摘 要: 現今永磁同步電機的使用越來越廣泛，本文提出了基于DSP和功率模塊的電機伺服控制系統設計方案;完成了伺服控制系統的硬件設計和軟件設計。系統選用數字信號處理器TMS320LF2407A作為核心單元，完成電機伺服控制系統硬件設計，在此硬件平臺上使用C2000系列的匯編語言完成伺服控制系統的軟件編寫，完成了控制系統的設計。 關鍵字: 電動機;伺服系統;DSP;功率模塊 Abstract: At present, the permanent magnet synchronous machine is more and more widely used. A new motor servo-controller based on DSP and power module is designed in this paper. The system regarded the DSP TMS 320LF2407 as the core unit to complete the hardware design of the motor servo-controller, and then finish the software design using C2000 assembly language based on the hardware platform to implement the design of the controller. Keywords: Motor; Servo-Control; DSP; Power Module 1 引言 　　隨著科學技術的發展，人類在微電子、計算機、電力電子技術和電機制造等諸多領域取得了巨大進步，并直接推動了伺服控制技術的飛速發展和廣泛應用。諸如在各種數控設備、工業機器人、大規模集成電路制造、交通運輸、載人宇宙飛船、電動工具以及家用電器等領域的應用都日益廣泛。本文提出了一種基于DSP和功率模塊的電機伺服控制系統設計方案。 2 電機伺服控制系統概述 　　從功能上劃分，控制系統硬件部分由控制板和驅動板兩大部分組成。其中，控制板擔負控制運算，變量采集、界面顯示及數據通信等任務。圖1為控制系統結構框圖。 圖1 伺服控制系統硬件實現框圖 　　使用TI公司的電機控制專用DSP：TMS320LF2407A作為控制板上的主控單元;其外圍電路還包括檢測三相交流電流的ADC模塊、檢測電機的轉子位置的旋轉變壓器位置檢測模塊、面板液晶控制系統及串口通信電路;而驅動板的作用是將控制板輸出的弱電控制信號轉變為具有一定驅動能力的強電信號并輸出到電機。主要由三相逆變橋及其驅動和保護電流組成。采用集成三相橋臂及驅動保護電路的智能電源模塊（IPM），使驅動板外圍電路的設計實現了最簡化，并提供了可靠性。 3 控制系統硬件設計 　　控制系統硬件部分主要控制板和驅動板由兩大部分組成。以TMS320LF2407A為運算核心，由DSP最小系統，連同數字/模擬量轉換模塊（ADC）、旋轉變壓器位置轉換器（RDC）、液晶控制系統及RS232收發器部分構成了控制板部分，控制板是整個控制系統核心。 　　3.1 DSP最小系統 　　DSP最小系統是指能使DSP內核正常運行、以及能對DSP進行調試的最簡硬件設計，包括DSP芯片本體、電源設計、復位電路設計、JTAG接口設計、調試用外擴RAM設計等。本控制系統中的DSP最小系統均按照TI官方推薦的電路進行設計，如圖2所示。 圖2 DSP最小系統設計 　　如圖，電源管理芯片選用TI的TPS7333Q，它不僅能夠提供+3.3V，500mA的電源供給DSP及其它低電壓外設使用，其第8腳（/RS）還能在上電的同時輸出一個寬度為200mS的低脈沖的上電復位信號對DSP進行上電復位。 　　3.2 轉子位置檢測模塊設計 　　電機高精度伺服控制系統需要有高精度的轉子磁極位置檢測信號以滿足伺服系統高精度的控制需要。這也就要求系統配有高性能的轉子磁極位置檢測元件。目前，常用的檢測元件主要有光電編碼器和旋轉變壓器。其中，光電編碼器精度雖高，但初始位置無法確定，而且價格昂貴、可靠性較低、對機械安裝要求較高，故應用較少。而旋轉變壓器則不然，它的初始位置是確定的，并且結構堅固簡單、成本低、檢測精度較高，加上其與轉換芯片之間傳遞的信號為低頻正弦信號，信號傳輸不易受噪聲的影響，抗干擾能力強。因而在高性能交流伺服系統中得到越來越多的運用。 　　本文中的電機伺服控制系統也采用了一臺變磁阻式旋轉變壓器來檢測電機轉子位置,為配合12對極的永磁同步電機，選用的旋轉變壓器也為12對極。旋轉變壓器轉子與永磁同步電機轉子同軸并隨電機轉子旋轉，定子則壓緊在電機機殼上固定不動，這時，旋轉變壓器的轉子位置即實時反映了電機的轉子位置。