基于DSP的Stewart平臺直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)

霍　琦，朱明超，李　昂，韓　康

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 空間機器人工程中心，吉林 長春　130033）

基于DSP的Stewart平臺直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)

霍琦，朱明超，李昂，韓康

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 空間機器人工程中心，吉林 長春130033）

針對Stewart平臺精確定位控制的要求，設計了一種基于DSP技術的伺服控制系統(tǒng)，以直流無刷電機（BLDC）作為驅(qū)動裝置。重點給出了Stewart平臺伺服控制系統(tǒng)的原理，直流無刷電機控制器硬件及軟件的設計與實現(xiàn)。實驗結果表明該基于DSP的Stewart平臺直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，并且具有高精度的定位控制能力。

Stewart平臺；DSP；直流無刷電機；伺服控制

Stewart平臺是一類具有高精度、高穩(wěn)定性的精確定位控制設備，其伺服控制系統(tǒng)的精度決定Stewart平臺的性能。直流無刷電機既有交流電機結構簡單、運行可靠及便于維護等優(yōu)點，又具有直流有刷電機運行效率高、無勵磁損耗及調(diào)速性能好等優(yōu)點，并克服了有刷電機因機械電刷和換向器所引起的噪聲干擾、火花及維修等缺點，且降低了成本，因此在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用［1-4］。要實現(xiàn)Stewart平臺伺服控制系統(tǒng)的高精度需求，對控制器的運算能力有一定的要求，因此采用德州儀器公司的TMS320F28335數(shù)字信號處理器作為控制器，采用Allegro公司的A3930芯片作為驅(qū)動器，并應用于Stewart平臺伺服控制系統(tǒng)中。文中主要介紹了應用DSP數(shù)字信號處理器設計直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)，實驗結果表明，伺服控制系統(tǒng)具有良好的精密定位能力，且具有較強的實時性、魯棒性和動特性。

1　Stewart平臺伺服控制系統(tǒng)原理

伺服控制系統(tǒng)是用來精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)，一般情況下，伺服控制系統(tǒng)的輸出量是機械位移或位移速度、加速度等，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或轉角）［5-8］。該Stewart平臺直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)采用電流、速度和位置三閉環(huán)控制回路設計。如圖1所示，為直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)框圖。

由圖1可以得出，直流無刷電機電流環(huán)通過采樣電阻檢測得到相電流，將相電流輸入到TMS320F28335數(shù)字處理器的A/D模塊上，并與速度環(huán)輸出的參考值作比較，以進行力矩控制；伺服控制系統(tǒng)的速度環(huán)通過增量式光電編碼器，運用M/T測速方法檢測速度，將速度值輸入到TMS320F28335數(shù)字處理器的QEP模塊上，并與位置環(huán)輸出的參考值作比較，以進行速度控制；伺服控制系統(tǒng)的位置環(huán)通過增量式光電編碼器檢測位置，將位置信息輸入到TMS320F28335數(shù)字處理器的QEP模塊上，并與輸入的參考位置作比較以進行精確位置控制［9-12］。

2　系統(tǒng)硬件設計

Stewart平臺直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)由BLDC控制器模塊、驅(qū)動器模塊、編碼器模塊及電源模塊組成。如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)硬件結構圖

2.1BLDC控制器模塊

BLDC控制器模塊采用美國德州儀器公司的DSP數(shù)字處理器TMS320F28335實現(xiàn)，它是32位浮點處理器，主頻是150MHz，主要運用在電機控制、電力設備控制及工業(yè)控制上。其片上資源豐富，如256K×16位的FLASH，34K×16位的SRAM，8K×16位的BOOT ROM，2K×16位的OPT ROM，18路PWM，6路HRPWM，6路CAP，2通道QEP，12位的2×8通道ADC，3通道SCI，2通道MCBPS，2通道CAN，1通道SPI，1通道I2C，外部存儲器擴展接口XINTF，88個通用輸入/輸出I/O接口及看門狗電路等。

2.2驅(qū)動器模塊

驅(qū)動器模塊采用Allegro公司的A3930芯片，它是一款用于直流無刷電機控制及MOSFET橋路驅(qū)動的芯片，該芯片具有良好的同步性能、輸入電壓范圍寬和低電流休眠等優(yōu)點，通過隔離單元與BLDC控制器模塊連接，同時接收霍爾信號，另一端是三相電橋單元，直接驅(qū)動運動。

