基于TMS320F2812的交流伺服运动系统设计

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（凯迈（洛阳）测控有限公司，河南 洛阳 471009）

1 引言

交流伺服运动系统相对于步进运动系统具有以下优点［1］：噪音小；电机轴后端的旋转编码器保证了控制精度高；低速运行平稳，并具有共振抑制功能，可涵盖机械刚性不足；矩频特性稳定，额定转速内以额定转矩输出，额定转速外以恒功率输出；具有3倍于额定转矩的过载能力，可以克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩；控制性能可靠，不易出现丢步或过冲现象；速度响应快，从静止加速到额定转速仅需数ms，适用于快速启停的控制场合。

2 工作原理

本文设计的交流伺服运动系统主要由上位机、控制系统、交流电机及伺服驱动器、执行机构等组成，如图1所示［2－3］。

图1 交流伺服运动系统Fig.1 AC servo motion system

上位机通过422串口发出控制指令，同时反馈执行机构运动信息；控制系统通过交流伺服驱动器，以脉冲或正负电平两种方式控制交流电机按设定模式运转，并实时处理执行机构的运动信息；执行机构由导程为5mm的滚珠丝杠传动，配合伺服电机实现±1 000mm行程，定位精度0.01 mm，速度范围0.1～250mm／s、速度精度0.1 mm／s、加速度500mm／s2的速度连续可调的技术指标。其中，交流电机内置光电编码器输出反馈脉冲，伺服驱动器速度监视输出正负电平，两种数据经处理换算后提供执行机构当前运动方向、速度与位置等信息。

3 伺服驱动器

运动系统根据转动惯量与功率需求，选用松下高惯量交流电机MHMD082G1C，内置20位增量旋转式编码器。相应的交流伺服驱动器为MCDHT3520，其参数设置要与控制系统软硬件设计紧密配合，以实现速度及定位的控制精度要求。为反馈计算方便，输入脉冲／电平与反馈脉冲／电平等数量级，其参数对应关系如下：电机转速1r／s（60r／min）与目标速度5mm／s、控制／反馈电压200mV、控制／反馈脉冲频率3 240Hz相对应。如目标速度设为50mm／s时，电机转速为10r／s（600r／min），控制／反馈电压为2 000mV，控制／反馈脉冲频率为32 400Hz，其余可类推。

依据上述关系，设置交流伺服驱动器控制／反馈脉冲与电压参数如下：脉冲控制方式的指令采用脉冲序列＋符号方式，PULS信号的脉冲频率与电机运行速度相对应，SIGN信号的高低电平与电机的正反转相对应，如图2所示。

图2 脉冲控制方式Fig.2 Pulse control mode

正负电平控制方式速度指令输入增益与速度监视输出电压均设置为10V←→3 000r／min；加速度为500mm／s2，交流伺服驱动器加／减速时间均设置为5ms，即从0运行至1 000r／min所需要的时间。

目标速度分为高中低档，低档0.1～99.9 mm／s，中档100～175.9mm／s，高档176～250 mm／s，在单程定位运动及将运行至极限位置±1 000mm处时，以24ms为周期的加／减速调整范围分别为2mm，4mm和6mm，以最大限度地减少目标运动惯量的影响。由于伺服驱动器在速度指令控制电压不超过60mV，以及内部速度指令不超过30r／min时，会产生电机不转的现象，因此驱动器采用位置／速度控制模式。根据上位机的控制命令，当电机运行速度小于60 r／min时采用位置控制模式；当电机运行速度大于60r／min时切换到速度控制模式。

伺服驱动器SF1与SF2并联联接，以常闭形式接入蘑菇头按钮开关，提供紧急情况下人工关闭驱动信号、切断电机电流的功能。

4 控制系统

4.1 硬件设计

控制系统硬件主要由电源与转换、晶振与复位、TMS320F2812、串口通信、脉冲控制与反馈鉴相、速度电平控制与监视、定位与限位等电路模块构成。

电源转换芯片TPS767D301输入5V，输出3.3V供 TMS320F2812I／O电压，输出1.9V供TMS320F2812核心电压，并提供复位输出功能；晶振30MHz，经PLL锁相环5倍频后供给TMS320F2812内核；串口通信采用 MAX3162，可同时实现232及422两种模式通信，其中232模式用于辅助调试，422模式用于控制命令的接收和电机运行信息的反馈。

