交流伺服系統(tǒng)由交流伺服電動(dòng)機(jī)和控制器兩部分組成，永磁同步電機(jī)（pmsm）由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，成為數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、航空航天等應(yīng)用場(chǎng)合交流伺服電動(dòng)機(jī)的首選，獲得了廣泛的應(yīng)用?？刂破髯鳛樗欧到y(tǒng)的控制核心，其性能直接影響到伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。隨著高速數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）的應(yīng)用，伺服系統(tǒng)正在向小型化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。 　　 本文的目標(biāo)就是設(shè)計(jì)一款全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)控制平臺(tái)，利用dsp高速信號(hào)處理能力，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的矢量控制，并在此基礎(chǔ)上，試驗(yàn)各種先進(jìn)的控制策略，如最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制性能。 pmsm數(shù)字控制硬件平臺(tái) 　　 典型的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)通常由被控對(duì)象、伺服電機(jī)、功率模塊、控制器以及測(cè)量與檢測(cè)模塊等組成，各種控制策略和算法由以dsp為核心的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)平臺(tái)采用半閉環(huán)控制方式，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示: [align=center] 圖1　半閉環(huán)結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)圖 圖2　伺服系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖[/align] 本硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，其分為控制電路和功率電路兩部分。 　　 控制核心需要具有高速的計(jì)算能力和豐富的功能模塊，現(xiàn)代的dsp很好的滿足了這些要求，實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的數(shù)字化?？刂坪诵牡耐鈬娐钒ㄏ辔粰z測(cè)電路、jtag仿真接口、用戶接口、串行異步通訊接口、核心供電電源、pwm模塊、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等。而功率部分主要包括逆變器、電流檢測(cè)電路、位置和速度檢測(cè)電路、保護(hù)電路和輔助電源等。 dsp56f8346控制電路 　　 應(yīng)用于控制系統(tǒng)的dsp是傳統(tǒng)dsp與mcu（微處理器）相結(jié)合的產(chǎn)物，它一方面具有傳統(tǒng)dsp的高速處理器內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)高速計(jì)算;另一方面它又集成了mcu的豐富外設(shè)資源，這使得dsp芯片成為現(xiàn)代伺服控制的主流控制芯片。 dsp56f8346的主要特點(diǎn) [align=center]附表　兩種dsp性能對(duì)比 [/align] 附表對(duì)當(dāng)前應(yīng)用于伺服系統(tǒng)較多的ti 公司生產(chǎn)的tms320lf2407a與freescale dsp56f8346性能進(jìn)行了對(duì)比。 　　 經(jīng)比較，freescale dsp56f8346更適用實(shí)時(shí)性和控制精度要求高的交流伺服系統(tǒng)，體現(xiàn)了更高的性價(jià)比。 jtag仿真接口 　　 freescale dsp8346相對(duì)于其他公司的dsp產(chǎn)品的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是freescale的56800/e系列dsp很少需要甚至不需要外加功能模塊就可以進(jìn)行開發(fā)，即不需要專門的仿真器。使用jtag，幾乎不需要硬件支持，與pc機(jī)相連只需要做5v到3.3v的電平轉(zhuǎn)換就可，當(dāng)然最好通過光耦隔離，這樣可以隔離上位機(jī)并口和dsp兩者供電電源，保證了兩者的工作安全。