìn)行在線調(diào)試。此端口由仿真器直接訪問并提供仿真功能;檢測電路采用了價(jià)格較低的電阻器和價(jià)格較高但性能好的電磁隔離式霍爾傳感器兩套電路來檢測永磁同步電機(jī)的相電流 , ,送入進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并作相應(yīng)處理,實(shí)現(xiàn)控制算法;PWM輸出通過光耦傳輸,使得傳遞PWM控制信號時(shí)控制電路與功率電路隔離;電源模塊將開關(guān)電源提供的+5V電壓變換為+3.3V,為系統(tǒng)供電。 [align=center] 圖1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 　　3.1電流檢測 　　在永磁同步電機(jī)交流控制系統(tǒng)中,控制器需要及時(shí)準(zhǔn)確的知道繞組中實(shí)際電流的大小,以實(shí)現(xiàn)電流控制和電流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。電流采樣必須實(shí)時(shí),準(zhǔn)確可靠,這對實(shí)現(xiàn)控制性能是必須的。電流測量的方法有很多種,一種測量電流的方法是使用簡單的、便宜的電阻器來進(jìn)行測量,當(dāng)然,這種測量方法比較復(fù)雜。然而,在一定的條件下,這種測量方法變得很困難,甚至由于硬件的限制是不可能進(jìn)行測量的,如當(dāng)采用智能功率模塊（IPM）組成逆變橋時(shí),就沒法使用電阻器進(jìn)行相電流的測量。在本系統(tǒng)中采用電磁隔離霍爾元件進(jìn)行電流檢測。檢測電路如下圖2: [align=center] 圖2電流檢測電路[/align] 　　3.2功率主回路設(shè)計(jì) 　　功率主回路是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)工作的強(qiáng)電電路,主要由整流電路、中間直流電路和逆變器三個(gè)環(huán)節(jié)組成,如圖3所示。 [align=center] 圖3 功率主回路電路圖[/align] 　　3.3控制驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) D6 Q6 　　控制驅(qū)動(dòng)電路主要完成對PWM （Pulse Width Modulation）信號的功率放大,以及對逆變器功率管的驅(qū)動(dòng)功能。本文中分別采用SPWM技術(shù)和SVPWM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)功率逆變,將由TMS320LF2407 DSP芯片產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)過功率驅(qū)動(dòng)模塊IR2132進(jìn)行功率放大、然后驅(qū)動(dòng)三相逆變器的六個(gè)功率管。伺服控制器的功率驅(qū)動(dòng)電路主要有功率驅(qū)動(dòng)模塊IR2132和IGBT CPV363M4K組成的三相逆變器組成。將DSP芯片所產(chǎn)生的六路PWM信號直接輸入功率驅(qū)動(dòng)模塊IR2132對信號進(jìn)行放大,然后驅(qū)動(dòng)三相逆變器的六個(gè)功率管。 　　由于DSP本身通過軟件編程可直接產(chǎn)生SPWM信號和SVPWM信號來驅(qū)動(dòng)三相逆變器,所以,大大簡化了系統(tǒng)的外圍硬件電路結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)的可靠性。 　　3.4 CAN控制器模塊設(shè)計(jì) 　　本系統(tǒng)中采用CAN總線接收對電機(jī)的控制信息并向主機(jī)發(fā)送狀態(tài)信息。DSP根據(jù)信息要求對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)等控制。 　　TMS320LF2407 DSP芯片的CAN總線控制器與CAN物理總線的接口采用82C250驅(qū)動(dòng)器芯片。82C250采用阻抗為120。雙絞線作通信介質(zhì),信號采用差動(dòng)發(fā)送和差動(dòng)接收,具有較強(qiáng)的抗干擾能力,其最高通信速率可達(dá)1Mbps。通過對82C250引腳8 （Rs）的不同連接,可以實(shí)現(xiàn)三種不同的工作方式:高速、斜率控制和待機(jī)。本系統(tǒng)采用斜率控制,以降低射頻干擾。為了增強(qiáng)抗干擾能力,保護(hù)CAN控制器,在TMS320LF2407與82C250之間加高速光隔。光隔采用HP公司的HCPL-2630芯片,其速度為l0MHz。電路如圖4示。 [align=center] 圖4 CAN驅(qū)動(dòng)器接口電路[/align] 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 　　在伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,在實(shí)時(shí)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(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)的性價(jià)比。TMS320LF2407,通過軟件變成可以靈活的實(shí)現(xiàn)矢量PWM輸出、速度檢測、電流檢測等功能。 　　在伺服驅(qū)動(dòng)控制中有兩部分軟件:DSP控制程序和上位機(jī)軟件。DSP程序由兩個(gè)模塊組成,即主程序模塊和中斷服務(wù)程序模塊,主程序模塊主要完成中斷矢量的聲明、內(nèi)存變量的定義、各個(gè)功能模塊的初始化等工作;中斷模塊主要是進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)的處理以及與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。 　　主程序內(nèi)完成系統(tǒng)的初始化,I/O接口控制信號,DSP內(nèi)各個(gè)控制模塊寄存器的設(shè)置等,然后進(jìn)入循環(huán)程序。初始化工作主要包括:DSP內(nèi)核的初始化;電流環(huán)、速度環(huán)的周期設(shè)定;PWM初始化,包括PWM的周期設(shè)定,死區(qū)設(shè)定,以及PWM的啟動(dòng);ADC初始化及啟動(dòng);QEP初始化;CAN控制器初始化;永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置初始化;進(jìn)行多次伺服電機(jī)相電流采樣,求出相電流 和 。的零偏移量;電流PI調(diào)節(jié)初始化;速度PI調(diào)節(jié)初始化等。所有的初始化工作完成后,主程序進(jìn)入等待狀態(tài),以等待中斷的發(fā)生,進(jìn)行電流環(huán)和速度環(huán)的調(diào)節(jié)。主程序流程如圖5所示。 [align=center] 圖5 主程序流程圖[/align] 本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 　　本文開發(fā)了一套基于DSP的高性能交流同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用TI公司的電機(jī)控制專用DSP-TMS320LF2407作為控制核心,實(shí)現(xiàn)了高精度的電流和速度雙閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電壓空間矢量的數(shù)字化,并且實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對于系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)監(jiān)控,取得了良好的控制效果。 參考文獻(xiàn): 　　[1] 蔡春偉,采用USB和DSP技術(shù)的全數(shù)字伺服控制器的研究與開發(fā)[D],山東大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.5. 　　[2] 江思敏等,TMS320LF240x DSP硬件開發(fā)教程[M],機(jī)械工業(yè)出版社,2003。 　　[3] 王紀(jì)俊,劉賢興,王德明,王麗敏等,神經(jīng)元控制器在感應(yīng)電機(jī)矢量控制中的應(yīng)用[J],江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2003年3月第24卷第2期。 　　[4] 章恒,朱紀(jì)洪,蔣志宏. 雙通道伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2007, 2-1: 110-111