以無刷直流電動機(jī)為的無刷直流伺服系統(tǒng)具有優(yōu)越的調(diào)速特性以及壽命長、效率高、維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn),高、高可靠性、高智能化的無刷直流伺服系統(tǒng)是當(dāng)前伺服系統(tǒng)的重要發(fā)展方向[ 1 - 2 ] 。隨著微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展,伺服系統(tǒng)能夠獲得越來越高的工作、較寬的調(diào)速范圍,促進(jìn)了伺服系統(tǒng)在各個行業(yè)和領(lǐng)域應(yīng)用,例如工業(yè)自動化控制。伺服系統(tǒng)（servomechanism）是使物體的位置、方位、狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。它的主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制的非常靈活方便。

　　目前國內(nèi)外的轉(zhuǎn)臺大多應(yīng)用于慣性導(dǎo)航領(lǐng)域以及飛行姿態(tài)仿真系統(tǒng)。而伺服系統(tǒng)也已經(jīng)越來越為人們所重視，在現(xiàn)代化技術(shù)中，尤其是在國防技術(shù)中，有著舉足輕重的作用。80年代開始出現(xiàn)電液伺服控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺和伺服電機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺。轉(zhuǎn)臺逐步朝著高精密、高準(zhǔn)確性的方向發(fā)展，而且隨著航天和航空技術(shù)的發(fā)展，以及車載、艦載對轉(zhuǎn)臺體積的要求，轉(zhuǎn)臺也逐漸開始小型化、智能化。本文介紹了以高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812 為控制的雙通道高伺服控制系統(tǒng)，利用上、下位機(jī)協(xié)同控制的方法，使系統(tǒng)能夠滿足超低速、寬調(diào)速、高、高可靠性的要求。

　　1 方案設(shè)計(jì)

　　TMS32OF2812是TI公司推出的一款32位定點(diǎn)高速DSP芯片，采用8級指令流水線，單周期32 x 32位MAC功能，速度每秒鐘可執(zhí)行1.50億條指令（150MIPS），保證了控制和信號處理的快速性和實(shí)時性。另外IMS32OF2812片上還集成了豐富的外部資源，包括16路12位ADC,16路PWM輸出、3個32位通用定時器、128k的16位Flash存貯器、18kRAM存貯器，外圍中斷擴(kuò)展模塊（PIE）可支持45個外圍中斷，并具有McBSP, SPI, SCI和擴(kuò)展的CAN總線等口。TMS32OF2812還支持1M的外部存貯器擴(kuò)展。

　　系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)較高的,這就需要降低伺服電機(jī)運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)矩波動,可以從電機(jī)結(jié)構(gòu)和控制算法兩個方面加以考慮:伺服系統(tǒng)采用無槽結(jié)構(gòu)的無刷直流電動機(jī)（BLDCM）作為伺服電機(jī),換相控制方式為電壓空間矢量（ SVPWM）正弦波驅(qū)動技術(shù)。無刷直流電動機(jī)采用正弦波驅(qū)動方式,三相繞組通入對稱三相交流電,電樞磁場為圓形旋轉(zhuǎn)磁場,方向連續(xù)變化, 實(shí)現(xiàn)較低的轉(zhuǎn)矩紋波、平滑運(yùn)轉(zhuǎn)和較低的工作噪聲,證明了SVPWM驅(qū)動技術(shù)對于降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動有較好的效果;無槽結(jié)構(gòu)的無刷直流電動機(jī)消除了齒槽效應(yīng), 采用正弦波驅(qū)動方式,要求電機(jī)安裝有高分辨率的位置傳感器以提供的轉(zhuǎn)子位置信息。旋轉(zhuǎn)變壓器用來作為轉(zhuǎn)子位置檢測傳感器,能夠?qū)崿F(xiàn)高檢測,滿足正弦波驅(qū)動的位置要求。

　　普通的電機(jī)控制用微控制器只有一個電機(jī)控制單元,如果同時控制兩臺三相電機(jī),需要外部擴(kuò)展一定數(shù)量的器件和接口,大大提高了成本,降低了可靠性，選擇TSM320F2812作為控制器。伺服系統(tǒng)方案原理框圖如圖1所示