于是這里專門為jtag接口做了光耦隔離的小電路板，同時(shí)把后文講到的d/a轉(zhuǎn)換電路做在該電路板上。這樣簡(jiǎn)單的一個(gè)接口就可以實(shí)現(xiàn)程序在線調(diào)試和仿真，并能將程序下載到dsp芯片中。 用戶接口 　　 為了方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過dsp的i/o口和計(jì)數(shù)器接口設(shè)計(jì)了與運(yùn)動(dòng)控制器或運(yùn)動(dòng)控制板卡連接的用戶接口，由運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)出指令脈沖、start、stop、reset等信號(hào)。指令脈沖包括pul、dir兩路信號(hào)，pul給出一系列脈沖，脈沖數(shù)代表運(yùn)動(dòng)的距離，脈沖頻率代表運(yùn)行的速度，而dir信號(hào)通過高低電平給出運(yùn)動(dòng)的方向。圖3為選用的運(yùn)動(dòng)控制器sc100: [align=center] 圖3　sc100運(yùn)動(dòng)控制器[/align] 該運(yùn)動(dòng)控制器可自由編程，具有豐富的指令集，可執(zhí)行各種單向、循環(huán)、往返、延時(shí)等動(dòng)作，并且速度、長(zhǎng)度和加速度可任意設(shè)定，采用光電隔離，抗干擾能力強(qiáng)，且具有液晶顯示器顯示相應(yīng)指令和數(shù)據(jù)，功能強(qiáng)大。本系統(tǒng)采用該控制器做為位置和速度給定輸入，取得了很好的效果。 異步通訊接口（sci） 　　 dsp56f8346具有兩個(gè)sci串行通訊模塊。上位機(jī)控制程序是利用codewarrior自帶的pc master軟件，采用vbscript編寫完成，通過rs232與dsp進(jìn)行通訊。pc master提供友好的界面，容易的實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制電機(jī)并顯示所需的各個(gè)電參數(shù)或各個(gè)量的試驗(yàn)波形。 d/a轉(zhuǎn)換電路 　　 本設(shè)計(jì)的d/a轉(zhuǎn)換電路由dsp的spi端口和一片美信公司的d/a轉(zhuǎn)換芯片max5251構(gòu)成，提供了10位，4通道的d/a轉(zhuǎn)換。其構(gòu)成的電路如圖4所示: [align=center] 圖4　d/a電路原理圖[/align] 核心供電電源 　　dsp對(duì)供電電源的穩(wěn)定性有較高的要求，如果電源電壓不穩(wěn)定將會(huì)造成dsp運(yùn)行不穩(wěn)定使程序容易跑飛，更嚴(yán)重的會(huì)減短其使用壽命甚至損壞。dsp的i/o供電電源為數(shù)字3.3v，該電壓由輔助電源產(chǎn)生的數(shù)字5v供電通過低輸出壓降穩(wěn)壓模塊tps76833產(chǎn)生。而adc的模擬3.3v電源由一片tps7333產(chǎn)生。同時(shí)為了對(duì)dsp的供電電源進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，使用了一片電源管理芯片tps3823-33，當(dāng)數(shù)字3.3v電壓低于2.93v時(shí)，tps3823-33就會(huì)發(fā)出一個(gè)復(fù)位信號(hào)自動(dòng)復(fù)位dsp，而且該芯片還帶有手動(dòng)復(fù)位功能。 功率主電路 　　 功率主電路采用全橋不控整流，輸出經(jīng)濾波電容后做為三相橋式逆變器的母線電壓，即ac-dc-ac結(jié)構(gòu)。 逆變器電路 　　 逆變器變頻電路采用cyntec的智能功率模塊im23400，該ipm可驅(qū)動(dòng)2.2kw/ 220v的電機(jī)，典型的開關(guān)頻率為15khz。內(nèi)部集成的功能有:驅(qū)動(dòng)電路，單一電源供電的自舉電路，短路保護(hù)，控制電源欠壓保護(hù)，錯(cuò)誤信號(hào)邏輯輸出電路。模塊內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路，使得電路簡(jiǎn)潔、可靠，dsp發(fā)出的六路pwm信號(hào)經(jīng)過高速光耦隔離送入ipm的驅(qū)動(dòng)電路，而由另一個(gè)i/o口輸出制動(dòng)信號(hào)，控制能耗制動(dòng)電路的開關(guān)管，即brake信號(hào)。