本文的目标就是设计一款全数字化的交流伺服系统控制平台，利用dsp高速信号处理能力，实现永磁同步电机的矢量控制，并在此基础上，试验各种先进的控制策略，如最优控制、自适应控制等在交流伺服系统中的应用效果，进一步提高系统的控制性能。
pmsm数字控制硬件平台
典型的全数字化交流伺服系统通常由被控对象、伺服电机、功率模块、控制器以及测量与检测模块等组成，各种控制策略和算法由以dsp为核心的控制系统实现。该系统平台采用半闭环控制方式，其结构框图如图1 所示:
图1 半闭环结构伺服系统图
图2 伺服系统硬件结构图
本硬件平台设计结构图如图2所示，其分为控制电路和功率电路两部分。
控制核心需要具有高速的计算能力和丰富的功能模块，现代的dsp很好的满足了这些要求，实现了伺服系统的数字化。控制核心的外围电路包括相位检测电路、jtag仿真接口、用户接口、串行异步通讯接口、核心供电电源、pwm模块、数模和模数转换电路等。而功率部分主要包括逆变器、电流检测电路、位置和速度检测电路、保护电路和辅助电源等。
dsp56f8346控制电路
应用于控制系统的dsp是传统dsp与mcu（微处理器）相结合的产物，它一方面具有传统dsp的高速处理器内核，实现高速计算;另一方面它又集成了mcu的丰富外设资源，这使得dsp芯片成为现代伺服控制的主流控制芯片。
dsp56f8346的主要特点
附表对当前应用于伺服系统较多的ti 公司生产的tms320lf2407a与freescale dsp56f8346性能进行了对比。
经比较，freescale dsp56f8346更适用实时性和控制精度要求高的交流伺服系统，体现了更高的性价比。
jtag仿真接口
freescale dsp8346相对于其他公司的dsp产品的另一个优势就是freescale的56800/e系列dsp很少需要甚至不需要外加功能模块就可以进行开发，即不需要专门的仿真器。使用jtag，几乎不需要硬件支持，与pc机相连只需要做5v到3.3v的电平转换就可，当然最好通过光耦隔离，这样可以隔离上位机并口和dsp两者供电电源，保证了两者的工作安全。于是这里专门为jtag接口做了光耦隔离的小电路板，同时把后文讲到的d/a转换电路做在该电路板上。这样简单的一个接口就可以实现程序在线调试和仿真，并能将程序下载到dsp芯片中。
用户接口
为了方便现场调试和实验验证，通过dsp的i/o口和计数器接口设计了与运动控制器或运动控制板卡连接的用户接口，由运动控制器发出指令脉冲、start、stop、reset等信号。指令脉冲包括pul、dir两路信号，pul给出一系列脉冲，脉冲数代表运动的距离，脉冲频率代表运行的速度，而dir信号通过高低电平给出运动的方向。图3为选用的运动控制器sc100:
图3 sc100运动控制器
该运动控制器可自由编程，具有丰富的指令集，可执行各种单向、循环、往返、延时等动作，并且速度、长度和加速度可任意设定，采用光电隔离，抗干扰能力强，且具有液晶显示器显示相应指令和数据，功能强大。本系统采用该控制器做为位置和速度给定输入，取得了很好的效果。
异步通讯接口（sci）
dsp56f8346具有两个sci串行通讯模块。上位机控制程序是利用codewarrior自带的pc master软件，采用vbscript编写完成，通过rs232与dsp进行通讯。pc master提供友好的界面，容易的实现了实时控制电机并显示所需的各个电参数或各个量的试验波形。
d/a转换电路
本设计的d/a转换电路由dsp的spi端口和一片美信公司的d/a转换芯片max5251构成，提供了10位，4通道的d/a转换。其构成的电路如图4所示:
图4 d/a电路原理图
核心供电电源
