基于DSP的數(shù)字伺服機構控制系統(tǒng)設計

伺服系統(tǒng)是控制系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。電機作為伺服系統(tǒng)中關鍵部件，對電機的控制精度和準確度要求越來越高。無刷電機因其壽命長、可靠性好、運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優(yōu)點，在伺服系統(tǒng)中應用越來越廣泛。使用數(shù)字信號處理器(DSP)實現(xiàn)無刷直流電機的伺服系統(tǒng)可以只用一片DSP實現(xiàn)比較復雜的算法，控制精度高，可對伺服系統(tǒng)進行更有效的控制。文中以TMS320F2812為控制核心實現(xiàn)對直流無刷電機伺服系統(tǒng)的控制，并給出了試驗結果。

1 控制器原理及設計方案

1．1 控制器原理及硬件設計

控制器分為3個單元：中央處理單元即DSP用于接受控制指令，計算并校正控制信號；電機驅動單元驅動電機工作；執(zhí)行機構執(zhí)行主控指令并反饋伺服機構狀態(tài)給中央處理單元以校正伺服機構狀態(tài)。工作原理如圖1所示。



1．2 電源電路

由于DSP和外圍芯片工作電壓為5 V和3．3 V。電位器輸入電壓為+12 V和-12 V。因此使用DC／DC電壓轉換器將+27 V輸入電壓轉換成+12 V和-12 V 工作電壓，用CW78L05將+12 V電壓轉換成5 V工作電壓。同理用FW431將5 V電壓轉換成4 V的基準電壓和3．3 V芯片工作電壓。

1．3 中央處理單元

由TMS320F2812作為中央處理芯片由RS422接口和SCI通信接口接收主控指令信號并轉換成控制指令信號。由SPI總線接口接收執(zhí)行機構反饋回來的執(zhí)行機構的位置信號與控制信號一起通過控制算法轉換成PWM輸出。

DSP的外圍電路通常由時鐘電路、JTAG接口電路組成。時鐘電路使用20 MHz晶振，5倍頻后DSP工作在100 MHz的頻率。每個電源入口用0．1μF的電容濾波及隔離。
伺服控制電路與主控之間的通信采用RS422異步全雙工傳輸方式，采用MAX3160通信芯片實現(xiàn)。

1．4 反饋電路

反饋部分采用在執(zhí)行機構安裝同步電位計，通過電位計反饋電壓信號，經(jīng)過信號調理后，經(jīng)由A／D轉換器將數(shù)字信號反饋給DSP。
反饋信號信號淵理電路選用LM148，并存輸入信號端加入由10 kΩ電阻和0．1μF電容組成的RC低通濾波電路。由于DSP中A／D轉換的位數(shù)不足，因此選用TLC2574將放大后的反饋模擬信號轉換成數(shù)字信號，并通過SDI和SDO端口與DSP傳遞數(shù)字信號。

1．5 驅動電路

DSP輸出的PNM和DIR信號為3．3 V，為避免驅動能力不足，DSP的輸出信號經(jīng)SN74ALVC164245由3．3 V上拉至5 V，輸山電流為24 mA。

光耦隔離電路用于將功率驅動電路的信號與DSP控制信號進行隔離，避免功率電源對數(shù)字控制電路造成干擾。光耦選用HCPL2231，該芯片由兩路獨立光耦組成，當輸入為低時，二極管導通，輸出為高。輸出信號+15 V上拉。

由于驅動板中運放LM193和FN3140，以及邏輯門電路4069、4070、4073、4081的工作電壓為+15 V，因此需要將系統(tǒng)工作電壓+27 V經(jīng)由電源模塊轉換成驅動板中芯片工作電壓+15 V。邏輯門電路根據(jù)電機霍爾位置信號HA、HB、HC和電機方向信號DIR產(chǎn)生控制6個MOS管開關的控制信號。并且將PWM信號合成到功率開關管的導通相序中。
驅動部分前級驅動電路采用IR2103，以提高邏輯電路輸出信號的驅動能力，用來開啟和關閉后級的大功率晶體管。芯片輸出采用自舉方式。功率電路采用6個IRFP250功率管組成全橋式電路。最大供電電壓90 V，最大持續(xù)工作電流33A。