摘 要 為了實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)高響應(yīng)、寬調(diào)速、高穩(wěn)態(tài)等性能要求，本文設(shè)計(jì)了一款基于DSP+FPGA架構(gòu)的交流伺服驅(qū)動(dòng)器。設(shè)計(jì)包括DSP作為主控制芯片，IPM模塊作為功率驅(qū)動(dòng)核心，同時(shí)應(yīng)用FPGA開(kāi)發(fā)IO擴(kuò)展及位置、電流、電壓數(shù)據(jù)讀取、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、按鍵操作以及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等輔助功能;通過(guò)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了全部功能并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)效果。

關(guān)鍵詞 交流伺服驅(qū)動(dòng)器;DSP;IPM;FPGA

引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用需求的提升，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用需求越來(lái)越迫切。驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展由最早的模擬控制系統(tǒng)逐漸發(fā)展到目前的全數(shù)字控制系統(tǒng)。針對(duì)應(yīng)用需求，本文將以DSP作為主控制芯片結(jié)合IPM功率驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)了一款交流伺服驅(qū)動(dòng)器硬件平臺(tái);在該平臺(tái)基礎(chǔ)上通過(guò)程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)矢量控制、PID閉環(huán)控制、濾波抑振等算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的高精確、高響應(yīng)且高穩(wěn)態(tài)等控制目標(biāo)。

1 伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的硬件電路主要由功率驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、電機(jī)轉(zhuǎn)速采集電路等電路構(gòu)成。

1.1 功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動(dòng)電路是實(shí)現(xiàn)電機(jī)直流逆變控制過(guò)程的基礎(chǔ)。其主要由主回路和電流及電壓檢測(cè)電路等組成。主電路系統(tǒng)采用的是英飛凌公司的型號(hào)為IGCM20FXXA 型IPM模塊，通過(guò)主電路的整流逆變過(guò)程接入控制對(duì)象實(shí)現(xiàn)控制功能。在系統(tǒng)內(nèi)部的整流部分需要外接軟啟動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電路濾波作用，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)整流過(guò)程的啟動(dòng)控制，需要使用功率電阻作為啟動(dòng)電阻，另外模塊內(nèi)部具有過(guò)電壓以過(guò)流保護(hù)[1]。同時(shí)結(jié)合程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障狀態(tài)下的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障保護(hù)動(dòng)作的及時(shí)準(zhǔn)確，從而保證被控制電機(jī)的運(yùn)行安全。對(duì)主電路逆變控制過(guò)程需要通過(guò)DSP實(shí)現(xiàn)PWM輸出信號(hào)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。電流及電壓檢測(cè)電路通過(guò)霍爾式電流互感器進(jìn)行電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)從而判斷電機(jī)的負(fù)載及轉(zhuǎn)矩變化情況。其中對(duì)IPM模塊輸出的V相及W相進(jìn)行電流采集，利用光電耦合器 HCPL7840進(jìn)行高電壓與低電壓的隔離。將電流信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣處理轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送入DSP進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)所控制對(duì)象的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

1.2 控制電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器控制芯片型號(hào)為T(mén)MS320F2808，通過(guò)該芯片實(shí)現(xiàn)伺服矢量控制，將按照控制算法得到的PWM輸出信號(hào)送入IPM實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制。同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)故障檢測(cè)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的功能。為了優(yōu)化DSP的資源配置，本文使用FPGA作為FPU，在完成信號(hào)檢測(cè)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的IO擴(kuò)展、位置和電流電壓讀取、參數(shù)顯示、鍵盤(pán)操作以及參數(shù)設(shè)置等功能。通過(guò)信號(hào)檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)參數(shù)的檢測(cè)，F(xiàn)PGA與DSP之間通過(guò)串口通信的方式將所檢測(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP后對(duì)其進(jìn)行分析;實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)狀態(tài)的判斷，并根據(jù)結(jié)果執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)外部數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)以及脈沖信號(hào)輸入的識(shí)別，可以對(duì)外接數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[2]。系統(tǒng)的電源由開(kāi)關(guān)電源提供，從而可以通過(guò)外接交流220V進(jìn)行供電。

