基于DSP2812的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)

趙香桂，董海鷹，趙宇坤

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字伺服系統(tǒng)逐步取代了傳統(tǒng)的模擬式、模數(shù)混合式伺服系統(tǒng)，并在許多高科技領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用，如數(shù)控機床、工業(yè)機器人大規(guī)模集成電路、雷達以及軍用武器隨動系統(tǒng)等［1-2］。研究高速、高精度、高可靠性和強抗干擾能力的嵌入式微控制器的全數(shù)字伺服系統(tǒng)，已成為當代電機伺服控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。TMS320F2812 DSP芯片功耗低、指令執(zhí)行周期短、外設(shè)資源豐富，是用于電機控制的高性能、多功能的32位定點芯片［3］。本文基于DSP2812，采用矢量控制技術(shù)，實現(xiàn)對交流電機的全數(shù)字位置伺服控制，并對實驗結(jié)果進行了分析。

2 交流伺服電機的控制方案

異步電機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)。為了使調(diào)速系統(tǒng)具有較高的動態(tài)性能，本文采用按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方案。矢量控制技術(shù)利用坐標變換將三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，再經(jīng)過按轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)變換實現(xiàn)對定子電流勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達到對交流電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩分別控制的目的，這樣就可以將一臺三相異步電動機等效為直流電動機來控制,因而可獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)性能相媲美的靜態(tài)及動態(tài)性能［4］。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交流電機伺服控制系統(tǒng)結(jié)框圖

調(diào)速過程中采用空間電壓矢量PWM（SVPWM）技術(shù)，模型簡單,便于數(shù)字化實現(xiàn),并具有轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲低、電壓利用率高等優(yōu)點。伺服控制器采用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的三環(huán)控制技術(shù)，提高了伺服系統(tǒng)控制精度、快速性、可靠性與抗干擾性［5］。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)以TMS320F2812為處理器，以增量式光電編碼器和LEM電流傳感器為反饋通道裝置，以智能功率模塊IPM為主開關(guān)功率器件實現(xiàn)交流電機的全數(shù)字高性能控制。其硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

采用32位DSP芯片TMS320F2812作為系統(tǒng)運算控制模塊，接收來自SCI、編碼器接口、電流檢測模塊和故障信號處理模塊的信息，進行數(shù)據(jù)處理，完成對交流電機的控制和故障處理［6］。

采用LEM電流傳感器（LTS15-NP）實現(xiàn)對定子兩相電流的檢測。經(jīng)過電流檢測模塊，將具有正負極性的定子電流信號通過濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉(zhuǎn)化為0-3V的電壓信號送入DSP的A/D引腳。為矢量控制和系統(tǒng)過流保護提供實時電流信號。

采用增量式光電編碼器（RHI 503）作為速度和位置信號的檢測器件。光電編碼器輸出A、B、Z三相脈沖信號。A、B脈沖信號是一對正交編碼脈沖（QEP），相位相差90°，頻率是電動機機械轉(zhuǎn)速頻率的1024倍；Z信號為零位脈沖信號，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一周將產(chǎn)生一個零位脈沖。DSP的QEP單元對光電編碼器輸出的脈沖序列進行計數(shù)，這樣通過定時讀取該計數(shù)器的計數(shù)值即可得到電機轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。TMS320F2812 QEP單元實現(xiàn)了對光電脈沖的4倍頻計數(shù)，從而提高了速度和位置的檢測精度。

采用智能功率模塊IPM（6MBP50RA060）作為系統(tǒng)的主開關(guān)功率器件。該模塊把功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路集成在一起，內(nèi)置有直流母線過壓保護和過流保護電路等故障檢測電路。IPM故障保護輸出信號相與后送入DSP的PDPINTA引腳，當PDPINTA引腳接收到低電平信號時，將響應故障中斷，封鎖PWM輸出，同時PWM輸出引腳全部呈高阻狀態(tài)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了獲得伺服系統(tǒng)快速、準確、無超調(diào)的特性，系統(tǒng)采用位置環(huán)，速度環(huán)，電流環(huán)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)［7］。其中速度環(huán)和電流環(huán)采用抗積分飽和的PID控制器，以防止PID調(diào)節(jié)器出現(xiàn)過飽和［3］，調(diào)節(jié)器原理如圖3所示。

圖3 抗積分飽和PID控制器原理圖

位置環(huán)采用比例前饋補償控制，按照給定變化進行控制，當給定的變化出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立刻根據(jù)其性質(zhì)和大小對被控參數(shù)進行控制，使被控量能及時跟隨給定值的變化，大大減少控制的滯后性，前饋控制器如圖4所示。

