摘要：基于tms3201恐812設(shè)計的全數(shù)字舵機用伺服系統(tǒng)采用電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)、位置最外環(huán)的叁閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。設(shè)計了帶有電壓泵升電路的主功率電路以及功率管驅(qū)動電路，軟件采用c 語言模塊化編程。對速度計算的改進(jìn)提高了速度的計算精度和抗干擾能力。試驗結(jié)果表明，分 析正確，設(shè)計合理。
關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng);全數(shù)字;無刷直流電動機;舵機;實驗
0引 言
近年來，隨著稀土永磁材料和電力電子技術(shù)的發(fā)展以及微處理器dsp性能的提高，永磁無刷直流電動機以其控制簡單、輸出轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)響應(yīng)好、慣量小、可靠性高等優(yōu)點而得到越來越廣泛的研究和應(yīng)用，尤其作為中小功率高性能調(diào)速電機和伺服電機，在航空航天、軍事、家電及 工業(yè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景和研究價值。
模擬伺服系統(tǒng)存在很多缺陷，如控制線路體積大，限制了先進(jìn)控制方法的運用，電路參數(shù)受環(huán)境影響大，可靠性差等，隨著dsp性能的提高，全數(shù)字控制得以引入伺服控制器中。
1伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計
為了實現(xiàn)精確的定位，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定、快速，伺服系統(tǒng)采用叁環(huán)控制，框圖如圖l所示。電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，速度環(huán)作為外環(huán)，位置環(huán)作為最外環(huán)。位置給定與位置反饋形成偏差，經(jīng)位置調(diào)節(jié)后產(chǎn)生速度參考量，它與速度反饋量的偏差經(jīng)速度調(diào)節(jié)后形成電流給定量，再與電流反饋的偏差經(jīng)電流調(diào)節(jié)輸出pwm波形，控制逆變器開關(guān)管的開通與關(guān)斷，從而控制無刷直流電動機，實現(xiàn)位置伺服控制。
單斬上管調(diào)制方式可以減少開關(guān)管的損耗，避免功率電路與輸入電源能量的循環(huán)，使系統(tǒng)有更高的效率”。伺服系統(tǒng)采用120。導(dǎo)通區(qū)間，上管調(diào)制，下管常通。本系統(tǒng)叁個閉環(huán)調(diào)節(jié)器都采用pid控制。電流環(huán)控制的對象為兩個慣性環(huán)節(jié)的串連，按照調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法，將電流環(huán)校正 成典i型系統(tǒng)，要實現(xiàn)快速的電流跟蹤，電流調(diào)節(jié)器選擇pi調(diào)節(jié)。電流環(huán)作為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，經(jīng)調(diào)節(jié)后可以看作一個慣性環(huán)節(jié)，故速度環(huán)的控制對象是一個慣性環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)的串連。按照調(diào)節(jié)器工程設(shè)計方法，將速度環(huán)校正成典型ⅱ型系統(tǒng)。速度調(diào)節(jié)器選擇pi調(diào)節(jié)。
一般情況下，伺服系統(tǒng)不希望出現(xiàn)位置響應(yīng)超調(diào)，以免響應(yīng)精度下降，故將位置環(huán)校正成典型i型系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器為p調(diào)節(jié)。 1.1硬件設(shè)計 伺服系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由控制電路、功率放大電路，位置檢測電路、采樣電路及保護(hù)電路等部分組成。
(1)主功率電路及驅(qū)動電路設(shè)計