再使用一片Analog Device公司的旋轉變壓器信號轉換芯片AD2S83，將旋轉變壓器輸出的兩路正弦模擬信號同其勵磁信號一起轉換得到旋轉變壓器轉子，及電機的轉子實際位置值。另外，通過特定間隔時間內采集的兩個轉子位置值，即可求取電機的轉速。 　　3.3 模擬量采集、前向通道及數模轉換（ADC）電路設計 　　電機伺服控制系統需要對電機的三相相電流和直流側電壓瞬時值進行實時采集。在電氣特性上，電機的電壓電流瞬時值為強電量，不能直接輸入到控制板中而必須經過強弱電隔離并實現對應的轉換。在本文的伺服控制系統設計中，通過采用多個電壓電流霍爾傳感器，實現了強弱電的分離;并通過模擬量前向通道輸入到數模轉換器（ADC）中實現對模擬量實際值的采集。圖3為電流霍爾傳感器電路設計。 圖3 電流霍爾傳感器電路 　　圖中，霍爾傳感器U17的第2腳和第6腳相連，第3腳和第5腳相連，檢測電流從第1腳流入，從第4腳流出。采用這種配置時，初級側檢測電流輸入有效值最大為8A，對應的次級側轉換電流輸出有效值最大為12mA。第7腳和第8腳為霍爾傳感器的電源腳，它與模擬量是不共地的一套單獨的電源。第11腳和第9腳之間接負載電阻，阻值為68Ω，其作用是輸出平衡并將輸出的電流信號轉換為易于檢測的電壓信號。另外，考慮到得到的電壓值很低，測量時誤差較大，故在霍爾傳感器附加設計了一組使用運放TL084構成的同向放大器。 　　3.4 帶IPM的逆變橋及隔離設計 　　對交流電機的控制系統而言，逆變橋部分是必不可少的。圖4為由六支IGBT管組成的三相逆變橋原理圖。為簡化設計和增大系統的可靠性，在本文的伺服控制系統中逆變橋部分采用了一塊三菱電機的IPM，其型號為PM50CSD060，其典型參數為：VCES=600V，IC=50A，Tdead=2.5μs。 圖4 三相逆變橋原理圖 　　IPM內含有三相逆變器所需的IGBT及反并聯二極管，并且三相已連接好，只要把P、N引出端接到直流側電容兩端，把U、V、W端子連接至電機的三相輸入端即可。對于PM50CSD060，除有6個PWM信號輸入外，還有4個故障保護信號輸出，即三個上橋臂故障和一個下橋臂總故障。 　　IPM的驅動需要四個相互隔離的電源，上橋臂的三個IGBT需要三個獨立不共地的電源，下橋臂的三個IGBT是共發射極的，只需共用一個電源驅動，故本系統的隔離驅動電源選用了4只5V-15V，最大輸出100mA的DC-DC變換器。對于使用IPM的驅動板設計而言，對PWM驅動部分和IGBT保護電路的設計得到了極大的簡化。 　　3.5 其他部分設計 　　由于控制系統需要通過RS232串口同上位機進行通信，同時接受來自控制系統面板輸入的命令。為編寫和調試程序的方便，在控制系統中還單獨使用了一塊微控制系統W78E58P，用以實現液晶顯示、鍵盤輸入及協調DSP同上位機之間的通信。在電路連接上，DSP、W78E58P和RS232收發器三者間使用一個雙刀雙擲繼電器，其開和狀態與控制系統是否外接串口通信線有關。具體而言，當使用RS232串口通信線連接控制系統與PC機時，繼電器連接DSP和RS232收發器，實現控制系統同PC機之間的通信，并通過專用的上位機控制程序向控制系統發送命令;而當通信線從控制系統拔掉后，繼電器斷開RS232收發器并連接DSP和W78E58P，使兩者之間的串口通過TTL電平直接連接。這時，DSP主控制系統同W78E58P通信并通過面板鍵盤接收命令。 　　以DSP為控制系統核心，采用IPM實現逆變橋主回路設計，實現了高精度、高性能、可靠性好的電機伺服控制系統硬件設計。 4 控制系統軟件設計 　　利用TMS320LF2407A強大的運算能力、高效的指令系統，可以方便地設計控制系統的軟件。從功能作用上劃分，電機伺服控制系統的軟件部分主要包括：與上位機的通信程序、模擬量定時采集程序、核心控制算法程序以及PWM生成程序等4個主要部分。其軟件結構框圖如圖5所示。考慮到整體繁重的計算量，為實現電機控制的實時性和高效性，本文的電機伺服控制系統軟件部分全部采用了基于TMS320LF2407A的匯編語言體系。 圖5 控制系統軟件框圖 　　上圖清晰地反映了整個控制系統的軟件架構。首先，伺服控制系統不斷地掃描來自上位PC機或控制系統前面板的命令，通過對命令的判斷進行相應的操作。命令大體上分為兩類：一類是對電機參數的讀寫操作，即將特定的電機參數寫入到EEPROM中供控制程序計算時調用，或將電機參數由EEPROM讀出并顯示于屏幕上;第二類即控制電機命令，包括位置控制模式、速度控制模式、轉矩控制模式以及鎖定電機、啟動電機和停止運行等命令。當控制系統接收到控制電機命令后，算出控制電機的三相瞬時電壓值并通過輸出PWM的方式產生實際的三相電壓控制電機。另外，所有計算中需要的電流、電壓及當前電機轉速值均通過定時采集程序并計算得到。