圖4 前饋控制器原理圖

系統(tǒng)軟件由DSP主程序和中斷服務子程序組成。其中，中斷服務子程序包括定時器1下溢中斷程序、光電編碼器零脈沖捕獲程序、功率驅(qū)動保護程序和通訊中斷程序4部分。主程序主要完成系統(tǒng)初始化，各外設(shè)模塊（A/D，SCI，EVA等）初始化，系統(tǒng)所需變量的初始化以及系統(tǒng)設(shè)置的中斷，并進入循環(huán)中等待中斷。

定時器1下溢中斷程序為整個系統(tǒng)的主中斷程序，主要完成位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)調(diào)節(jié)器的調(diào)度以及電流、速度、位置反饋通道的采樣與運算，然后調(diào)用正向通道中的矢量運算模塊函數(shù)，最終輸出三相逆變器的空間矢量PWM波信號，程序流程如圖5所示。光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序用于捕捉電機轉(zhuǎn)子零位Z脈沖。通訊中斷程序主要實現(xiàn)與上位機通信，接收并刷新控制參數(shù)，同時設(shè)置運行模式。功率驅(qū)動保護中斷程序則用于IPM的故障檢測，當IPM出現(xiàn)故障時，DSP的PWM通道將被封鎖，相應輸出口成高阻態(tài)。

圖5 下溢中斷服務子程序流程圖

為了提高系統(tǒng)的控制精度，本系統(tǒng)電流環(huán)采樣周期為0.1ms,速度環(huán)采樣周期0.5ms，位置環(huán)采樣周期1ms。

5 實驗研究

在以TMS320F2812為主控制芯片搭建的實驗平臺上，對全數(shù)字交流伺服控制系統(tǒng)進行了實驗。本實驗采用鼠籠式三相異步電機，具體參數(shù)為：

PN=2.2kw，UN=380V，IN=5.9A，fN50Hz，p=2，Y型接法 LS=Lr=0.1801mH，Lm=0.1893mH，Rr=2.27Ω，Rs=2.75Ω。實驗中IGBT開關(guān)頻率為10kHz，PWM波形死區(qū)時間為3.2μs。

在程序的調(diào)試過程中，可以用1 kΩ電阻和0.1μF的無極性電容對DSP的PWM波輸出進行濾波，用示波器觀測相關(guān)波形。ABC三相相電壓波形應滿足相位差120°的對稱關(guān)系，線電壓波形為正弦波，A、B相電壓及其對應的線電壓波形如圖6所示。

圖6 A、B相相電壓波形及線電壓波形

如圖7所示為電機在600r/min轉(zhuǎn)速下，3.2s處突然加載（10N·m）時的轉(zhuǎn)速波形和q軸轉(zhuǎn)矩電流波形。從實驗結(jié)果可以看出,電機轉(zhuǎn)速準確地跟蹤了給定指令，控制精度高；加載瞬間，轉(zhuǎn)矩電流迅速上升到4A左右,同時轉(zhuǎn)速有一個較小的波動，大約100ms后轉(zhuǎn)速恢復為600r/min，系統(tǒng)具有較強的抗干擾性。

圖7 600r/min轉(zhuǎn)速下突加負載的轉(zhuǎn)速和q軸轉(zhuǎn)矩電流波形

本實驗中，全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)中減速箱和位置齒輪箱的總速比為480:1。當系統(tǒng)收到上位機起動命令，電機經(jīng)加速過程后以600r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，位置齒輪則以8°/s的速度跟蹤到給定位置。如圖8所示為電機運行過程中的線電壓和相電流波形，從圖8中可看出定子線電壓是不同占空比的脈寬調(diào)制波，由于電機定子繞組的電感作用，電流是連續(xù)的正弦波。當上位機位置信號按0°→35°→60°給定時，電機正轉(zhuǎn)，經(jīng)加速過程后，以600r/min的轉(zhuǎn)速跟蹤目標位置指令，當上位機位置信號按60°→40°→0°給定時，電機反轉(zhuǎn)，經(jīng)加速過程后，同樣以600r/min的轉(zhuǎn)速跟蹤目標位置。其中，齒輪圈位置跟蹤曲線如圖9所示，和位置曲線相對應的電機轉(zhuǎn)速曲線如圖10所示。實驗結(jié)果表明，該交流伺服系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能。

圖8 電機運行過程中的線電壓和相電流波形

圖9 齒輪圈位置跟蹤曲線

圖10 電機速度曲線

6 結(jié)論

本文提出了一種基于DSP2812的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方案。該方案充分利用了DSP的外圍電路和控制接口，硬件結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；軟件設(shè)計采用模塊化方法，便于復雜程序的編寫。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有快速、準確、無超調(diào)的響應特性和較強的魯棒性以及自適應能力，在運動控制領(lǐng)域可以廣泛應用。

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