关键字: 电动机;伺服系统;DSP;功率模块
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
随着科学技术的发展，人类在微电子、计算机、电力电子技术和电机制造等诸多领域取得了巨大进步，并直接推动了伺服控制技术的飞速发展和广泛应用。诸如在各种数控设备、工业机器人、大规模集成电路制造、交通运输、载人宇宙飞船、电动工具以及家用电器等领域的应用都日益广泛。本文提出了一种基于DSP和功率模块的电机伺服控制系统设计方案。
2 电机伺服控制系统概述
从功能上划分，控制系统硬件部分由控制板和驱动板两大部分组成。其中，控制板担负控制运算，变量采集、界面显示及数据通信等任务。图1为控制系统结构框图。
图1 伺服控制系统硬件实现框图
使用TI公司的电机控制专用DSP：TMS320LF2407A作为控制板上的主控单元;其外围电路还包括检测三相交流电流的ADC模块、检测电机的转子位置的旋转变压器位置检测模块、面板液晶控制系统及串口通信电路;而驱动板的作用是将控制板输出的弱电控制信号转变为具有一定驱动能力的强电信号并输出到电机。主要由三相逆变桥及其驱动和保护电流组成。采用集成三相桥臂及驱动保护电路的智能电源模块（IPM），使驱动板外围电路的设计实现了最简化，并提供了可靠性。
3 控制系统硬件设计
控制系统硬件部分主要控制板和驱动板由两大部分组成。以TMS320LF2407A为运算核心，由DSP最小系统，连同数字/模拟量转换模块（ADC）、旋转变压器位置转换器（RDC）、液晶控制系统及RS232收发器部分构成了控制板部分，控制板是整个控制系统核心。
3.1 DSP最小系统
DSP最小系统是指能使DSP内核正常运行、以及能对DSP进行调试的最简硬件设计，包括DSP芯片本体、电源设计、复位电路设计、JTAG接口设计、调试用外扩RAM设计等。本控制系统中的DSP最小系统均按照TI官方推荐的电路进行设计，如图2所示。
图2 DSP最小系统设计
如图，电源管理芯片选用TI的TPS7333Q，它不仅能够提供+3.3V，500mA的电源供给DSP及其它低电压外设使用，其第8脚（/RS）还能在上电的同时输出一个宽度为200mS的低脉冲的上电复位信号对DSP进行上电复位。
3.2 转子位置检测模块设计
电机高精度伺服控制系统需要有高精度的转子磁极位置检测信号以满足伺服系统高精度的控制需要。这也就要求系统配有高性能的转子磁极位置检测元件。目前，常用的检测元件主要有光电编码器和旋转变压器。其中，光电编码器精度虽高，但初始位置无法确定，而且价格昂贵、可靠性较低、对机械安装要求较高，故应用较少。而旋转变压器则不然，它的初始位置是确定的，并且结构坚固简单、成本低、检测精度较高，加上其与转换芯片之间传递的信号为低频正弦信号，信号传输不易受噪声的影响，抗干扰能力强。因而在高性能交流伺服系统中得到越来越多的运用。
本文中的电机伺服控制系统也采用了一台变磁阻式旋转变压器来检测电机转子位置,为配合12对极的永磁同步电机，选用的旋转变压器也为12对极。旋转变压器转子与永磁同步电机转子同轴并随电机转子旋转，定子则压紧在电机机壳上固定不动，这时，旋转变压器的转子位置即实时反映了电机的转子位置。再使用一片Analog Device公司的旋转变压器信号转换芯片AD2S83，将旋转变压器输出的两路正弦模拟信号同其励磁信号一起转换得到旋转变压器转子，及电机的转子实际位置值。另外，通过特定间隔时间内采集的两个转子位置值，即可求取电机的转速。
3.3 模拟量采集、前向通道及数模转换（ADC）电路设计
电机伺服控制系统需要对电机的三相相电流和直流侧电压瞬时值进行实时采集。在电气特性上，电机的电压电流瞬时值为强电量，不能直接输入到控制板中而必须经过强弱电隔离并实现对应的转换。在本文的伺服控制系统设计中，通过采用多个电压电流霍尔传感器，实现了强弱电的分离;并通过模拟量前向通道输入到数模转换器（ADC）中实现对模拟量实际值的采集。图3为电流霍尔传感器电路设计。
图3 电流霍尔传感器电路
