基于DSP的数字伺服机构控制系统设计

李 湍，季 祥

（1.洛阳光电技术发展中心 河南 洛阳 471009；2.河南工业职业技术学院 河南 南阳 473009）

伺服系统是控制系统中不可或缺的组成部分。电机作为伺服系统中关键部件，对电机的控制精度和准确度要求越来越高。无刷电机因其寿命长、可靠性好、运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点，在伺服系统中应用越来越广泛。使用数字信号处理器（DSP）实现无刷直流电机的伺服系统可以只用一片DSP实现比较复杂的算法，控制精度高，可对伺服系统进行更有效的控制。文中以TMS320F2812为控制核心实现对直流无刷电机伺服系统的控制，并给出了试验结果。

1 控制器原理及设计方案

1.1 控制器原理及硬件设计

控制器[1]分为3个单元：中央处理单元即DSP用于接受控制指令，计算并校正控制信号；电机驱动单元驱动电机工作；执行机构执行主控指令并反馈伺服机构状态给中央处理单元以校正伺服机构状态。工作原理如图1所示。

图1 控制器工作原理图Fig.1 The operational principle of control unit

1.2 电源电路

由于DSP和外围芯片工作电压为5 V和3.3 V。电位器输入电压为+12 V和-12 V。因此使用DC/DC电压转换器将+27 V输入电压转换成+12 V和-12 V工作电压，用CW78L05将+12 V电压转换成5 V工作电压。同理用FW431将5 V电压转换成4 V的基准电压和3.3 V芯片工作电压。

1.3 中央处理单元

由TMS320F2812作为中央处理芯片由RS422接口和SCI通信接口接收主控指令信号并转换成控制指令信号[1]。由SPI总线接口接收执行机构反馈回来的执行机构的位置信号与控制信号一起通过控制算法转换成PWM输出。

DSP的外围电路通常由时钟电路、JTAG接口电路组成。时钟电路使用20 MHz晶振，5倍频后DSP工作在100 MHz的频率。每个电源入口用0.1μF的电容滤波及隔离。

伺服控制电路与主控之间的通信采用RS422异步全双工传输方式，采用MAX3160通信芯片实现。

1.4 反馈电路

反馈部分采用在执行机构安装同步电位计，通过电位计反馈电压信号，经过信号调理后，经由A/D转换器将数字信号反馈给DSP。

反馈信号信号调理电路选用LM148，并在输入信号端加入由10 kΩ电阻和0.1μF电容组成的RC低通滤波电路。由于DSP中A/D转换的位数不足，因此选用TLC2574将放大后的反馈模拟信号转换成数字信号，并通过SDI和SDO端口与DSP传递数字信号。

1.5 驱动电路

DSP输出的PWM和DIR信号为3.3 V，为避免驱动能力不足，DSP的输出信号经SN74ALVC164245由3.3 V上拉至5 V，输出电流为24 mA。

光耦隔离电路用于将功率驱动电路[2]的信号与DSP控制信号进行隔离，避免功率电源对数字控制电路造成干扰。光耦选用HCPL2231，该芯片由两路独立光耦组成，当输入为低时，二极管导通，输出为高。输出信号+15 V上拉。

由于驱动板中运放LM193和FX3140，以及逻辑门电路4069、4070、4073、4081 的工作电压为+15 V，因此需要将系统工作电压+27 V经由电源模块转换成驱动板中芯片工作电压+15 V。逻辑门电路根据电机霍尔位置信号HA、HB、HC和电机方向信号DIR产生控制6个MOS管开关的控制信号。并且将PWM信号合成到功率开关管的导通相序中[3]。

驱动部分前级驱动电路采用IR2103，以提高逻辑电路输出信号的驱动能力，用来开启和关闭后级的大功率晶体管。芯片输出采用自举方式。功率电路采用6个IRFP250功率管组成全桥式电路。最大供电电压90 V，最大持续工作电流33 A。

当伺服系统中出现持续过载情况或者逆变电路出现直通时，电路输出电流过大，会烧坏电机或损坏功率器件，因此需加入过流保护电路。将采样电阻采集的信号进行滤波处理后与设定值比较，以限定电机的最大工作电流。

2 软件系统

控制软件采用模块化设计，针对各个功能设计相应的程序模块[4]。主程序通过对各个子函数的合理调用和控制最终实现整个伺服系统的合理工作。

当系统开始工作时，首先完成对各个程序模块的初始化，包括CPU时钟、看门狗、中断、SCI口、定时器、控制参数、PWM等。完成各个模块的初始化后，在最后的死循环中，执行伺服机构控制算法等待串口中断：首先启动AD采集，采样结束后，读取AD的采样结果。利用采样结果和通过中断接收的伺服控制指令控制电机工作。如果判断通信出现，则执行SCI口初始化，重新复位串口。控制软件采用C语言编写，各个模块可以相互调用，工作效率高，可以实现实时控制。

3 测试系统及试验结果

测试系统采用直流稳压电源提供+27 V控制电，两个直流电源提供电机工作电压，其中-45 V为工作电压，+45 V为补偿电压。测试平台采用研华的数据采集和控制平台，由LabCVI实现对控制电路的仿真测试控制和数据采集[5]。试验结果如下图所示。

图2 空载角速度测试Fig.2 Measurements of Non-Load Angular Velocity

图3 10 Hz动态特性测试Fig.3 Measurements of dynamic characteristics

图4 阶跃特性测试Fig.4 Measurements of step characteristics

4 结 论

与传统的伺服控制系统相比，基于DSP的数字伺服机构控制系统既有数字系统精度高、灵活性强的优点，又充分发挥了无刷直流电机可靠性高、快速性好的优点，大幅提升了伺服系统的整体性能[6]。同时该系统的建模、仿真、测试、维修等与传统伺服控制系统相比更加快捷、有效，具有较高的工程应用价值。该伺服控制系统可以同时控制多个直流无刷电机同时工作，已在某型伺服机构中验证并应用。

[1]江龙，秦文甫.TMS320LF2407A在舵机多通道控制系统的应用研究[J].航空兵器，2009（2）：31-34.JIANG Long，QIN Win-pu.Study on TMS3202407A applied on multi-channel control in servo system[J].Aero Weaponry，2009（2）：31-34.

[2]刘建斌.基于DSP的电动舵机控制系统设计 [J].导航与控制，2008（7）：15-17.LIU Jian-bin.Design of the electromechanical actuator system based on DSP[J].Navication and Control，2008（7）：15-17.

[3]张琛.直流无刷电机原理及应用 [M].北京机械工业出版社，1996.

[4]孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京:清华大学出版社，2008.

[5]孙晓云.基于Labwindows/CVI的虚拟仪器设计与应用[M].北京:电子工业出版社，2010.

[6]张强，谢宗武.基于DSP的电动机控制技术[M].北京:中国电力出版社，2008.