脉冲控制与反馈模块利用高速光耦HCPL－2631对驱动器控制脉冲序列PULSH及符号SIGNH进行光电隔离处理；利用中速光耦TLP521－4对驱动器控制信号INH，POT，NOT，CL，SRV－ON，ZEROSPD，C－MODE，A－CLR，对驱动器反馈信号S－RDY，ALM进行光电隔离处理，以提高抗干扰性，并具有3.3V与24V电平信号的匹配与转换功能。

脉冲鉴相模块中，伺服电机内置编码器通过伺服驱动器输出A，B，Z3路差分互补脉冲，计算A相或B相的脉冲个数，经换算得目标当前运行速度和位置信息。当电机内置光电编码器正转时，A相超前B相1／4周期；反转时，A相落后B相1／4个周期。根据光电编码器正反转时A相与B相的相位差关系，将A相与B相分别接到D触发器SN54LS74AJ的D端与CLK端，如图3所示。则正转时，Q＝0；反转时，Q＝1。

图3 光电编码器反馈脉冲波形与鉴相Fig.3 Feedback pulse waveform and identifying of the optical encoder

当伺服驱动器工作在速度模式时，速度电平控制模块通过14位D／A转换器AD7841BS输出－10～10V电平，控制电机正反转及其运转速度。速度电平监视模块采用14位A／D转换器TLC3578接受±10V的速度监视输出电压，以反馈电机正反转及其运转速度。

对射型光电开关GK122分别安装在行程为－1 000mm，0mm，1 000mm处，其引脚电平变化触发中断，提供位置基准，配合其它控制引脚实现定位、校准、限位等功能。其中0mm处光电开关的零位基准点配合反馈脉冲进行计数，计至极限位置则返回，提供软件保护功能。行程开关KW4A－1ZA紧贴极限位置光电开关外，当程序异常或漏判±1 000mm而冲至行程有效动作范围内时，则直接切断驱动器的24V供电回路，提供硬保护功能。

词在最初是配合乐曲演唱的，而词牌就是曲调，这些曲调又分属于各种宫调，决定宫调之后才能演奏曲谱。《点绛唇》调名用南朝江淹《咏美人春游诗》：“江南二月春，东风转绿蓣。不知谁家子，看花桃李津。白雪凝琼貌，明珠点绛唇。行人成息驾，争拟洛川神。”元《太平乐府》注“仙吕宫”；高拭词注“黄钟宫”；《正音谱》注“仙吕调”。龙榆生先生在《唐宋词格律》中也提到“《清真集》入’仙吕调’，元北曲同，但平仄句式略异，今京剧中犹常用之”。

4.2 软件设计

为实现电机可靠运行及控制的实时性，TMS320F2812软件设计主要采用中断方式。主函数在初始化后等待伺服驱动准备好，之后便进入休眠状态等待中断。中断资源分配及相应功能如下。

串口A中断：主要实现命令的接收与目标当前位置与速度信息的反馈，为克服数据传输过程中的不确定性，采用帧起始字符＋数据／命令＋校验字＋帧停止字符的数据格式。

外部中断1：主要实现交流电机报警处理与3个定位光耦处定位与基准点设置功能。

通用定时器1比较中断：主要实现交流电机的控制输出PWM波的精细调整。

通用定时器2捕获中断：主要实现目标当前位置与速度的计算。

通用定时器3溢出中断：提供10ms的中断间隔，控制速度监视A／D的采样频率。

通用定时器4溢出中断：提供6ms的时间单元，用于24ms周期间隔的PID算法调用。

为保证交流电机运行速度平稳快速准确地到达设定值，调用带死区的PID控制算法，其死区范围为设定值±10mm／s范围内，超出该范围则不进行PID控制。在不产生过大过冲的情况下，尽可能地把起控点抬高，以利于后续控制部分进一步细化。另外，在进入控制之前所有积分项的数据记录进行清零处理。

对PID参数进行整定时，首先将控制范围10 mm／s划分为100等分，即0.1mm／s的速度控制精度，设其为标准控制单位U。速度误差最大为250mm／s，所对应的控制量为2 500U，则Kp值设为25，然后根据PID归一参数整定公式确定Ki与Kd初始值，再在此基础上细调。