2.3編碼器模塊

編碼器模塊是給直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)提供速度和位置信號的部分，該設計運用增量式光電編碼器。在增量式光電編碼器的碼盤上有開孔，兩端裝有光電發(fā)送和接收裝置，在旋轉過程中能夠產(chǎn)生通斷變化，從而得到相應的脈沖信號，根據(jù)脈沖信號QEPA和QEPB的相位關系可以判定碼盤的旋轉方向，根據(jù)脈沖索引信號QEPI可以判定碼盤的絕對位置。該設計速度檢測采用M/T法，該方法綜合了M法和T法的優(yōu)點，屬于全速測速方法。

2.4電源模塊

電源模塊是直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)正常運行的基石，外部輸入電壓為24 V，可直接給三相電橋供電，其他所需電壓可以通過DC-DC單元轉換，如5 V、3.3 V等。

3　系統(tǒng)軟件設計

實現(xiàn)Stewart平臺直流無刷電機伺服控制的軟件采用C語言編程，在TI公司的嵌入式處理器集成開發(fā)環(huán)境CCS5上實現(xiàn)?？刂栖浖粌H包括直流無刷電機的驅(qū)動程序，還要包括與上位機通訊、運行過程中電機參數(shù)的監(jiān)控等輔助程序［13-14］。整個控制系統(tǒng)軟件由主程序和中斷服務子程序組成。

圖3　主程序流程圖

圖4A/D中斷服務程序

主程序完成系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)參數(shù)設定、初始化中斷子程序及循環(huán)等待等任務，如圖3所示。

中斷服務子程序包括A/D中斷和定時器中斷。A/D中斷主要用于檢測采樣電阻的電壓值，并計算得到當前相電流值，進行電流環(huán)的調(diào)節(jié)以控制PWM信號的輸出，如圖4所示。定時器中斷主要用于設定目標位置，檢測增量式光電編碼器的脈沖數(shù)并計算當前速度及當前位置，當前位置與目標位置作比較，差值送入位置控制器進行位置調(diào)節(jié)，位置控制器的輸出值與當前速度值作比較，差值送入速度控制器進行速度調(diào)節(jié)［15］。如圖5所示。

圖5　定時器中斷服務程序

4　實驗與結果分析

為驗證本文設計的Stewart平臺直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)的性能，進行了Stewart平臺的單腿試驗，該實驗采用瑞士maxon公司EC系列直流無刷電機，后置1000線的增量式光電編碼器和霍爾位置傳感器，軟件采用C語言在TI公司的嵌入式處理器集成開發(fā)環(huán)境CCS5上實現(xiàn)，直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)電流環(huán)的采樣頻率是15 kHz，速度環(huán)采樣頻率是1 kHz，位置環(huán)的采樣頻率是100 Hz，目標位置為幅值0.2、頻率5 Hz和偏置0.4的正弦函數(shù)。圖6為Stewart平臺的單腿試驗實物圖，圖7為直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)位置跟蹤圖。

圖6　Steward平臺單腿實驗

由圖7直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)位置跟蹤實驗圖可以看出，橫坐標是時間，縱坐標是位移量，通道1是伺服控制系統(tǒng)位置輸出值，通道2是伺服控制系統(tǒng)位置參考值，通道1的數(shù)據(jù)能夠很好的復現(xiàn)通道2的數(shù)據(jù)，因此本論文所設計的Stewart平臺直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)能夠很好進行電流環(huán)、速度環(huán)的控制，并具有良好的位置跟蹤能力。

圖7　伺服控制系統(tǒng)位置跟蹤

5　結　論

文中通過分析伺服控制系統(tǒng)原理，結合DSP技術建立起Stewart平臺直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)，并進行電流、速度和位置的三閉環(huán)回路控制。實驗結果表明該伺服控制系統(tǒng)能夠準確的測量電機轉速，并具有精確的位置跟蹤能力。

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Brushless DC motor servo control system of the Stewart platform based on DSP

HUO Qi，ZHU Ming-chao，LI Ang，HAN Kang
（Space Robot Engineering Center，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Science，Changchun 130033，China）

Aiming at the accurate location control requirements of Stewart platform，a control system based on DSP technology is designed in this article，which uses brushless dc motor（BLDC）motors as driving device.This article elaborates the principle of Stewart platform servo control system，the design and implementation of brushless dc motor controller hardware and software.The experimental results demonstrate that the high precision positioning control ability and good stability of Stewart platform brushless dc motor servo control system based on DSP.

Stewart platform；DSP；brushless DC motor；servo control

TP33

A

1674-6236（2016）14-0146-03

2016-02-24稿件編號：201602123

國家自然科學基金（11302222）；中國科學院長春光學精密機械與物理研究所創(chuàng)新基金（Y4CX1SS141）

霍 琦（1988—），男，山東菏澤人，碩士，研究實習員。研究方向：機器人動力學與控制。