dsp对供电电源的稳定性有较高的要求，如果电源电压不稳定将会造成dsp运行不稳定使程序容易跑飞，更严重的会减短其使用寿命甚至损坏。dsp的i/o供电电源为数字3.3v，该电压由辅助电源产生的数字5v供电通过低输出压降稳压模块tps76833产生。而adc的模拟3.3v电源由一片tps7333产生。同时为了对dsp的供电电源进行在线监测，使用了一片电源管理芯片tps3823-33，当数字3.3v电压低于2.93v时，tps3823-33就会发出一个复位信号自动复位dsp，而且该芯片还带有手动复位功能。
功率主电路
功率主电路采用全桥不控整流，输出经滤波电容后做为三相桥式逆变器的母线电压，即ac-dc-ac结构。
逆变器电路
逆变器变频电路采用cyntec的智能功率模块im23400，该ipm可驱动2.2kw/ 220v的电机，典型的开关频率为15khz。内部集成的功能有:驱动电路，单一电源供电的自举电路，短路保护，控制电源欠压保护，错误信号逻辑输出电路。模块内部集成了驱动电路和保护电路，使得电路简洁、可靠，dsp发出的六路pwm信号经过高速光耦隔离送入ipm的驱动电路，而由另一个i/o口输出制动信号，控制能耗制动电路的开关管，即brake信号。在ipm的n脚与地之间连接过流检测电阻shunt，对ipm进行过流保护，其电路如图5所示:
图5 逆变器ipm外围图
其中fo（fault output）为错误保护信号，该信号经过光耦隔离输入给三状态线性驱动/接收器74hc244的使能端，实现系统的硬件保护。
电流检测电路
电流检测电路的功能是将电流霍尔传感器得到的信号进行滤波、幅值调整、电压偏置和限幅后送入dsp的ad转换接口。该电路采用国内生产的霍尔电流传感器csm025npt对电流进行检测，其采用霍尔效应闭环原理，线性度εl<0.1%，响应时间tr<500ns，频带宽度为dc～200khz，完全满足系统要求。霍尔电流传感器后级为ad调理电路，将电流变化范围反映为0～3.3v的电压范围，满足dsp的ad引脚的电压输入范围，形成了电流闭环。
位置和速度检测电路
伺服系统的目标是快速、精确地跟随位置或速度给定，于是必不可少得构成位置和速度闭环控制。编码器接口接收安装在电机非功率输出端部的增量式位置传感器信号a、b、z和霍尔元件信号halla、hallb、hallc，经过滤波后分别输入dsp的相位检测器和三个通用i/o口。根据3个霍尔元件的六种状态确定转子静止时所处的区间，经过一定的算法实现电机转子的初始定位，从而发出相应的电压矢量使电机起动起来。z信号提供基准位置点，当转子第一次经过z位置，对位置进行校正，开始真正的电机矢量控制。而由a、b信号的相位关系和频率得出电机转子的旋转方向和转速，dsp捕捉a、b脉冲序列的上升沿和下降沿，实现了编码器脉冲的四倍频，提高了定位精度，其波形如图6所示。计数器对其脉冲进行计数就得到电机转子的位置。
图6 编码器输出信号
保护电路
系统采样电机三相电流和母线电压，由于三相电流为互差120°的正弦量，其和为零，只需检测两相就可以得出另一相电流大小。采样值与设定值通过比较器进行比较，输出保护信号，并用不同颜色发光二极管表示不同的错误保护信号。欠压信号通过采样母线电压软件实现，过流保护信号和过压保护信号相或后输入给74hc244的使能端，当出现保护情况，mc74hc244的pwm输出全部禁止，同时该保护信号输入给dsp的fault引脚，通过配置相应寄存器，禁止dsp的pwm输出，做到硬件和软件双重保护。
辅助电源
整个系统需要多路不同电压等级的直流电源，如dsp控制电路和ad调理电路需要数字5v电源，sci通讯接口、编码器接口和用户接口需要另一路模拟5v电源，ipm逆变器需要+15v的驱动电源等，于是本系统采用了反激电路做了多路输出的辅助电源。
图7为设计的交流伺服硬件平台。
图7 交流伺服硬件平台
结语
本设计采用了dsp56f8346作为主控芯片，充分利用了其高速的运算能力和丰富的片上资源，配合了智能功率模块，不仅使得整个硬件平台更加简洁，而且可靠性大大提高。高性能dsp的应用也为各种先进算法的实现提供了基础。实验证明，该硬件电路工作正常，可靠性高。
