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:

伺服服控制,

DSPP,

電機(jī),

CANN1

引言伺服系統(tǒng)向著全全數(shù)字化的方方向發(fā)展,而高性能DSP器件的出現(xiàn)現(xiàn)為其奠定了了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)礎(chǔ)。從國內(nèi)外外最新的發(fā)展展情況來看,國外很多公公司都已推出出了基于DSP的成型的全全數(shù)字交流伺伺服產(chǎn)品,象國內(nèi)引進(jìn)進(jìn)較多的日本本松下、安川川等交流伺服服系統(tǒng)。目前前,國內(nèi)的控制制界也己掀起起了利用DSP來實(shí)現(xiàn)交流流伺服系統(tǒng)的的熱潮。另外,采用高性性能控制策略略的控制系統(tǒng)統(tǒng)具有很好自自適應(yīng)能力和和抗干擾能力力,能夠在參數(shù)數(shù)時(shí)變及干擾擾等惡劣的工工況下保證系系統(tǒng)良好的動(dòng)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性性能。克服了了基于常規(guī)控控制理論設(shè)計(jì)計(jì)的電機(jī)控制制系統(tǒng)存在的的缺陷和不足足。本文的主主要任務(wù)是設(shè)設(shè)計(jì)一種基于于DSP和CAN總線技術(shù)的的高性能全數(shù)數(shù)字化伺服系系統(tǒng)。采用電電流、轉(zhuǎn)速雙雙閉環(huán)控制方方式對(duì)永磁同同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)進(jìn)行速度和位位置控制。2

控制系統(tǒng)總總體硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)本系統(tǒng)提供的硬硬件設(shè)計(jì)能夠夠滿足多種控控制算法,能夠滿足本本系統(tǒng)的控制制要求。它是是以TI公司的TMS3220LF24407為控制核心心設(shè)計(jì)的。TMS3220LF24407芯片是TMS3220C20000TM平臺(tái)下有較較高性能價(jià)格格比的一種定定點(diǎn)DSP芯片。該芯芯片的低成本本、低功耗、高高性能的處理理能力對(duì)電機(jī)機(jī)的數(shù)字化控控制非常有效效。可以適用用于多種控制制策略。我們們采用了IGBT

CPV3663M4K模塊組成逆逆變橋來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)功率主回路路直流到交流流的逆變。控控制系統(tǒng)的硬硬件構(gòu)成見圖圖1。主要包括:TMMS320LLF24077微處理器及及其外圍電路路,主要負(fù)責(zé)控控制策略和算算法的實(shí)現(xiàn),產(chǎn)生PWM信號(hào)、響應(yīng)應(yīng)速度反饋等等工作;CAN模塊負(fù)責(zé)與與上位機(jī)進(jìn)行行通訊,通過總線接接收對(duì)電機(jī)的的控制信息;JTAG接口電路為為仿真器與微微機(jī)的接口電電路,便于系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行在線調(diào)試試。此端口由由仿真器直接接訪問并提供供仿真功能;檢測電路采采用了價(jià)格較較低的電阻器器和價(jià)格較高高但性能好的的電磁隔離式式霍爾傳感器器兩套電路來來檢測永磁同同步電機(jī)的相相電流

,

,送入進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并作相相應(yīng)處理,實(shí)現(xiàn)控制算算法;PWM輸出通過光光耦傳輸,使得傳遞PWM控制信號(hào)時(shí)時(shí)控制電路與與功率電路隔隔離;電源模塊將將開關(guān)電源提提供的+5V電壓變換為+3.3VV,為系統(tǒng)供電電。

圖1系統(tǒng)硬件結(jié)結(jié)構(gòu)圖3

控制系統(tǒng)硬硬件設(shè)計(jì)3.1電流檢測測在永磁同步電機(jī)機(jī)交流控制系系統(tǒng)中,控制器需要要及時(shí)準(zhǔn)確的的知道繞組中中實(shí)際電流的的大小,以實(shí)現(xiàn)電流流控制和電流流保護(hù)電路的的設(shè)計(jì)。電流流采樣必須實(shí)實(shí)時(shí),準(zhǔn)確可靠,這對(duì)實(shí)現(xiàn)控控制性能是必必須的。電流流測量的方法法有很多種,一種測量電電流的方法是是使用簡單的的、便宜的電電阻器來進(jìn)行行測量,當(dāng)然,這種測量方方法比較復(fù)雜雜。然而,在一定的條條件下,這種測量方方法變得很困困難,甚至由于硬硬件的限制是是不可能進(jìn)行行測量的,如當(dāng)采用智智能功率模塊塊（IPM）組成逆變變橋時(shí),就沒法使用用電阻器進(jìn)行行相電流的測測量。在本系系統(tǒng)中采用電電磁隔離霍爾爾元件進(jìn)行電電流檢測。檢檢測電路如下下圖2:

圖2電流檢測電電路3.2功率主回回路設(shè)計(jì)功率主回路是進(jìn)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換換、驅(qū)動(dòng)伺服服電機(jī)工作的的強(qiáng)電電路,主要由整流流電路、中間間直流電路和和逆變器三個(gè)個(gè)環(huán)節(jié)組成,如圖3所示。