　　一種用電子換向的小功率直流電動機(jī)。又稱無換向器電動機(jī)、無整流子直流電動機(jī)。它是用半導(dǎo)體逆變器取代一般直流電動機(jī)中的機(jī)械換向器，構(gòu)成沒有換向器的直流電動機(jī)。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，沒有火花，電磁噪聲低，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代生產(chǎn)設(shè)備、儀器儀表、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和家用電器。采用PC機(jī)作為上位機(jī)平臺,通過RS - 485總線實(shí)現(xiàn)對伺服系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控。系統(tǒng)兩個通道的技術(shù)指標(biāo)及控制對象相同,因此各個通道采取了相同的硬件結(jié)構(gòu),以利于降低系統(tǒng)成本,縮短開發(fā)周期。 

　　TMS320F2812作為整個控制器的,根據(jù)控制算法產(chǎn)生PWM調(diào)制信號,與保護(hù)電路產(chǎn)生的信號綜合后,經(jīng)過驅(qū)動電路放大控制逆變電路,實(shí)現(xiàn)對伺服電動機(jī)的控制。信號發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波信號作為旋轉(zhuǎn)變壓器的激勵信號及角度變換（Resolver - to - Digital Converter, RDC）電路的參考信號。旋轉(zhuǎn)變壓器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸連接,實(shí)現(xiàn)角度位置檢測及反饋、速度計(jì)算及反饋功能。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2. 1 功率電路設(shè)計(jì)

　　功率電路包括驅(qū)動電路和逆變電路兩個部分。圖2是單個通道的功率電路原理圖,三相逆變電路由6只功率MOSFET構(gòu)成。系統(tǒng)采用了集成驅(qū)動芯片IR2133實(shí)現(xiàn)對功率MOSFET的驅(qū)動控制,具有欠電壓保護(hù)和過電流保護(hù)功能。IR2133的供電采用了自舉方式,用單電源經(jīng)過3個二極管給逆變器的3個上橋臂驅(qū)動電路供電, 3個下橋臂則共用一個電源。PWM輸入信號經(jīng)過IR2133放大后驅(qū)動MOS2FET工作,產(chǎn)生控制BLDCM 的三相電壓。IR2133內(nèi)部集成的運(yùn)算放大器采集母線電流信號,實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。ITR IP引腳外接采樣電阻,實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。當(dāng)發(fā)生電源欠電壓或過電流故時,FAULT引腳輸出為低電平,送至TMS320F2812的故障保護(hù)引腳,關(guān)閉PWM輸出,實(shí)現(xiàn)報警保護(hù)功能。圖中R6、R7 構(gòu)成分壓電路,檢測直流母線的供電電壓,防止系統(tǒng)工作在異常供電條件下,并根據(jù)檢測到的電壓執(zhí)行電壓補(bǔ)償算法,提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖2 功率電路

　　2. 2 RDC電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測元件。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正/余弦信號經(jīng)過RDC電路后變成數(shù)字信號,通過數(shù)據(jù)總線送入TMS320F2812,構(gòu)成轉(zhuǎn)子位置檢測反饋通道。位置反饋、轉(zhuǎn)子位置確定、速度測量都取決于該通道,其是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定及位置的關(guān)鍵因素之一,所以該反饋電路是系統(tǒng)的關(guān)鍵通道。為了保證該通道的,系統(tǒng)采用了AD2S83集成電路實(shí)現(xiàn)RDC變換功能,具有抗干擾能力強(qiáng),線性度好,高等優(yōu)點(diǎn),電路如圖3所示。

圖3 RDC角度轉(zhuǎn)換電路

　　圖3中,旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號送入AD2S83,DATA [ 0～16 ]為AD2S83 的數(shù)字輸出; SC1 和SC2選擇AD2S83輸出,根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行選擇。在設(shè)計(jì)過程中,充分利用了TMS320F2812資源豐富、引腳多的特點(diǎn),由其對選擇位進(jìn)行控制,擴(kuò)展了使用對象; 本系統(tǒng)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,AD2S83終選擇14 位。參考信號的頻率為18 kHz,圖中各個元件取值的詳細(xì)計(jì)算過程見文獻(xiàn)[ 6 ]。

