交流伺服系統由交流伺服電動機和控制器兩部分組成，永磁同步電機（pmsm）由于具有結構簡單、體積小、重量輕、功率密度高等優點，成為數控機床、工業機器人、航空航天等應用場合交流伺服電動機的首選，獲得了廣泛的應用。控制器作為伺服系統的控制核心，其性能直接影響到伺服電動機的運行狀態。隨著高速數字信號處理器（dsp）的應用，伺服系統正在向小型化、數字化、智能化方向發展。 　　 本文的目標就是設計一款全數字化的交流伺服系統控制平臺，利用dsp高速信號處理能力，實現永磁同步電機的矢量控制，并在此基礎上，試驗各種先進的控制策略，如最優控制、自適應控制等在交流伺服系統中的應用效果，進一步提高系統的控制性能。 pmsm數字控制硬件平臺 　　 典型的全數字化交流伺服系統通常由被控對象、伺服電機、功率模塊、控制器以及測量與檢測模塊等組成，各種控制策略和算法由以dsp為核心的控制系統實現。該系統平臺采用半閉環控制方式，其結構框圖如圖1 所示: [align=center] 圖1　半閉環結構伺服系統圖 圖2　伺服系統硬件結構圖[/align] 本硬件平臺設計結構圖如圖2所示，其分為控制電路和功率電路兩部分。 　　 控制核心需要具有高速的計算能力和豐富的功能模塊，現代的dsp很好的滿足了這些要求，實現了伺服系統的數字化。控制核心的外圍電路包括相位檢測電路、jtag仿真接口、用戶接口、串行異步通訊接口、核心供電電源、pwm模塊、數模和模數轉換電路等。而功率部分主要包括逆變器、電流檢測電路、位置和速度檢測電路、保護電路和輔助電源等。 dsp56f8346控制電路 　　 應用于控制系統的dsp是傳統dsp與mcu（微處理器）相結合的產物，它一方面具有傳統dsp的高速處理器內核，實現高速計算;另一方面它又集成了mcu的豐富外設資源，這使得dsp芯片成為現代伺服控制的主流控制芯片。 dsp56f8346的主要特點 [align=center]附表　兩種dsp性能對比 [/align] 附表對當前應用于伺服系統較多的ti 公司生產的tms320lf2407a與freescale dsp56f8346性能進行了對比。 　　 經比較，freescale dsp56f8346更適用實時性和控制精度要求高的交流伺服系統，體現了更高的性價比。 jtag仿真接口 　　 freescale dsp8346相對于其他公司的dsp產品的另一個優勢就是freescale的56800/e系列dsp很少需要甚至不需要外加功能模塊就可以進行開發，即不需要專門的仿真器。使用jtag，幾乎不需要硬件支持，與pc機相連只需要做5v到3.3v的電平轉換就可，當然最好通過光耦隔離，這樣可以隔離上位機并口和dsp兩者供電電源，保證了兩者的工作安全。于是這里專門為jtag接口做了光耦隔離的小電路板，同時把后文講到的d/a轉換電路做在該電路板上。這樣簡單的一個接口就可以實現程序在線調試和仿真，并能將程序下載到dsp芯片中。 用戶接口 　　 為了方便現場調試和實驗驗證，通過dsp的i/o口和計數器接口設計了與運動控制器或運動控制板卡連接的用戶接口，由運動控制器發出指令脈沖、start、stop、reset等信號。指令脈沖包括pul、dir兩路信號，pul給出一系列脈沖，脈沖數代表運動的距離，脈沖頻率代表運行的速度，而dir信號通過高低電平給出運動的方向。圖3為選用的運動控制器sc100: [align=center] 圖3　sc100運動控制器[/align] 該運動控制器可自由編程，具有豐富的指令集，可執行各種單向、循環、往返、延時等動作，并且速度、長度和加速度可任意設定，采用光電隔離，抗干擾能力強，且具有液晶顯示器顯示相應指令和數據，功能強大。本系統采用該控制器做為位置和速度給定輸入，取得了很好的效果。 異步通訊接口（sci） 　　 dsp56f8346具有兩個sci串行通訊模塊。上位機控制程序是利用codewarrior自帶的pc master軟件，采用vbscript編寫完成，通過rs232與dsp進行通訊。pc master提供友好的界面，容易的實現了實時控制電機并顯示所需的各個電參數或各個量的試驗波形。 d/a轉換電路 　　 本設計的d/a轉換電路由dsp的spi端口和一片美信公司的d/a轉換芯片max5251構成，提供了10位，4通道的d/a轉換。