伺服系統(tǒng)是控制系統(tǒng)中不可或缺的組成部分,。電機作為伺服系統(tǒng)中關鍵部件，對電機的控制精度和準確度要求越來越高,。無刷電機因其壽命長,、可靠性好、運行效率高,、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優(yōu)點,，在伺服系統(tǒng)中應用越來越廣泛。使用數字信號處理器(DSP)實現無刷直流電機的伺服系統(tǒng)可以只用一片DSP實現比較復雜的算法,，控制精度高,，可對伺服系統(tǒng)進行更有效的控制。文中以TMS320F2812為控制核心實現對直流無刷電機伺服系統(tǒng)的控制,，并給出了試驗結果,。

1 控制器原理及設計方案

1．1 控制器原理及硬件設計

    控制器分為3個單元：中央處理單元即DSP用于接受控制指令，計算并校正控制信號,；電機驅動單元驅動電機工作,；執(zhí)行機構執(zhí)行主控指令并反饋伺服機構狀態(tài)給中央處理單元以校正伺服機構狀態(tài),。工作原理如圖1所示。



1．2 電源電路

    由于DSP和外圍芯片工作電壓為5 V和3．3 V,。電位器輸入電壓為+12 V和-12 V,。因此使用DC／DC電壓轉換器將+27 V輸入電壓轉換成+12 V和-12 V 工作電壓，用CW78L05將+12 V電壓轉換成5 V工作電壓,。同理用FW431將5 V電壓轉換成4 V的基準電壓和3．3 V芯片工作電壓,。

1．3 中央處理單元

    由TMS320F2812作為中央處理芯片由RS422接口和SCI通信接口接收主控指令信號并轉換成控制指令信號。由SPI總線接口接收執(zhí)行機構反饋回來的執(zhí)行機構的位置信號與控制信號一起通過控制算法轉換成PWM輸出,。

    DSP的外圍電路通常由時鐘電路,、JTAG接口電路組成。時鐘電路使用20 MHz晶振,，5倍頻后DSP工作在100 MHz的頻率,。每個電源入口用0．1μF的電容濾波及隔離。
    伺服控制電路與主控之間的通信采用RS422異步全雙工傳輸方式,，采用MAX3160通信芯片實現,。

1．4 反饋電路

    反饋部分采用在執(zhí)行機構安裝同步電位計，通過電位計反饋電壓信號,，經過信號調理后,，經由A／D轉換器將數字信號反饋給DSP。
    反饋信號信號淵理電路選用LM148,，并存輸入信號端加入由10 kΩ電阻和0．1μF電容組成的RC低通濾波電路,。由于DSP中A／D轉換的位數不足，因此選用TLC2574將放大后的反饋模擬信號轉換成數字信號,，并通過SDI和SDO端口與DSP傳遞數字信號,。

1．5 驅動電路

    DSP輸出的PNM和DIR信號為3．3 V，為避免驅動能力不足,，DSP的輸出信號經SN74ALVC164245由3．3 V上拉至5 V,，輸山電流為24 mA。

    光耦隔離電路用于將功率驅動電路的信號與DSP控制信號進行隔離,，避免功率電源對數字控制電路造成干擾,。光耦選用HCPL2231，該芯片由兩路獨立光耦組成,，當輸入為低時,，二極管導通，輸出為高,。輸出信號+15 V上拉,。

    由于驅動板中運放LM193和FN3140，以及邏輯門電路4069、4070,、4073,、4081的工作電壓為+15 V，因此需要將系統(tǒng)工作電壓+27 V經由電源模塊轉換成驅動板中芯片工作電壓+15 V,。邏輯門電路根據電機霍爾位置信號HA,、HB、HC和電機方向信號DIR產生控制6個MOS管開關的控制信號,。并且將PWM信號合成到功率開關管的導通相序中,。
    驅動部分前級驅動電路采用IR2103，以提高邏輯電路輸出信號的驅動能力,，用來開啟和關閉后級的大功率晶體管,。芯片輸出采用自舉方式。功率電路采用6個IRFP250功率管組成全橋式電路,。最大供電電壓90 V,，最大持續(xù)工作電流33A。

    當伺服系統(tǒng)中出現持續(xù)過載情況或者逆變電路出現直通時,，電路輸出電流過大,，會燒壞電機或損壞功率器件，因此需加入過流保護電路,。將采樣電阻采集的信號進行濾波處理后與設定值比較,，以限定電機的最大工作電流。


2 軟件系統(tǒng)

    控制軟件采用模塊化設計,，針對各個功能設計相應的程序模塊,。主程序通過對各個子函數的合理調用和控制最終實現整個伺服系統(tǒng)的合理工作。

    當系統(tǒng)開始工作時,，首先完成對各個程序模塊的初始化,，包括CPU時鐘、看門狗,、中斷,、SCI口、定時器,、控制參數,、PWM等,。完成各個模塊的初始化后,，在最后的死循環(huán)中，執(zhí)行伺服機構控制算法等待串口中斷：首先啟動AD采集,，采樣結束后,，讀取AD的采樣結果。利用采樣結果和通過中斷接收的伺服控制指令控制電機工作,。如果判斷通信出現,，則執(zhí)行SCI口初始化,，重新復位串口?？刂栖浖捎肅語言編寫,，各個模塊可以相互調用，工作效率高,，可以實現實時控制,。

3 測試系統(tǒng)及試驗結果

    測試系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓電源提供+27 V控制電，兩個直流電源提供電機工作電壓,，其中-45 V為工作電壓,，+45 V為補償電壓。測試平臺采用研華的數據采集和控制平臺,，由LabCVI實現對控制電路的仿真測試控制和數據采集,。試驗結果如下圖所示。





4 結論

    與傳統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)相比,，基于DSP的數字伺服機構控制系統(tǒng)既有數字系統(tǒng)精度高,、靈活性強的優(yōu)點，又充分發(fā)揮了無刷直流電機可靠性高,、快速性好的優(yōu)點,，大幅提升了伺服系統(tǒng)的整體性能。同時該系統(tǒng)的建模,、仿真,、測試、維修等與傳統(tǒng)伺服控制系統(tǒng)相比更加快捷,、有效,，具有較高的工程應用價值。該伺服控制系統(tǒng)可以同時控制多個直流無刷電機同時工作,，已在某型伺服機構中驗證并應用,。