在ipm的n腳與地之間連接過流檢測(cè)電阻shunt，對(duì)ipm進(jìn)行過流保護(hù)，其電路如圖5所示: [align=center] 圖5　逆變器ipm外圍圖[/align] 其中fo（fault output）為錯(cuò)誤保護(hù)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過光耦隔離輸入給三狀態(tài)線性驅(qū)動(dòng)/接收器74hc244的使能端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件保護(hù)。 電流檢測(cè)電路 　　 電流檢測(cè)電路的功能是將電流霍爾傳感器得到的信號(hào)進(jìn)行濾波、幅值調(diào)整、電壓偏置和限幅后送入dsp的ad轉(zhuǎn)換接口。該電路采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的霍爾電流傳感器csm025npt對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，其采用霍爾效應(yīng)閉環(huán)原理，線性度εl<0.1%，響應(yīng)時(shí)間tr<500ns，頻帶寬度為dc～200khz，完全滿足系統(tǒng)要求?；魻栯娏鱾鞲衅骱蠹?jí)為ad調(diào)理電路，將電流變化范圍反映為0～3.3v的電壓范圍，滿足dsp的ad引腳的電壓輸入范圍，形成了電流閉環(huán)。 位置和速度檢測(cè)電路 　　 伺服系統(tǒng)的目標(biāo)是快速、精確地跟隨位置或速度給定，于是必不可少得構(gòu)成位置和速度閉環(huán)控制。編碼器接口接收安裝在電機(jī)非功率輸出端部的增量式位置傳感器信號(hào)a、b、z和霍爾元件信號(hào)halla、hallb、hallc，經(jīng)過濾波后分別輸入dsp的相位檢測(cè)器和三個(gè)通用i/o口。根據(jù)3個(gè)霍爾元件的六種狀態(tài)確定轉(zhuǎn)子靜止時(shí)所處的區(qū)間，經(jīng)過一定的算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始定位，從而發(fā)出相應(yīng)的電壓矢量使電機(jī)起動(dòng)起來。z信號(hào)提供基準(zhǔn)位置點(diǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)子第一次經(jīng)過z位置，對(duì)位置進(jìn)行校正，開始真正的電機(jī)矢量控制。而由a、b信號(hào)的相位關(guān)系和頻率得出電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，dsp捕捉a、b脈沖序列的上升沿和下降沿，實(shí)現(xiàn)了編碼器脈沖的四倍頻，提高了定位精度，其波形如圖6所示。計(jì)數(shù)器對(duì)其脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)就得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。 [align=center] 圖6　編碼器輸出信號(hào)[/align] 保護(hù)電路 　　 系統(tǒng)采樣電機(jī)三相電流和母線電壓，由于三相電流為互差120°的正弦量，其和為零，只需檢測(cè)兩相就可以得出另一相電流大小。采樣值與設(shè)定值通過比較器進(jìn)行比較，輸出保護(hù)信號(hào)，并用不同顏色發(fā)光二極管表示不同的錯(cuò)誤保護(hù)信號(hào)。欠壓信號(hào)通過采樣母線電壓軟件實(shí)現(xiàn)，過流保護(hù)信號(hào)和過壓保護(hù)信號(hào)相或后輸入給74hc244的使能端，當(dāng)出現(xiàn)保護(hù)情況，mc74hc244的pwm輸出全部禁止，同時(shí)該保護(hù)信號(hào)輸入給dsp的fault引腳，通過配置相應(yīng)寄存器，禁止dsp的pwm輸出，做到硬件和軟件雙重保護(hù)。 輔助電源 　　 整個(gè)系統(tǒng)需要多路不同電壓等級(jí)的直流電源，如dsp控制電路和ad調(diào)理電路需要數(shù)字5v電源，sci通訊接口、編碼器接口和用戶接口需要另一路模擬5v電源，ipm逆變器需要+15v的驅(qū)動(dòng)電源等，于是本系統(tǒng)采用了反激電路做了多路輸出的輔助電源。 圖7為設(shè)計(jì)的交流伺服硬件平臺(tái)。 [align=center] 圖7　交流伺服硬件平臺(tái)[/align] 結(jié)語(yǔ) 　　 本設(shè)計(jì)采用了dsp56f8346作為主控芯片，充分利用了其高速的運(yùn)算能力和豐富的片上資源，配合了智能功率模塊，不僅使得整個(gè)硬件平臺(tái)更加簡(jiǎn)潔，而且可靠性大大提高。高性能dsp的應(yīng)用也為各種先進(jìn)算法的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)證明，該硬件電路工作正常，可靠性高。