基于DSP的交流伺服電機驅(qū)動器的設(shè)計

李天奕 向薈羽 沃松林 倪福銀

摘要：交流伺服電機控制系統(tǒng)是一種新型的調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的運行、控制及經(jīng)濟性能，顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?。基于DSP的交流伺服電機驅(qū)動器的設(shè)計，選擇芯片TMS320F2806作為主控芯片，設(shè)計電流檢測、位置檢測、驅(qū)動電路、保護電路等模塊，并通過CCS軟件平臺設(shè)計電流采樣、換相等各模塊程序，實現(xiàn)驅(qū)動交流伺服電機的軟件設(shè)計。經(jīng)過軟硬件的聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)通過DSP驅(qū)動交流伺服電動機的功能。經(jīng)測試，交流伺服電動機運行穩(wěn)定，可用于工程實踐。

關(guān)鍵詞：交流伺服電機;TMS320F2806;電機驅(qū)動器

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，電動機作為機構(gòu)執(zhí)行裝置，一直在現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活中發(fā)揮著十分重要的作用。作為重要的電機之一伺服電動機及其伺服控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。無論是數(shù)控機床、工業(yè)機器人、辦公自動化等領(lǐng)域，都離不開伺服電動機及其伺服控制系統(tǒng)[1-4]。

對于交流伺服電機的控制器，目前主要有微處理器（MCU）、專用集成電路（ASIC）、數(shù)字信號處理器（DSP）等三種方式[5-8]。由于微處理器處理能力有限，不適用于控制復(fù)雜、實時性和精度要求高的場合，而專用集成電路使用時靈活性較差，受限制多。因此，DSP的發(fā)展成為主流趨勢[9，10]，它提供高度專業(yè)化的指令集，可對輸入輸出數(shù)據(jù)進行高速處理，使得在控制器的規(guī)則實施、矢量控制等方面具備獨特優(yōu)勢，特別適用于諸如交流伺服電機實現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制調(diào)速等場合[11-12]。

利用TI公司推出的高性能、低價位的DSP芯片TMS320F2806，設(shè)計電流檢測、位置采樣、驅(qū)動電路、保護電路等模塊，并通過CCS軟件平臺設(shè)計電流采樣、換相等各模塊程序，實現(xiàn)驅(qū)動交流伺服電機的軟件設(shè)計。該驅(qū)動控制系統(tǒng)電路設(shè)計簡便，可靠性高，并且可以根據(jù)工程需要通過調(diào)整軟件設(shè)計應(yīng)用到多種場合。

1? ?交流伺服電機的系統(tǒng)硬件設(shè)計

該交流伺服電機的驅(qū)動系統(tǒng)的硬件是以TI公司生產(chǎn)的TMS320F2806作為主控芯片，包括IGBT逆變電路、驅(qū)動電路、相電流檢測電路、系統(tǒng)保護電路、人機界面設(shè)計以及電源模塊設(shè)計等，整個硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1? ?電流檢測電路設(shè)計

電流檢測電路由霍爾元件、運算放大器和A/D轉(zhuǎn)換器組成，電路原理如圖2所示，電流反饋采用型號為CS010GT的霍爾傳感器。

1.2? ?位置采樣電路設(shè)計

位置信號采樣是通過交流伺服電機本身自帶的霍爾元件來檢測的，由于霍爾元件是集電極開路輸出，其輸出信號經(jīng)過上拉電阻得出位置方波信號送到DSP的CAP端口，進行位置信號的捕捉，電路原理如圖3所示。

1.3? ?驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路設(shè)計采用美國國際整流公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動芯片IR2110，共采用3個IR2110，從而實現(xiàn)對控制電路的驅(qū)動功能，電機控制器驅(qū)動電路如圖4所示。

1.4? ?系統(tǒng)保護電路設(shè)計

系統(tǒng)保護電路由圖5所示，電流檢測電阻 R71送出的信號接入 IR2110的過電流檢測輸入端 SD，當主驅(qū)動電路發(fā)生過流或直通時，SD 端電壓高于 0.5 V，IR2110 內(nèi)部保護電路使其輸出驅(qū)動信號全為低電平，從而使被驅(qū)動的功率管全部截止，保護功率管，還將低電壓信號傳到 DSP 芯片的 TICTRIP引腳，復(fù)位 DSP 芯片，封鎖脈沖的輸出。

2? ? 交流伺服電機控制策略設(shè)計

基于DSP的交流伺服電動機控制系統(tǒng)中，交流伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)軟件設(shè)計原理如圖6所示。

（1）通過DSP的I/O口讀取HALL信號，存放于system.hall-code變量中。system.hall-code這個變量賦給MOD1模塊mod1.hall-code， system -direction（電機轉(zhuǎn)向）變量是自己設(shè)定的。MOD1模塊處理上述兩個變量，產(chǎn)生mod1.stator-angle（定子磁場角度）變量的輸出。

（2）MOD1模塊的mod1.stator-angle（定子磁場角度）變量輸入給pwm1.CmtnPointer（輸出定子磁場角度）變量與pwm1.DutyFunc（輸出脈寬）變量。經(jīng)過PWM1模塊運算通過PWM1-PWM6輸出給三相橋，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。