图中，霍尔传感器U17的第2脚和第6脚相连，第3脚和第5脚相连，检测电流从第1脚流入，从第4脚流出。采用这种配置时，初级侧检测电流输入有效值最大为8A，对应的次级侧转换电流输出有效值最大为12mA。第7脚和第8脚为霍尔传感器的电源脚，它与模拟量是不共地的一套单独的电源。第11脚和第9脚之间接负载电阻，阻值为68Ω，其作用是输出平衡并将输出的电流信号转换为易于检测的电压信号。另外，考虑到得到的电压值很低，测量时误差较大，故在霍尔传感器附加设计了一组使用运放TL084构成的同向放大器。
3.4 带IPM的逆变桥及隔离设计
对交流电机的控制系统而言，逆变桥部分是必不可少的。图4为由六支IGBT管组成的三相逆变桥原理图。为简化设计和增大系统的可靠性，在本文的伺服控制系统中逆变桥部分采用了一块三菱电机的IPM，其型号为PM50CSD060，其典型参数为：VCES=600V，IC=50A，Tdead=2.5μs。
图4 三相逆变桥原理图
IPM内含有三相逆变器所需的IGBT及反并联二极管，并且三相已连接好，只要把P、N引出端接到直流侧电容两端，把U、V、W端子连接至电机的三相输入端即可。对于PM50CSD060，除有6个PWM信号输入外，还有4个故障保护信号输出，即三个上桥臂故障和一个下桥臂总故障。
IPM的驱动需要四个相互隔离的电源，上桥臂的三个IGBT需要三个独立不共地的电源，下桥臂的三个IGBT是共发射极的，只需共用一个电源驱动，故本系统的隔离驱动电源选用了4只5V-15V，最大输出100mA的DC-DC变换器。对于使用IPM的驱动板设计而言，对PWM驱动部分和IGBT保护电路的设计得到了极大的简化。
3.5 其他部分设计
由于控制系统需要通过RS232串口同上位机进行通信，同时接受来自控制系统面板输入的命令。为编写和调试程序的方便，在控制系统中还单独使用了一块微控制系统W78E58P，用以实现液晶显示、键盘输入及协调DSP同上位机之间的通信。在电路连接上，DSP、W78E58P和RS232收发器三者间使用一个双刀双掷继电器，其开和状态与控制系统是否外接串口通信线有关。具体而言，当使用RS232串口通信线连接控制系统与PC机时，继电器连接DSP和RS232收发器，实现控制系统同PC机之间的通信，并通过专用的上位机控制程序向控制系统发送命令;而当通信线从控制系统拔掉后，继电器断开RS232收发器并连接DSP和W78E58P，使两者之间的串口通过TTL电平直接连接。这时，DSP主控制系统同W78E58P通信并通过面板键盘接收命令。
以DSP为控制系统核心，采用IPM实现逆变桥主回路设计，实现了高精度、高性能、可靠性好的电机伺服控制系统硬件设计。
4 控制系统软件设计
利用TMS320LF2407A强大的运算能力、高效的指令系统，可以方便地设计控制系统的软件。从功能作用上划分，电机伺服控制系统的软件部分主要包括：与上位机的通信程序、模拟量定时采集程序、核心控制算法程序以及PWM生成程序等4个主要部分。其软件结构框图如图5所示。考虑到整体繁重的计算量，为实现电机控制的实时性和高效性，本文的电机伺服控制系统软件部分全部采用了基于TMS320LF2407A的汇编语言体系。
图5 控制系统软件框图
上图清晰地反映了整个控制系统的软件架构。首先，伺服控制系统不断地扫描来自上位PC机或控制系统前面板的命令，通过对命令的判断进行相应的操作。命令大体上分为两类：一类是对电机参数的读写操作，即将特定的电机参数写入到EEPROM中供控制程序计算时调用，或将电机参数由EEPROM读出并显示于屏幕上;第二类即控制电机命令，包括位置控制模式、速度控制模式、转矩控制模式以及锁定电机、启动电机和停止运行等命令。当控制系统接收到控制电机命令后，算出控制电机的三相瞬时电压值并通过输出PWM的方式产生实际的三相电压控制电机。另外，所有计算中需要的电流、电压及当前电机转速值均通过定时采集程序并计算得到。
本文作者创新点: 选用数字信号处理器TMS320LF2407A和智能功率模块（IPM）设计伺服控制系统硬件系统，完成硬件调试;并在此硬件平台上使用C2000系列的汇编语言完成伺服控制系统的软件编写和调试，完成控制系统的总体设计。
参考文献:
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