基于TMS320F2812的双通道高精度伺服系统

0 引　言

      以无刷直流电动机为核心的无刷直流伺服系统具有优越的调速特性以及寿命长、效率高、维护性好等优点,高精度、高可靠性、高智能化的无刷直流伺服系统是当前伺服系统的重要发展方向[ 1 - 2 ] 。随着微电子技术和控制理论的发展,伺服系统能够获得越来越高的工作精度、较宽的调速范围,促进了伺服系统在各个行业和领域应用,例如工业自动化控制。在工业自动化领域中,某些场合如高精度数控机床和一些液压设备需要两台或者多台电机同时工作来达到保证精度、提高性能的目的。一种液压设备要求两台伺服电机同时工作,并有较高的伺服精度要求,需要设计合适的伺服系统。本文介绍了以高性能数字信号处理器TMS320F2812 为控制核心的双通道高精度伺服控制系统,充分利用其丰富的片内资源,简化系统硬件设计,取得了较好的效果,满足了设备的要求。

1 方案设计
    系统要求实现较高的精度,这就需要降低伺服电机运行过程中的转矩波动,可以从电机结构和控制算法两个方面加以考虑:伺服系统采用无槽结构的无刷直流电动机（BLDCM）作为伺服电机,换相控制方式为电压空间矢量（ SVPWM）正弦波驱动技术。无刷直流电动机采用正弦波驱动方式,三相绕组通入对称三相交流电,电枢磁场为圆形旋转磁场,方向连续变化, 实现较低的转矩纹波、平滑运转和较低的工作噪声,文献[ 3 ]证明了SVPWM驱动技术对于降低电机的转矩波动有较好的效果;无槽结构的无刷直流电动机消除了齿槽效应, 具有转矩波动小、运行平稳、噪声低、电枢电感小、定位干扰力矩小等特点,采用正弦波绕组后,从结构上配合正弦波驱动技术使得系统高精度控制的实现更为容易。采用正弦波驱动方式,要求电机安装有高分辨率的位置传感器以提供精确的转子位置信息。旋转变压器用来作为转子位置检测传感器,能够实现高精度检测,满足正弦波驱动的位置精度要求。
      普通的电机控制用微控制器只有一个电机控制单元,如果同时控制两台三相电机,需要外部扩展一定数量的器件和接口,大大提高了成本,降低了可靠性。TMS320F2812是新一代电机控制专用数字信号处理器,集成度高,运算速度快,带有两个事件管理器,能够实现同时对两台三相电机的调速控制,因此选择TSM320F2812作为核心控制器。伺服系统方案原理框图如图1所示

无刷直流电动机是系统的伺服驱动单元;采用PC机作为上位机平台,通过RS - 485总线实现对伺服系统的实时监控。系统两个通道的技术指标及控制对象相同,因此各个通道采取了相同的硬件结构,以利于降低系统成本,缩短开发周期。 
      TMS320F2812作为整个控制器的核心,根据控制算法产生PWM调制信号,与保护电路产生的信号综合后,经过驱动电路放大控制逆变电路,实现对伺服电动机的控制。信号发生器产生稳定的正弦波信号作为旋转变压器的激励信号及角度变换（Resolver - to - Digital Converter, RDC）电路的参考信号。旋转变压器与电机转子同轴连接,实现角度位置检测及反馈、速度计算及反馈功能。

2 系统硬件设计
      两个通道采用相同的硬件电路,因此下面所讨论的硬件电路都在两个通道中得到应用。

2. 1 功率电路设计

图2 功率电路
      功率电路包括驱动电路和逆变电路两个部分。图2是单个通道的功率电路原理图,三相逆变电路由6只功率MOSFET构成。系统采用了集成驱动芯片IR2133实现对功率MOSFET的驱动控制,具有欠电压保护和过电流保护功能。IR2133的供电采用了自举方式,用单电源经过3个二极管给逆变器的3个上桥臂驱动电路供电, 3个下桥臂则共用一个电源。PWM输入信号经过IR2133放大后驱动MOS2FET工作,产生控制BLDCM 的三相电压。IR2133内部集成的运算放大器采集母线电流信号,实现电流闭环控制。ITR IP引脚外接采样电阻,实现过电流保护。当发生电源欠电压或过电流故时,FAULT引脚输出为低电平,送至TMS320F2812的故障保护引脚,关闭PWM输出,实现报警保护功能。图中R6、R7 构成分压电路,检测直流母线的供电电压,防止系统工作在异常供电条件下,并根据检测到的电压执行电压补偿算法,提高系统的抗干扰能力。