為提高定子繞組的利用率，減小轉(zhuǎn)矩脈動以及降低電路成本，逆變器一般采用叁相全橋驅(qū)動結(jié)構(gòu)，如圖3所示。伺服電機要求能四象限運行。當(dāng)制動時能量回流到直流側(cè)，對燃料電池來說是不允許的，故直流側(cè)須串二極管dc，保證電流單向流動。回饋的能量給電容cdc充電，過多的能量經(jīng)電壓泵升電路釋放。泵升電路采用滯環(huán)控制。當(dāng)cdc電壓超過滯環(huán)上限值，開通功率管q。，經(jīng)電阻ro釋放能量;當(dāng)cdc電壓低于滯環(huán)下限值，則關(guān)斷功率管qo。
圖4給出設(shè)計采用的功率驅(qū)動電路。驅(qū)動芯片采用帶光耦隔離的專用驅(qū)動芯片[r3120。為保證功率管可靠關(guān)斷，采用穩(wěn)壓管in4733，使其獲得一5 v左右的關(guān)斷電壓。
(2)控制電路設(shè)計
控制器采用tms320]?2812作為控制芯片�？刂破魑恢媒o定和反饋通過ad采樣檢測直線電位器電壓得到。采用電流互感器檢測兩相電流，因叁相星型連接易得第叁相電流。電流檢測經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后保證其在采樣電路所要求的03 v量程內(nèi)，然后送至dsp2812的3個_a/d采樣口。3個位置間隔120°分布的霍爾位置傳感器hl、h2和h3經(jīng)整形隔離電路后分別與dsp的3個捕捉引腳相連，通過產(chǎn)生捕捉中斷來給出換向時刻，查表得到換向控制字并提供速度計算信號。換向控制字與導(dǎo)通邏輯的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。為了保證伺服系統(tǒng)安全運行，本系統(tǒng)設(shè)計了硬件過壓、欠壓保護(hù)和過流保護(hù)
1.2軟件設(shè)計
(1)閉環(huán)數(shù)字實現(xiàn)
伺服系統(tǒng)采用c語言編程。軟件由主程序、定時中斷程序和捕捉中斷叁部分組成。中斷子程序如圖5和6所示。主程序進(jìn)行系統(tǒng)初始化，使能 t2周期中斷并使能內(nèi)部中斷inl3，等待中斷發(fā)生，定時中斷周期為25μs。位置調(diào)節(jié)周期為 10 ms。為了提高速度響應(yīng)，避免起動、停轉(zhuǎn)和大幅加減速時調(diào)節(jié)器飽和，在普通pi調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)上改進(jìn)為b—g—bang控制。其閥值定為200 r/min，速度調(diào)節(jié)周期為2.5 ms。速度反饋從霍爾傳感器的位置信號得到。電流調(diào)節(jié)每次定時中斷進(jìn)行一次。電流檢測采用t1p下溢起動ad采樣，檢測叁相電流，檢測到的電流進(jìn)行調(diào)零處理后作為電流反饋. 通用定時器gpl設(shè)置成連續(xù)增計數(shù)模式，波形發(fā)生器產(chǎn)生非對稱pwm波。
1.3速度計算
文獻(xiàn)[3]采用兩次換向間隔作為固定的角度來計算速度。由于實際的霍爾傳感器爪盤很難做到完全對稱，所以計算得到的速度誤差也較大。如果利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的間隔來計算速度，則可以很好地消除這種誤差。對高速電機而言這種速度計算精度完全滿足要求。另轉(zhuǎn)子換向時如果有擾動則有可能使得電機有瞬間的抖動，速度計算出錯。故在計算速度時加入抗擾動處理：存儲上次位置信號，每次cap中斷，讀到的位置信號與前一次比較，判斷是否換向正確，否則不予計算速度。這種方法能很好排除速度計算干擾。
2試驗結(jié)果
基于以上原理分析，設(shè)計制作了伺服控制器原理樣機。電機額定電壓udc=56 v，額定功率 850 w，2對極;功率管選擇ixf、r200niop并進(jìn)行了原理試驗。圖7為輕載時霍爾信號與電流波形。通道1是霍爾位置信號halll，通道2為a 相電流信號�；魻栃盘栞敵鰹榉催壿嫞合陆笛亻_通功率管，上升沿關(guān)斷功率管。圖8為a相和b 相電流波形。圖9為起動時的速度波形。通道1為速度給定，通道2為速度。速度給定為3 000 r/ min速度反饋能很好地跟蹤。
試驗結(jié)果初步驗證了文中的原理分析�？刂破餍阅艿膬�(yōu)化還需做進(jìn)一步工作。
3結(jié)論
本文進(jìn)行了dsp全數(shù)字伺服控制器的設(shè)計，并制作樣機。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制性能較好。速度計算時巧妙地加入位置捕捉判斷，解決了速度計算干擾問題。
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