基于TMS320F2812的雙通道高精度伺服系統(tǒng)

0 引　言

以無刷直流電動機為核心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、維護性好等優(yōu)點,高精度、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精度、較寬的調(diào)速范圍,促進了伺服系統(tǒng)在各個行業(yè)和領(lǐng)域應(yīng)用,例如工業(yè)自動化控制。在工業(yè)自動化領(lǐng)域中,某些場合如高精度數(shù)控機床和一些液壓設(shè)備需要兩臺或者多臺電機同時工作來達到保證精度、提高性能的目的。一種液壓設(shè)備要求兩臺伺服電機同時工作,并有較高的伺服精度要求,需要設(shè)計合適的伺服系統(tǒng)。本文介紹了以高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812 為控制核心的雙通道高精度伺服控制系統(tǒng),充分利用其豐富的片內(nèi)資源,簡化系統(tǒng)硬件設(shè)計,取得了較好的效果,滿足了設(shè)備的要求。

1 方案設(shè)計
系統(tǒng)要求實現(xiàn)較高的精度,這就需要降低伺服電機運行過程中的轉(zhuǎn)矩波動,可以從電機結(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（BLDCM）作為伺服電機,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, 實現(xiàn)較低的轉(zhuǎn)矩紋波、平滑運轉(zhuǎn)和較低的工作噪聲,文獻[ 3 ]證明了SVPWM驅(qū)動技術(shù)對于降低電機的轉(zhuǎn)矩波動有較好的效果;無槽結(jié)構(gòu)的無刷直流電動機消除了齒槽效應(yīng), 具有轉(zhuǎn)矩波動小、運行平穩(wěn)、噪聲低、電樞電感小、定位干擾力矩小等特點,采用正弦波繞組后,從結(jié)構(gòu)上配合正弦波驅(qū)動技術(shù)使得系統(tǒng)高精度控制的實現(xiàn)更為容易。采用正弦波驅(qū)動方式,要求電機安裝有高分辨率的位置傳感器以提供精確的轉(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)高精度檢測,滿足正弦波驅(qū)動的位置精度要求。
普通的電機控制用微控制器只有一個電機控制單元,如果同時控制兩臺三相電機,需要外部擴展一定數(shù)量的器件和接口,大大提高了成本,降低了可靠性。TMS320F2812是新一代電機控制專用數(shù)字信號處理器,集成度高,運算速度快,帶有兩個事件管理器,能夠?qū)崿F(xiàn)同時對兩臺三相電機的調(diào)速控制,因此選擇TSM320F2812作為核心控制器。伺服系統(tǒng)方案原理框圖如圖1所示

無刷直流電動機是系統(tǒng)的伺服驅(qū)動單元;采用PC機作為上位機平臺,通過RS - 485總線實現(xiàn)對伺服系統(tǒng)的實時監(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作為整個控制器的核心,根據(jù)控制算法產(chǎn)生PWM調(diào)制信號,與保護電路產(chǎn)生的信號綜合后,經(jīng)過驅(qū)動電路放大控制逆變電路,實現(xiàn)對伺服電動機的控制。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)變壓器與電機轉(zhuǎn)子同軸連接,實現(xiàn)角度位置檢測及反饋、速度計算及反饋功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
兩個通道采用相同的硬件電路,因此下面所討論的硬件電路都在兩個通道中得到應(yīng)用。

2. 1 功率電路設(shè)計

圖2 功率電路