（3）ADC檢測三相橋的電流，經(jīng)過除去最大、最小值再平均的算法，得到電流值，在不過流的情況下，直接把system.PWM-open-loop賦給system.I-DC然后經(jīng)過RMP2模塊，將要輸出的脈寬斜坡加上去。

2.1? ?電流采樣程序

在該系統(tǒng)中，電機運行時，對于每路轉(zhuǎn)子位置信號和電流調(diào)節(jié)的周期是異步的，根據(jù)當前逆變橋的導(dǎo)通情況，選擇適當?shù)南嚯娏髯鳛殡娏髡{(diào)節(jié)器的反饋量，完成電流的調(diào)節(jié)作用流程如圖7所示。

2.2? ?換相設(shè)計

換相模塊就是通過讀取霍爾位置中斷捕捉模塊中的霍爾信號獲取電機轉(zhuǎn)子位置信號，確定逆變器功率管的開關(guān)狀態(tài)。電機換相流程如圖8所示。

由于每一個霍爾傳感器都會產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號，三個霍爾傳感器的輸出信號相差120°相位差，這樣它們在每轉(zhuǎn)過360°電角度中共有6個上升或下降沿，正好對應(yīng)著6個換相時刻，可得出電機轉(zhuǎn)子霍爾位置狀態(tài)與逆變器功率管的導(dǎo)通關(guān)系，如表 1 所示，反映了電機正轉(zhuǎn)所對應(yīng)的PWM狀態(tài)。

將DSP設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，就可以獲得這6個時刻。通過設(shè)置CAP1-CAP3 為I/O功能查詢捕獲單元位置信號的輸入引腳獲得轉(zhuǎn)子位置信號，根據(jù)此信號值查表1計算換相程序偏移向量，調(diào)用相應(yīng)的換相PWM子程序，從而通過改變PWM方式控制寄存器ACTRA的值來控制PWM輸出信號的改變，實現(xiàn)電動機的換相，然后恢復(fù)CAP1-CAP3的捕捉功能。

3? ? 運行結(jié)果分析

3.1? ?驅(qū)動電機調(diào)試

先將編寫好的程序燒錄到DSP中，手工調(diào)試電機，可以看到轉(zhuǎn)動6格后HALL值開始重復(fù)，記錄這6格HALL值的順序，看是不是623154或者451236，如果不對，則交換連根電機輸入到驅(qū)動板上的HALL信號線，再用同樣的方法測試，直到調(diào)試正確。檢測結(jié)果如圖9所示。從數(shù)碼管顯示結(jié)果可以看出電機與驅(qū)動板連接正確。

3.2? ?電機運行及結(jié)果分析

在電腦上運行 CCS 3.3 軟件，通過 DSP 專用仿真器連接 JTAG 對 DSP 進行仿真。用示波器檢測DSP輸出端口的PWM波形，通過觀察發(fā)現(xiàn)該波形為調(diào)節(jié)脈寬的方波，與理論相符合，如圖10所示。

當電機正常運行時，PWM輸出端的指示燈為全亮狀態(tài)。該驅(qū)動控制系統(tǒng)有2種調(diào)速方法：（1）通過按鍵調(diào)節(jié)脈寬的輸出值。可觀察脈寬輸出值對電機轉(zhuǎn)速的影響。（2）通過調(diào)節(jié)輸入到電機上的直流穩(wěn)壓電源的值的大小來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，電壓越大電機轉(zhuǎn)動速度越快，但不能超過電機的額定電壓值。根據(jù)檢測結(jié)果分析，該設(shè)計實現(xiàn)了DSP驅(qū)動交流伺服電機的功能。

4? ? 結(jié)語

近年來，隨著電機技術(shù)及其相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，交流伺服電動機以其良好的調(diào)速性能、可靠性強和使用壽命長等突出優(yōu)點，在工業(yè)控制的各個領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展。本研究主要以TI公司高性能、低價位的DSP芯片TMS320F2806為主控芯片，設(shè)計電流檢測、位置采樣、驅(qū)動電路、保護電路等模塊電路，并通過CCS軟件平臺設(shè)計電流采樣、換相等各模塊程序，實現(xiàn)驅(qū)動交流伺服電機運行。運行結(jié)果表明，該驅(qū)動控制系統(tǒng)電路設(shè)計簡便，可靠性高，并且可以根據(jù)工程需要，通過調(diào)整軟件設(shè)計應(yīng)用到多種場合，具有很好的工程價值。

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Abstract： The AC servo motor control system is a new type of speed control system with good operation， control and economic performance. It has great potential for development in the future. The article studies the design of AC servo motor drive based on DSP. The chipset TMS320F2806 is selected as the core chip， and the modules schematic such as current detection， position detection， driving circuit， protection circuit are designed. In addition， the design of AC servo motor drivers software such as current detection， commutating phase are programmed through the CCS v3.3 software. Finally， the function of AC servo motor drive is achieved by the alignment of hardware and software. According to the test， the system can operate stably and can be used into engineering practice.

Key? words： AC servo motor; TMS320F2806; motor drive

責(zé)任編輯? ? 張志釗