2. 2 RDC电路设计

      本系统采用旋转变压器作为位置检测元件。旋转变压器输出的正/余弦信号经过RDC电路后变成数字信号,通过数据总线送入TMS320F2812,构成转子位置检测反馈通道。位置反馈、转子位置确定、速度测量都取决于该通道,其精度是系统实现转速稳定及位置精度的关键因素之一,所以该反馈电路是系统的关键通道。为了保证该通道的精度,系统采用了AD2S83集成电路实现RDC变换功能,具有抗干扰能力强,线性度好,精度高等优点,电路如图3所示。

 图3 RDC角度转换电路
      图3中,旋转变压器的输出信号送入AD2S83,DATA [ 0～16 ]为AD2S83 的数字输出; SC1 和SC2选择AD2S83输出精度,根据电机最高转速进行选择。在设计过程中,充分利用了TMS320F2812资源丰富、引脚多的特点,由其对精度选择位进行控制,扩展了使用对象; 本系统伺服电机的最高转速为1 500 r/min,AD2S83最终选择14 位精度。参考信号的频率为18 kHz,图中各个元件取值的详细计算过程见文献[ 6 ]。

3 控制策略及实现
      本系统为实时性强的数字化高精度伺服系统。在系统设计中,充分利用了数字控制技术,简化硬件电路设计,提高系统可靠性,充分发挥软件强大功能,用软件产生部分传统上由硬件电路实现的功能。控制器软件主要由两个部分构成,一是主循环程序,二是PWM定时器下溢中断服务子程序。主程序和中断服务子程序相互配合,完成伺服电机的实时控制。主循环程序负责硬件外设的初始化、数据初始化和电机工作状态转换,并在发生故障时产生报警信息。由于采用的是单芯片控制两台伺服电机的方法,因此实现两台伺服电机的协同控制,完成状态机的切换是主程序最重要的任务。按照设备的工作要求,两台伺服电机分为左右电机,其工作状态有5个:左电机单独工作、右电机单独工作、左右电机同步工作、左右电机差动工作和左右电机锁定保持,其中左/右电机单独工作时,另外一台电机处于锁定状态,防止误动作。根据上位机发送的控制指令,主程序确定工作状态,为中断服务子程序的控制实现做准备。PWM定时器下溢中断服务子程序是核心部分,实现旋转变压器信号读取、电流检测、电压检测、转速计算和系统闭环控制等功能。TMS320F2812 集成有两个事件管理器,每个事件管理器可以单独控制一台伺服电机。由于硬件电路采用了相同的设计,伺服电机完全相同,最后的技术指标也一致,因此对两台伺服电机的控制采取相同的控制算法,分别由各个事件管理器的中断服务子程序调用执行。根据SVPWM算法原理,在TMS320F2812中存储了一个正弦表格,表格的长度依据旋转变压器的分辨率和系统要求的控制精度进行设置。由于采用了高精度的旋转变压器实现位置检测,根据测得的无刷直流电动机反电势信号将一个电周期划分为六个扇区,由读取的旋转变压器信号确定相应的扇区号。图4是PWM定时器中断服务子程序的流程图。

 在PWM中断服务子程序中,实时读取RDC电路的输出信号,作为SVPWM控制算法的角度依据; RDC电路的输出信号与电机转子位置信息相对应,可计算出伺服系统的转速和位置信号,并根据A /D采样获得的电流信号,计算实时误差,实现系统闭环控制,产生新的PWM占空比,通过调节占空比,控制作为伺服驱动单元的无刷直流电动机的转速,达到实现伺服系统高精度控制的目的。

4 实验结果与结论

      伺服系统采用的两台无刷直流电动机实验样机主要参数为:额定功率80W,额定电压28 V,最高转速1 500 r/min,极对数p = 2,相电阻R = 0. 42Ω,相电感L = 2. 1 mH。系统工作时的PWM斩波频率为25 kHz, SVPWM采用双极性调制技术。

图5a是左右通道经过RC滤波后的一相电压波形,图5b是单台伺服电机工作时的相电流波形,图5c是伺服系统的起动加速曲线。采用软起动方式初始加速时间稍长,但对伺服系统具有一定的保护功能;并且系统采用了软起动技术,使得在加速阶段转速超调几乎为零,保证了系统的精度。系统运行在最高转速时,在10 min内测量到的最大角度误差为1. 87°,而最大转速偏差为±1. 0%。由于采用了高精度的旋转变压器作为检测元件,伺服系统的最低转速低至0. 1r /min,满足了低速场合的要求。实验结果表明,利用TMS320F2812同时控制两台伺服电机,利用合理的控制算法和高精度传感器,能够获得较高的控制精度,满足设计目标的要求。