圖3

功率主回回路電路圖3.3控制驅(qū)動(dòng)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)計(jì)

D6

QQ6控制驅(qū)動(dòng)電路主主要完成對(duì)PWM

（Pulsee

Widtth

Moddulatiion）信號(hào)的功功率放大,以及對(duì)逆變變器功率管的的驅(qū)動(dòng)功能。本本文中分別采采用SPWM技術(shù)和SVPWM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)功率逆變,將由TMS3220LF24407

DSSP芯片產(chǎn)生的PWM信號(hào)經(jīng)過功功率驅(qū)動(dòng)模塊塊IR21332進(jìn)行功率放放大、然后驅(qū)驅(qū)動(dòng)三相逆變變器的六個(gè)功功率管。伺服服控制器的功功率驅(qū)動(dòng)電路路主要有功率率驅(qū)動(dòng)模塊IR21332和IGBT

CPV3663M4K組成的三相相逆變器組成成。將DSP芯片所產(chǎn)生生的六路PWM信號(hào)直接輸輸入功率驅(qū)動(dòng)動(dòng)模塊IR21332對(duì)信號(hào)進(jìn)行行放大,然后驅(qū)動(dòng)三三相逆變器的的六個(gè)功率管管。由于DSP本身身通過軟件編編程可直接產(chǎn)產(chǎn)生SPWM信號(hào)和SVPWM信號(hào)來驅(qū)動(dòng)動(dòng)三相逆變器器,所以,大大簡化了了系統(tǒng)的外圍圍硬件電路結(jié)結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)統(tǒng)的可靠性。3.4

CANN控制器模塊塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中采用CCAN總線接收對(duì)對(duì)電機(jī)的控制制信息并向主主機(jī)發(fā)送狀態(tài)態(tài)信息。DSP根據(jù)信息要要求對(duì)電機(jī)進(jìn)進(jìn)行調(diào)速、制制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)等控制。TMS320LLF24077

DSP芯片的CAN總線控制器器與CAN物理總線的的接口采用82C2550驅(qū)動(dòng)器芯片片。82C2550采用阻抗為120。雙絞線作作通信介質(zhì),信號(hào)采用差差動(dòng)發(fā)送和差差動(dòng)接收,具有較強(qiáng)的的抗干擾能力力,其最高通信信速率可達(dá)1Mbps。通過對(duì)82C2550引腳8

（Rs）的不同連連接,可以實(shí)現(xiàn)三三種不同的工工作方式:高速、斜率率控制和待機(jī)機(jī)。本系統(tǒng)采采用斜率控制制,以降低射頻頻干擾。為了了增強(qiáng)抗干擾擾能力,保護(hù)CAN控制器,在TMS3220LF24407與82C2550之間加高速速光隔。光隔隔采用HP公司的HCPL--2630芯片,其速度為l0MHz。電路如圖4示。

圖4

CAN驅(qū)驅(qū)動(dòng)器接口電電路4

系統(tǒng)軟件設(shè)設(shè)計(jì)在伺服系統(tǒng)的設(shè)設(shè)計(jì)中,在實(shí)時(shí)性允允許的前提下下,一般來說,總是盡可能能的用軟件資資源代替硬件件資源,以降低成本,簡化硬件系系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)的的性價(jià)比。TMS3220LF24407,通過軟件變變成可以靈活活的實(shí)現(xiàn)矢量量PWM輸出、速度度檢測、電流流檢測等功能能。在伺服驅(qū)動(dòng)控制制中有兩部分分軟件:DSP控制程序和和上位機(jī)軟件件。DSP程序由兩個(gè)個(gè)模塊組成,即主程序模模塊和中斷服服務(wù)程序模塊塊,主程序模塊塊主要完成中中斷矢量的聲聲明、內(nèi)存變變量的定義、各各個(gè)功能模塊塊的初始化等等工作;中斷模塊主主要是進(jìn)行速速度環(huán)和電流流環(huán)的處理以以及與上位機(jī)機(jī)交換數(shù)據(jù)。主程序內(nèi)完成系系統(tǒng)的初始化化,I/O接口控制信信號(hào),DSP內(nèi)各個(gè)控制制模塊寄存器器的設(shè)置等,然后進(jìn)入循循環(huán)程序。初初始化工作主主要包括:DSP內(nèi)核的初始始化;電流環(huán)、速速度環(huán)的周期期設(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初始化及啟啟動(dòng);QEP初始化;CAN控制器初始始化;永磁同步電電機(jī)轉(zhuǎn)子的初初始位置初始始化;進(jìn)行多次伺伺服電機(jī)相電電流采樣,求出相電流

和

。的零偏移移量;電流PI調(diào)節(jié)初始化;速度PI調(diào)節(jié)初始化化等。所有的的初始化工作作完成后,主程序進(jìn)入入等待狀態(tài),以等待中斷斷的發(fā)生,進(jìn)行電流環(huán)環(huán)和速度環(huán)的的調(diào)節(jié)。主程程序流程如圖圖5所示。圖5

主程序流流程圖本文作者創(chuàng)新點(diǎn)點(diǎn):本文開發(fā)了了一套基于DS