在現代運動控制進程中，實時測控系統對高速數字信號處理提出了更高的要求，為了滿足世界范圍內運動控制系統的需要，TI公司推出了一種面向高性能、高精度工業控制領域的32位定點DSP控制器TMS320F2810，在x240基礎上性能提高了10倍，用軟件實現數據處理，功能更強大，算法更靈活，多達128k字的FLASH E2PROM、2k字的ROM，能夠滿足大計算量、運算速度高的要求[1];CPLD是一種復雜可編程邏輯器件，采用計算機輔助設計技術把設計生成的數據文件配置進芯片內部的靜態數據存儲器（SRAM）來完成，具有可重復編程性，可以靈活配置硬件邏輯電路，降低了PCB板的空間和復雜度。將DSP＋CPLD結合并應用與伺服電機控制中，加以改進的控制算法和硬件結構，使整個電機控制系統達到了快速性和穩定性的要求。 系統結構 整個控制系統的被控對象為三相120°四級永磁同步電機，編碼器為混合式光電編碼器，采用差分傳遞以提高抗干擾能力。處理器采用為數字控制系統專用的TMS320F2810芯片，它是整個控制系統的核心，主要負責控制策略和控制算法的實現，并與人機界面進行通信，實現系統的數據處理，對伺服系統進行保護和報警顯示等功能，人機界面的核心處理芯片為周立功單片機的7289顯示芯片，主要負責向DSP發送轉速給定、控制參數給定、啟動/停止信息等，并實時顯示驅動系統的數據變化。另外，在硬件控制板塊中采用了ALTERA的CPLD-EPM7128,是為某種專門邏輯功能和時序功能而設計的集成芯片，將外部光電編碼器信號等邏輯輸入、輸出引用端等PCB設計完成的大部分工作集成放在芯片設計中進行。這樣不僅可以通過芯片設計實現各種邏輯功能，而且由于端子定義的靈活性，大大減輕了電路設計和電路設計的工作量和難度，從而有效地增強了設計的靈活性，提高了工作效率，便于系統的二次開發[2]。系統的總體框圖如圖1所示: CPLD的設計 永磁伺服電機穩定運行時，其同步轉速以及轉子位置可以通過與轉子同步的光電編碼器所產生的脈沖信號來反映，因光電編碼器產生的脈沖信號含有諧波成份，毛刺較多，為防止DSP讀到誤碼，將轉速、位置脈沖信號送到CPLD邏輯判斷濾除干擾信號，同時起到保護DSP的作用[4]。由于篇幅有限，舉例轉速脈沖信號U+、U-的軟件處理，其VHDL語言描述如下: process（U+, U-，U，ERR） begin if（U+＝‘0‘and U-＝‘1‘） then　U<= U+, ERR=0; elsif（U+＝‘0‘and U-＝‘0‘） then　U<= Z, ERR=1; elsif（U+＝‘1‘and U-＝‘0‘） then　U<= U-, ERR=0; elsif（U+＝‘1‘and U-＝‘1‘） then　U<= Z, ERR=1; end; 控制方法原理 在伺服系統中，通過對交流永磁同步電機電磁轉矩的控制，可使電機角位置、速度、加速度滿足指令信號的要求，電機的電磁轉矩與電機電壓、電流的關系是多變量、非線性的。交流電機矢量控制策略是解決這一難題的有效手段[3]。 電機的電磁轉矩T為: T＝KFsFfsinθsf （1） 同步電動機勵磁磁勢的方向在轉子磁極軸線軸上，當定子磁動勢的大小按q軸定向時，θsf＝90°，只要控制了定子磁動勢的大小，就能控制電機的轉矩T,從而實現對電機轉速n的控制。 永磁同步電機的數學模型如下: Ud＝R id ＋pψd－ωeψq （2） Uq＝R iq ＋pψq＋ωeψd （3） ψd＝Ld id ＋ψf （4） ψq＝Lq iq （5） 其中ωe為轉子旋轉電角度;Ψf為永磁體對應的轉子磁鏈。 將式（3）、（4）、（5）代入式（2）得: Ud＝R id＋p （Ld id＋ψf）－ωeLq iq ＝R id＋Ld p id－ωeLq iq （6） 變換得: Ud＋ωeLq iq＝（R＋Ld p） id （7） 同理得: Uq－ωe（Ld id＋ψf）＝（R＋p Lq） iq （8） 導出電機的電磁轉矩為: 多了個1.5倍的系數是因為坐標變換采用了幅值不變原則而不是功率不變原則。當id=0時，Te=1.5NpΨfiq，即通過控制iq就可以線性地控制電磁轉矩。系統控制環路結構如圖2所示。 dq軸電流的控制是通過dq軸電壓的控制來完成的。但dq軸電壓無法直接輸出，需要轉換到三相靜止坐標系中輸出，見圖2系統反饋控制環路圖。 軟件算法實現 在考慮軟件設計時，必須緊緊依賴其硬件核心F2810的基礎上，要保證工作的實時性，軟件的靈活性和可靠性，軟件設計也采用模塊化設計方法。該軟件主要包括三個部分:初始化模塊、系統控制模塊和通信模塊[5]。下面結合例子介紹DSP實現SVPWM的控制以及軟件實現方法。 空間矢量的計算 當空間合成矢量Uout以Oαβ坐標系上的分量形式Uout、Uoutβ給出時，先用下式計算B0、B1、B2: B0＝Uoutβ B1＝sin60°Uoutα－sin30°Uoutβ B2＝－sin60°Uoutα－sin30°Uoutβ 再用下式計算扇區號 P=4sign（B2）＋2sign（B1）＋sign（B0）式中:sign（x）是符號函數。如果x>0,sign（x）=1;如果x<0,sign（x）=0.采用F2810進行空間矢量的計算，軟件實現如下: If Vref1>0 ｛A=1;else A=0;｝ If Vref2>0 ｛B=1;else B=0;｝ If Vref3>0 ｛C=1;else C=0;｝ Sector=4C+2B+A 變量運算 為了能夠采用定點處理器實現浮點運算，系統軟件必須采用適當的定表格示，考慮到各種系統參數，本系統選用Q12定表格示。 注釋:當DSP定時器采用連續增/減計數方式，周期寄存器的周期值等于T/2。 其中VDC為母線直流電壓，VDCint為電壓定標系數，T為PWM的中斷周期。 時間參數飽和計算 當根據逆變器單獨輸出零矢量O000和O111時，電動機的定子磁鏈矢量Ψ是不動的。根據這個特點，在TPWM期間插入零矢量作用的時間t0，使TPWM=t0+t1+t2。其中t0為零矢量導通的時間，t1、t2分別為合成目的矢量相鄰60°定子矢量的作用時間。當計算的時間飽和時，也即t1＋t2 >TPWM時，軟件實現如下: 結語 經大量實驗證明，本控制系統將數字信號處理器與可編程邏輯器件相結合控制效果良好，可靠性高，穩定性好，為批量化生產奠定了堅實的基礎。主要優點列舉如下: 系統性能提高，由于高速的集成控制器的應用，提高了系統的精度，響應速度，靜動態性能以及穩定性; 可編程能力強，用可編程控制器件實現的控制，算法易于用軟件實現，調試維護方便，而且易于系統的升級; 較高的集成度，大大減小了控制系統的休積，節省了現場空間; 節省能源，環保; 可操作性強，具有友好的人機界面。