基于DSP的數字伺服機構控制系統設計

伺服系統是控制系統中不可或缺的組成部分。電機作為伺服系統中關鍵部件，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點，在伺服系統中應用越來越廣泛。使用數字信號處理器(DSP)實現無刷直流電機的伺服系統可以只用一片DSP實現比較復雜的算法，控制精度高，可對伺服系統進行更有效的控制。文中以TMS320F2812為控制核心實現對直流無刷電機伺服系統的控制，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；執行機構執行主控指令并反饋伺服機構狀態給中央處理單元以校正伺服機構狀態。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總線接口接收執行機構反饋回來的執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。

1．4 反饋電路

反饋部分采用在執行機構安裝同步電位計，通過電位計反饋電壓信號，經過信號調理后，經由A／D轉換器將數字信號反饋給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轉換的位數不足，因此選用TLC2574將放大后的反饋模擬信號轉換成數字信號，并通過SDI和SDO端口與DSP傳遞數字信號。

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，因此需要將系統工作電壓+27 V經由電源模塊轉換成驅動板中芯片工作電壓+15 V。邏輯門電路根據電機霍爾位置信號HA、HB、HC和電機方向信號DIR產生控制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，最大持續工作電流33A。