摘 要: 總線化是工業控制系統的一個發展方向,基于CAN（Controller Area Network）總線的伺服系統在適用范圍、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面有明顯的優越性。本文給出了伺服控制器的硬件設計,選用美國TI公司專門為數字運動和電機控制推出的DSP控制器TMS320LF2407來實現交流伺服系統。并給出了交流伺服系統的全閉環軟件實現方案。 關鍵字: 伺服控制, DSP, 電機, CAN 1 引言 　　伺服系統向著全數字化的方向發展,而高性能DSP器件的出現為其奠定了堅實的基礎。從國內外最新的發展情況來看,國外很多公司都已推出了基于DSP的成型的全數字交流伺服產品,象國內引進較多的日本松下、安川等交流伺服系統。目前,國內的控制界也己掀起了利用DSP來實現交流伺服系統的熱潮。 　　另外,采用高性能控制策略的控制系統具有很好自適應能力和抗干擾能力,能夠在參數時變及干擾等惡劣的工況下保證系統良好的動態和穩態性能。克服了基于常規控制理論設計的電機控制系統存在的缺陷和不足。本文的主要任務是設計一種基于DSP和CAN總線技術的高性能全數字化伺服系統。采用電流、轉速雙閉環控制方式對永磁同步電動機進行速度和位置控制。 2 控制系統總體硬件結構 　　本系統提供的硬件設計能夠滿足多種控制算法,能夠滿足本系統的控制要求。它是以TI公司的TMS320LF2407為控制核心設計的。TMS320LF2407芯片是TMS320C2000TM平臺下有較高性能價格比的一種定點DSP芯片。該芯片的低成本、低功耗、高性能的處理能力對電機的數字化控制非常有效。可以適用于多種控制策略。我們采用了IGBT CPV363M4K模塊組成逆變橋來實現功率主回路直流到交流的逆變。控制系統的硬件構成見圖1。 　　主要包括:TMS320LF2407微處理器及其外圍電路,主要負責控制策略和算法的實現,產生PWM信號、響應速度反饋等工作;CAN模塊負責與上位機進行通訊,通過總線接收對電機的控制信息;JTAG接口電路為仿真器與微機的接口電路,便于系統進行在線調試。此端口由仿真器直接訪問并提供仿真功能;檢測電路采用了價格較低的電阻器和價格較高但性能好的電磁隔離式霍爾傳感器兩套電路來檢測永磁同步電機的相電流 , ,送入進行A/D轉換并作相應處理,實現控制算法;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;電源模塊將開關電源提供的+5V電壓變換為+3.3V,為系統供電。 [align=center] 圖1系統硬件結構圖[/align] 3 控制系統硬件設計 　　3.1電流檢測 　　在永磁同步電機交流控制系統中,控制器需要及時準確的知道繞組中實際電流的大小,以實現電流控制和電流保護電路的設計。電流采樣必須實時,準確可靠,這對實現控制性能是必須的。電流測量的方法有很多種,一種測量電流的方法是使用簡單的、便宜的電阻器來進行測量,當然,這種測量方法比較復雜。然而,在一定的條件下,這種測量方法變得很困難,甚至由于硬件的限制是不可能進行測量的,如當采用智能功率模塊（IPM）組成逆變橋時,就沒法使用電阻器進行相電流的測量。在本系統中采用電磁隔離霍爾元件進行電流檢測。檢測電路如下圖2: [align=center] 圖2電流檢測電路[/align] 　　3.2功率主回路設計 　　功率主回路是進行能量轉換、驅動伺服電機工作的強電電路,主要由整流電路、中間直流電路和逆變器三個環節組成,如圖3所示。 [align=center] 圖3 功率主回路電路圖[/align] 　　3.3控制驅動電路的設計 D6 Q6 　　控制驅動電路主要完成對PWM （Pulse Width Modulation）信號的功率放大,以及對逆變器功率管的驅動功能。