　　3 控制策略及實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)為實(shí)時性強(qiáng)的數(shù)字化高伺服系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,充分利用了數(shù)字控制技術(shù),簡化硬件電路設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)可靠性,充分發(fā)揮軟件強(qiáng)大功能,用軟件產(chǎn)生部分傳統(tǒng)上由硬件電路實(shí)現(xiàn)的功能。控制器軟件主要由兩個部分構(gòu)成,一是主循環(huán)程序,二是PWM定時器下溢中斷服務(wù)子程序。主程序和中斷服務(wù)子程序相互配合,完成伺服電機(jī)的實(shí)時控制。主循環(huán)程序負(fù)責(zé)硬件外設(shè)的初始化、數(shù)據(jù)初始化和電機(jī)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換,并在發(fā)生故障時產(chǎn)生報警信息。由于采用的是單芯片控制兩臺伺服電機(jī)的方法,因此實(shí)現(xiàn)兩臺伺服電機(jī)的協(xié)同控制,完成狀態(tài)機(jī)的切換是主程序重要的任務(wù)TMS320F2812 集成有兩個事件管理器,每個事件管理器可以單獨(dú)控制一臺伺服電機(jī)。由于硬件電路采用了相同的設(shè)計(jì),伺服電機(jī)完全相同,的技術(shù)指標(biāo)也一致,因此對兩臺伺服電機(jī)的控制采取相同的控制算法,分別由各個事件管理器的中斷服務(wù)子程序調(diào)用執(zhí)行。根據(jù)SVPWM算法原理,在TMS320F2812中存儲了一個正弦表格,表格的長度依據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器的分辨率和系統(tǒng)要求的控制進(jìn)行設(shè)置。圖4是PWM定時器中斷服務(wù)子程序的流程圖。

　　在PWM中斷服務(wù)子程序中,實(shí)時讀取RDC電路的輸出信號,作為SVPWM控制算法的角度依據(jù); RDC電路的輸出信號與電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息相對應(yīng),可計(jì)算出伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和位置信號,并根據(jù)A /D采樣獲得的電流信號,計(jì)算實(shí)時誤差,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制,產(chǎn)生新的PWM占空比,通過調(diào)節(jié)占空比,控制作為伺服驅(qū)動單元的無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,達(dá)到實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)高控制的目的。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

　　伺服系統(tǒng)采用的兩臺無刷直流電動機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要參數(shù)為:額定功率80W,額定電壓28 V,轉(zhuǎn)速1 500 r/min,極對數(shù)p = 2,相電阻R = 0. 42Ω,相電感L = 2. 1 mH。系統(tǒng)工作時的PWM斬波頻率為25 kHz, SVPWM采用雙極性調(diào)制技術(shù)。

　　圖5a是左右通道經(jīng)過RC濾波后的一相電壓波形,圖5b是單臺伺服電機(jī)工作時的相電流波形,圖5c是伺服系統(tǒng)的起動加速曲線。采用軟起動方式初始加速時間稍長,但對伺服系統(tǒng)具有一定的保護(hù)功能;并且系統(tǒng)采用了軟起動技術(shù),使得在加速階段轉(zhuǎn)速超調(diào)幾乎為零,保證了系統(tǒng)的。系統(tǒng)運(yùn)行在轉(zhuǎn)速時,在10 min內(nèi)測量到的角度誤差為1. 87°,而轉(zhuǎn)速偏差為±1. 0%。由于采用了高的旋轉(zhuǎn)變壓器作為檢測元件,伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速低至0. 1r /min,滿足了低速場合的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,利用TMS320F2812同時控制兩臺伺服電機(jī),利用合理的控制算法和高傳感器,能夠獲得較高的控制,滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。

　　本文在分析了伺服系統(tǒng)的基本原理，進(jìn)行了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明控制系統(tǒng)有良好的動靜態(tài)性能， 該變頻調(diào)速系統(tǒng)可以廣泛地應(yīng)用于伺服驅(qū)動系統(tǒng)中。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是：應(yīng)用TI公司更新一代的DSP芯片TMS320F2812以及采用具有更多保護(hù)功能的智能功率模塊IPM等模塊化芯片構(gòu)成永磁同步電機(jī)矢量控制數(shù)字化變頻調(diào)速系統(tǒng)， 以減少外圍電路， 實(shí)現(xiàn)硬件電路的簡單化，控制和響應(yīng)的更加快速化。