胡慶杰　張建偉　徐艷　趙曉陽

摘 要：在早期的時候，伺服電機一般采用直流電機。而直流電機本身具有電刷及換向器，在電機運行時由于摩擦容易產(chǎn)生火花，因此使得直流電機的使用場合受到了一定的限制。同時，長期的摩擦?xí)?dǎo)致電刷及換向器損壞，增加了維修的成本。隨著社會的不斷發(fā)展，伺服系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越廣泛。本文提出了一種基于DSP的交流伺服電機控制系統(tǒng)，給出了控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。

關(guān)鍵詞：基于DSP;交流伺服電機;控制系統(tǒng);研究

1 前言

數(shù)字控制系統(tǒng)是自動控制理論和計算機技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，一般是指微處理機參與控制的開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，通常具有精度高、速度快、存儲量大和有邏輯判斷功能等特點，因此可以實現(xiàn)高級復(fù)雜的控制方法，獲得快速精密的控制效果。目前大多數(shù)運動控制系統(tǒng)仍采用單片機來進(jìn)行設(shè)計，雖然成本相對較低，但運算能力較弱難以完成大運算量算法。針對伺服驅(qū)動系統(tǒng)高速度、高精度的要求，出現(xiàn)了許多適應(yīng)不同工作狀況的高性能的控制算法。但是這些控制算法都是基于傳統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，伺服驅(qū)動器只能采用某種固定的控制算法，系統(tǒng)不能根據(jù)工作環(huán)境、負(fù)載狀態(tài)的變化實時地調(diào)整控制算法和控制參數(shù)，不能充分發(fā)揮不同控制算法的性能特點，從而影響了伺服驅(qū)動器在不同工作環(huán)境下性能的發(fā)揮。

DSP具有極強的數(shù)字計算能力，利用DSP可將很多新型的控制算法應(yīng)用于伺服控制。本文提出了以最新的數(shù)字處理芯片（DSP）TM$320F28335為核心控制芯片的交流伺服電機控制系統(tǒng)，它具有功耗小、性能高、運算速度快、數(shù)據(jù)和程序存儲器容量大、AD采樣和處理精度高等特點，能滿足伺服系統(tǒng)復(fù)雜控制算法的要求。

2 交流伺服技術(shù)的發(fā)展趨勢

采用新型的高速微處理器和數(shù)字信號處理器（DSP）的現(xiàn)代交流伺服技術(shù)已經(jīng)全面取代模擬器件的伺服控制技術(shù)成為市場主流，現(xiàn)在數(shù)字信號閉環(huán)控制已經(jīng)非常普遍，如電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)等。高性能的DSP、ARM等新型電力電子半導(dǎo)體器件越來越多用于伺服控制系統(tǒng)。這些先進(jìn)元件的應(yīng)用降低了系統(tǒng)損耗，提高了控制效率。結(jié)合市場需求的變化，可以看到以下最新的一些發(fā)展趨勢。

2.1 高效率化

隨著開關(guān)頻率較高的現(xiàn)代電力電子半導(dǎo)體器件的顯著應(yīng)用，交流伺服系統(tǒng)的效率得到顯著提高，但仍需要我們繼續(xù)加強交流伺服電機的效率優(yōu)化。特別是在一些驅(qū)動電路、能量反饋、傳感器的控制精度以及先進(jìn)的理論控制算法等方面還需我們進(jìn)一步開發(fā)利用。

2.2 一體化和集成化

現(xiàn)在的很多交流伺服系統(tǒng)發(fā)展方形趨向于將被控對象電動機、前向驅(qū)動模塊，負(fù)向反饋模塊以及串口通信模塊等實現(xiàn)縱向一體化。交流伺服系統(tǒng)現(xiàn)在也實行高度集成化，從被控對象，功率驅(qū)動等模塊的集成使系統(tǒng)從設(shè)計制造到運行維護(hù)都緊密的集成在一塊。這樣既縮小整個控制系統(tǒng)的體積，又使得系統(tǒng)的安裝和調(diào)試得到簡化。