本文中分別采用SPWM技術和SVPWM技術來實現功率逆變,將由TMS320LF2407 DSP芯片產生的PWM信號經過功率驅動模塊IR2132進行功率放大、然后驅動三相逆變器的六個功率管。伺服控制器的功率驅動電路主要有功率驅動模塊IR2132和IGBT CPV363M4K組成的三相逆變器組成。將DSP芯片所產生的六路PWM信號直接輸入功率驅動模塊IR2132對信號進行放大,然后驅動三相逆變器的六個功率管。 　　由于DSP本身通過軟件編程可直接產生SPWM信號和SVPWM信號來驅動三相逆變器,所以,大大簡化了系統的外圍硬件電路結構,提高了系統的可靠性。 　　3.4 CAN控制器模塊設計 　　本系統中采用CAN總線接收對電機的控制信息并向主機發送狀態信息。DSP根據信息要求對電機進行調速、制動、正反轉等控制。 　　TMS320LF2407 DSP芯片的CAN總線控制器與CAN物理總線的接口采用82C250驅動器芯片。82C250采用阻抗為120。雙絞線作通信介質,信號采用差動發送和差動接收,具有較強的抗干擾能力,其最高通信速率可達1Mbps。通過對82C250引腳8 （Rs）的不同連接,可以實現三種不同的工作方式:高速、斜率控制和待機。本系統采用斜率控制,以降低射頻干擾。為了增強抗干擾能力,保護CAN控制器,在TMS320LF2407與82C250之間加高速光隔。光隔采用HP公司的HCPL-2630芯片,其速度為l0MHz。電路如圖4示。 [align=center] 圖4 CAN驅動器接口電路[/align] 4 系統軟件設計 　　在伺服系統的設計中,在實時性允許的前提下,一般來說,總是盡可能的用軟件資源代替硬件資源,以降低成本,簡化硬件系統結構,提高系統的性價比。TMS320LF2407,通過軟件變成可以靈活的實現矢量PWM輸出、速度檢測、電流檢測等功能。 　　在伺服驅動控制中有兩部分軟件:DSP控制程序和上位機軟件。DSP程序由兩個模塊組成,即主程序模塊和中斷服務程序模塊,主程序模塊主要完成中斷矢量的聲明、內存變量的定義、各個功能模塊的初始化等工作;中斷模塊主要是進行速度環和電流環的處理以及與上位機交換數據。 　　主程序內完成系統的初始化,I/O接口控制信號,DSP內各個控制模塊寄存器的設置等,然后進入循環程序。初始化工作主要包括:DSP內核的初始化;電流環、速度環的周期設定;PWM初始化,包括PWM的周期設定,死區設定,以及PWM的啟動;ADC初始化及啟動;QEP初始化;CAN控制器初始化;永磁同步電機轉子的初始位置初始化;進行多次伺服電機相電流采樣,求出相電流 和 。的零偏移量;電流PI調節初始化;速度PI調節初始化等。所有的初始化工作完成后,主程序進入等待狀態,以等待中斷的發生,進行電流環和速度環的調節。主程序流程如圖5所示。 [align=center] 圖5 主程序流程圖[/align] 本文作者創新點: 　　本文開發了一套基于DSP的高性能交流同步電機伺服控制系統。該系統采用TI公司的電機控制專用DSP-TMS320LF2407作為控制核心,實現了高精度的電流和速度雙閉環控制,實現了轉速調節器、電流調節器、電壓空間矢量的數字化,并且實現了上位機對于系統的參數設置和實時監控,取得了良好的控制效果。 參考文獻: 　　[1] 蔡春偉,采用USB和DSP技術的全數字伺服控制器的研究與開發[D],山東大學碩士學位論文,2004.5. 　　[2] 江思敏等,TMS320LF240x DSP硬件開發教程[M],機械工業出版社,2003。 　　[3] 王紀俊,劉賢興,王德明,王麗敏等,神經元控制器在感應電機矢量控制中的應用[J],江蘇大學學報（自然科學版）,2003年3月第24卷第2期。 　　[4] 章恒,朱紀洪,蔣志宏. 雙通道伺服控制系統設計[J]. 微計算機信息, 2007, 2-1: 110-111