4.3 抗干扰设计

伺服驱动器通过高速开关输出电流，是伺服运动系统中主要的噪声来源，其抗干扰设计从布局、布线、接地、屏蔽、滤波与隔离等方面进行［4－5］。

布局根据EMC的区域原则进行。控制电路板单独置于一个金属盒内，伺服驱动器、开关电源等单元靠近控制箱底部，用接地金属隔离板将区域隔离。

布线采用树叉状方式，强弱分开，电机电缆和其它电缆长度最小距离为500mm，并避免构成环路。控制电缆和电源电缆、动力电缆90°交叉。24V及其以上的强电电缆屏蔽层两端接地，并用金属夹将屏蔽层固定在安装板上。强电接地板和信号线接地板最小距离20cm，用6mm铜带搭接至大地端子。

接地采用3层次接地方式，如图4所示。3层次接地线在汇入基准地之前不能随意短接，各级连接按规定进行，同时接地线要直、短、粗。

滤波器端接的阻抗在严重失配的状态下工作，以使之具有最佳的衰减性能。

图4 3层次接地Fig.4 Three levels of grounding

系统中受干扰影响最大的为3根光耦定位信号采集长线。在电机使能情况下，感应电压＞10 V，频率2～12MHz，且在电机静止而励磁时干扰最大。为保证与PCB上的弱电系统完全隔离，使用MOS FET继电器作为强弱逻辑转换关口，以负逻辑传输方式反映定位对射型光电开关的遮断与否，达到延时1ms左右、隔断励磁感应电压干扰的效果，见图5。对于不确定因素所造成的干扰，将3根较长的定位信号采集线所对应的I／O的输入限制寄存器GPAQUAL进行多次采样，配合继电器滤除1MHz以上的干扰。

图5 长线传输抗干扰处理Fig.5 Anti－jamming process of long－wire transmission

4.4 安全性设计

为保证系统运行安全，设计有软限位、硬限位、机械缓冲装置。

软限位首先通过定位对射型光电开关设定基准值，然后对控制脉冲或反馈脉冲计数，经换算后得到目标当前位置值，当超过理论极限值时，就使电机运动方向置反。

硬限位通过急停蘑菇头按钮与行程开关串连实现，一旦目标越界触发任意行程开关动作或急停蘑菇头按钮动作，无论是安全输入SF1或SF2，断电输入后5ms以内，STO功能工作，电机的输出转矩被关闭。

机械缓冲装置可消除或降低断电后运动机构的惯性冲击。

5 试验与应用

利用示波器观测发送的PWM脉冲频率及编码器反馈脉冲频率，在匀速阶段单脉冲频率与理论值相比变化［－75，40］，10个脉冲平均频率变化［－50，23］，在0.1mm／s所对应的变化区间［－64.8，64.8］之内，整体运行平稳。

利用定时器3计算目标实时速度与位置，通过串口反馈信息。其中，对速度进行四舍五入处理。由于程序执行片段差异及串口发送与命令接收延迟，速度与理论值相差［－0.2，0.1］；定位脉冲与理论值相差［－3，－13］，折算为位置后相差［－0.004 6，－0.02］。

利用驱动器模拟监视器进行速度监视，在匀速阶段驱动器液晶显示屏上数据变化±1，折算为目标速度相差±1／12mm／s。

上述数据表明，该系统在实现±1 000mm行程、速度0.1～250mm／s范围内连续可调的前提下，满足给定的定位精度0.01mm，速度精度0.1 mm／s的技术指标。

该系统已在某型地面测试设备中应用，通过模拟飞行目标的偏航姿态，对某雷达型产品的动态特性加以测试。系统停放位置与角度灵活，高度与水平度可根据两侧支撑三角架进行调整，拆装搬运方便，使用方反映良好。

6 结论

所设计的交流伺服运动系统依据系统需求与技术指标进行量体裁衣，通过分析控制命令中的运动模式与速度参数，能够自动匹配与设置合适的位置控制或速度控制模式，并且其位置和速度参数在指定范围内可随时设置。同时，该系统还具备软限位、硬限位和人工急停3种安全保护功能，具有较高的性价比与良好的应用前景。文章对交流伺服运动系统的响应延迟性、振动性及多轴联合运动的研究不足，为下一步的努力方向。

［1］秦忆.现代交流伺服系统［M］.武汉：华中理工大学，1995.

［2］王晓明.电动机的DSP控制［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

［3］苏奎峰.TMS320F2812原理与开发［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［4］王幸之.单片机应用系统抗干扰技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1999.

［5］诸邦田.电子电路实用抗干扰技术［M］.北京：人民邮电出版社，1994.