其構成的電路如圖4所示: [align=center] 圖4　d/a電路原理圖[/align] 核心供電電源 　　dsp對供電電源的穩定性有較高的要求，如果電源電壓不穩定將會造成dsp運行不穩定使程序容易跑飛，更嚴重的會減短其使用壽命甚至損壞。dsp的i/o供電電源為數字3.3v，該電壓由輔助電源產生的數字5v供電通過低輸出壓降穩壓模塊tps76833產生。而adc的模擬3.3v電源由一片tps7333產生。同時為了對dsp的供電電源進行在線監測，使用了一片電源管理芯片tps3823-33，當數字3.3v電壓低于2.93v時，tps3823-33就會發出一個復位信號自動復位dsp，而且該芯片還帶有手動復位功能。 功率主電路 　　 功率主電路采用全橋不控整流，輸出經濾波電容后做為三相橋式逆變器的母線電壓，即ac-dc-ac結構。 逆變器電路 　　 逆變器變頻電路采用cyntec的智能功率模塊im23400，該ipm可驅動2.2kw/ 220v的電機，典型的開關頻率為15khz。內部集成的功能有:驅動電路，單一電源供電的自舉電路，短路保護，控制電源欠壓保護，錯誤信號邏輯輸出電路。模塊內部集成了驅動電路和保護電路，使得電路簡潔、可靠，dsp發出的六路pwm信號經過高速光耦隔離送入ipm的驅動電路，而由另一個i/o口輸出制動信號，控制能耗制動電路的開關管，即brake信號。在ipm的n腳與地之間連接過流檢測電阻shunt，對ipm進行過流保護，其電路如圖5所示: [align=center] 圖5　逆變器ipm外圍圖[/align] 其中fo（fault output）為錯誤保護信號，該信號經過光耦隔離輸入給三狀態線性驅動/接收器74hc244的使能端，實現系統的硬件保護。 電流檢測電路 　　 電流檢測電路的功能是將電流霍爾傳感器得到的信號進行濾波、幅值調整、電壓偏置和限幅后送入dsp的ad轉換接口。該電路采用國內生產的霍爾電流傳感器csm025npt對電流進行檢測，其采用霍爾效應閉環原理，線性度εl<0.1%，響應時間tr<500ns，頻帶寬度為dc～200khz，完全滿足系統要求。霍爾電流傳感器后級為ad調理電路，將電流變化范圍反映為0～3.3v的電壓范圍，滿足dsp的ad引腳的電壓輸入范圍，形成了電流閉環。 位置和速度檢測電路 　　 伺服系統的目標是快速、精確地跟隨位置或速度給定，于是必不可少得構成位置和速度閉環控制。編碼器接口接收安裝在電機非功率輸出端部的增量式位置傳感器信號a、b、z和霍爾元件信號halla、hallb、hallc，經過濾波后分別輸入dsp的相位檢測器和三個通用i/o口。根據3個霍爾元件的六種狀態確定轉子靜止時所處的區間，經過一定的算法實現電機轉子的初始定位，從而發出相應的電壓矢量使電機起動起來。z信號提供基準位置點，當轉子第一次經過z位置，對位置進行校正，開始真正的電機矢量控制。而由a、b信號的相位關系和頻率得出電機轉子的旋轉方向和轉速，dsp捕捉a、b脈沖序列的上升沿和下降沿，實現了編碼器脈沖的四倍頻，提高了定位精度，其波形如圖6所示。計數器對其脈沖進行計數就得到電機轉子的位置。 [align=center] 圖6　編碼器輸出信號[/align] 保護電路 　　 系統采樣電機三相電流和母線電壓，由于三相電流為互差120°的正弦量，其和為零，只需檢測兩相就可以得出另一相電流大小。采樣值與設定值通過比較器進行比較，輸出保護信號，并用不同顏色發光二極管表示不同的錯誤保護信號。欠壓信號通過采樣母線電壓軟件實現，過流保護信號和過壓保護信號相或后輸入給74hc244的使能端，當出現保護情況，mc74hc244的pwm輸出全部禁止，同時該保護信號輸入給dsp的fault引腳，通過配置相應寄存器，禁止dsp的pwm輸出，做到硬件和軟件雙重保護。 輔助電源 　　 整個系統需要多路不同電壓等級的直流電源，如dsp控制電路和ad調理電路需要數字5v電源，sci通訊接口、編碼器接口和用戶接口需要另一路模擬5v電源，ipm逆變器需要+15v的驅動電源等，于是本系統采用了反激電路做了多路輸出的輔助電源。 圖7為設計的交流伺服硬件平臺。 [align=center] 圖7　交流伺服硬件平臺[/align] 結語 　　 本設計采用了dsp56f8346作為主控芯片，充分利用了其高速的運算能力和豐富的片上資源，配合了智能功率模塊，不僅使得整個硬件平臺更加簡潔，而且可靠性大大提高。高性能dsp的應用也為各種先進算法的實現提供了基礎。實驗證明，該硬件電路工作正常，可靠性高。