1.3 電機(jī)轉(zhuǎn)速采集電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行伺服電機(jī)控制過(guò)程，為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，需要對(duì)伺服電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。本文針對(duì)的電機(jī)編碼器為多摩川17位編碼器進(jìn)行位置和速度的計(jì)算和檢測(cè);驅(qū)動(dòng)器讀取編碼器信息采用的是RS485通訊電路設(shè)計(jì);能夠保證2.5Mbit/s的傳輸速率;DSP通過(guò)編碼器讀取電路獲得電機(jī)的位置信息再通過(guò)微分計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速;實(shí)現(xiàn)位置環(huán)、速度環(huán)的閉環(huán)控制。

2 伺服驅(qū)動(dòng)器的程序設(shè)計(jì)

伺服控制程序設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)及中斷程序設(shè)計(jì)，主程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的初始化、對(duì)各子程序的調(diào)用等功能;中斷程序主要完成控制PWM信號(hào)的輸出以及脈沖判斷等功能，下面分別進(jìn)行介紹。

2.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序主要完成程序上電后各寄存器初始化及中斷使能，其中包括時(shí)鐘鎖相初始化、PWM 中斷向量初始化、CPU 中斷使能、外圍接口函數(shù)初始化、控制參數(shù)初始化等一系列動(dòng)作，完成程序運(yùn)行的準(zhǔn)備工作，隨后等待執(zhí)行中斷服務(wù)程序。

2.2 中斷程序設(shè)計(jì)

主中斷程序主要實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的控制算法，在一個(gè)伺服更新周期內(nèi)完成對(duì)電機(jī)位置檢測(cè)、電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算、電流檢測(cè)以及矢量變換，進(jìn)而為電機(jī)位置控制、速度控制以及電流控制提供參數(shù)依據(jù)，輸出PWM信號(hào)，從而對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制。主中斷程序時(shí)間為100<！--[if gte vml 1]> <！[endif]--><！--[if ！vml]--><！--[endif]-->，即每隔100<！--[if gte vml 1]> <！[endif]--><！--[if ！vml]--><！--[endif]-->系統(tǒng)執(zhí)行一次中斷程序?qū)崿F(xiàn)PWM信號(hào)的輸出。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電流進(jìn)行矢量控制，對(duì)于電流的檢測(cè)周期需要保持與PWM輸出周期一致。同時(shí)對(duì)于速度控制過(guò)程所需要進(jìn)行的速度檢測(cè)需要保證與主中斷周期保持整數(shù)倍關(guān)系[3]。本文設(shè)計(jì)的電路保護(hù)是通過(guò)硬件結(jié)合程序共同完成的。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)電壓、電流信號(hào)的檢測(cè)，如果軟件判斷出現(xiàn)異常時(shí)控制輸出停止，同時(shí)進(jìn)入報(bào)警中斷程序。主要的故障包括IPM過(guò)流、母線過(guò)壓、母線欠壓、過(guò)載等故障現(xiàn)象。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的伺服控制器的功能及性能特把交流伺服電機(jī)作為控制對(duì)象。伺服電機(jī)型號(hào)為T(mén)S4614 N7191 E200，其額定參數(shù)分別是：額定轉(zhuǎn)矩2.39Nm;額定電流5.1A;額定轉(zhuǎn)速為3000r/min。試驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)平穩(wěn)控制、系統(tǒng)響應(yīng)性能優(yōu)越、穩(wěn)態(tài)誤差小，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)按照位置、速度以及轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，符合交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用需要。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文完成了以DSP為主控芯片實(shí)現(xiàn)的交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，其中包括硬件平臺(tái)及系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)驗(yàn)證結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的控制性能，在機(jī)器人領(lǐng)域具有很好的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋寶，唐小琦.全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械與電子，2004（1）：39-42.

[2] 王愛(ài)祥.全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器的研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006（3）：66-69.

[3] 邢杰.基于DSP的全數(shù)字流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2005（2）：59-60.

作者簡(jiǎn)介

趙振龍（1982-），男，遼寧省鞍山人;學(xué)歷：碩士研究生，職稱(chēng)：中級(jí)工程師，研究方向：機(jī)器人電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、運(yùn)動(dòng)控制器硬件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、伺服系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、工業(yè)機(jī)器人行業(yè)應(yīng)用。