2.3 通用化

通用型的伺服驅(qū)動模塊配置有豐富的菜單功能和大量的參數(shù)。在硬件配置一定的條件下，它可以工作在不同的控制方式，如變壓變頻控制、永磁同步交流伺服電機控制。矢量控制等。根據(jù)不同類型的傳感器可以工作在不同場合，可以使用電機本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)，也可以通過接口與外部的位置或力矩或速度傳感器構(gòu)成高精度全閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.4 智能化

智能化是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的一種流行趨勢，也是現(xiàn)代科學(xué)先進(jìn)性的具體體現(xiàn)。交流伺服技術(shù)作為高級的工業(yè)控制裝置，我們也需要將其設(shè)計成智能化的產(chǎn)品。現(xiàn)代交流伺服驅(qū)動器都具備參數(shù)記憶功能，系統(tǒng)的所有運行參數(shù)可以通過軟件來設(shè)置，應(yīng)用十分方便。有的交流伺服驅(qū)動器還具有故障自診斷，參數(shù)自整定以及自動調(diào)節(jié)穩(wěn)定性等功能，這些都為伺服用戶提供更好的體驗。

3 伺服電機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本系統(tǒng)提供的硬件設(shè)計能夠滿足多種控制算法，它是以TI公司的TMS320F28335為控制核心設(shè)計的。TMS320F28335控制器是一種集成了數(shù)字信號處理核心與外設(shè)的微處理器，也是專門用于電機控制的DSP。它運行速度快，工作時鐘頻率達(dá)到150MHz，功耗低，性能高，可以滿足復(fù)雜控制。

電機控制卡根據(jù)上位機的命令產(chǎn)生脈沖序列，脈沖個數(shù)、位置、頻率及頻率變化率、加速度均受主機控制。微處理器及其外圍電路主要負(fù)責(zé)控制策略和算法的實現(xiàn)、產(chǎn)生PWM信號、響應(yīng)速度反饋等工作。微處理器根據(jù)控制卡的位置命令值減去位置反饋值來算出電機位置誤差值，經(jīng)過驅(qū)動單元的數(shù)字濾波器（調(diào)節(jié)算法）產(chǎn)生電機速度控制信號。其中反饋值是根據(jù)檢測電路中的電磁隔離式霍爾傳感器電路來檢測永磁同步電機的相電流，之后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并作相應(yīng)處理，實現(xiàn)控制算法。PWM輸出通過光耦傳輸使得傳遞PWM控制信號時控制電路與功率電路隔離。增量編碼器是伺服電機的反饋元件，它將電機的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為正交的電脈沖信號，微控制器根據(jù)該反饋信號就能跟蹤電機的旋轉(zhuǎn)位置。電源模塊將開關(guān)電源提供的+5V電壓變換為+3.3V為系統(tǒng)供電。

4 伺服電機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計分為兩大部分：一是電機卡控制軟件設(shè)計，二是控制器的軟件設(shè)計。對電機控制卡的控制主要是在上位機中通過VisualC++進(jìn)行編程，進(jìn)而控制電機控制卡進(jìn)行瀆寫操作并向控制卡發(fā)出位移、速度、加速度等命令。

DSP程序由兩個模塊組成，即主程序模塊和中斷服務(wù)程序模塊。主程序模塊主要完成中斷矢量的聲明、內(nèi)存變量的定義、各個功能模塊的初始化等工作;中斷模塊主要是處理電機控制卡的命令、檢測電路的反饋值、讀取QEP的計數(shù)和控制算法程序Ⅲ。控制器的軟件流程見圖1。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用了先進(jìn)的全數(shù)字電機控制算法，實現(xiàn)了電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，具備良好的魯棒性和自適應(yīng)能力，可配合多種規(guī)格的伺服電機，適應(yīng)于需要快速響應(yīng)的精密轉(zhuǎn)速控制與定位控制的應(yīng)用系統(tǒng)，如數(shù)控機床、印刷機械、包裝機械、造紙機械、塑料機械、紡織機械、工業(yè)機器人、自動化生產(chǎn)線等。

參考文獻(xiàn)

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