一种交流伺服系统硬件平台设计

刘斌 刘仲晔 陈瑜

（1. 中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064；2. 海军驻湖南地区军事代表室，湖南湘潭411101；3. 海军驻武汉719所军事代表室， 武汉 4300643）

0 引言

永磁交流伺服系统具备十分优良的低速性能，适应了高性能伺服驱动的要求；并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，在工业生产自动化领域和国防军事装备中将得到越来越广泛的应用，目前已成为交流伺服系统的主流[1],而构建硬件实验平台是检验设计的控制算法应用于交流伺服系统实际效果的重要保证。

1 DSP芯片的选择与设计

可编程DSP芯片的开发需要一整套完善的软、硬件开发工具。通常，DSP芯片的开发工具可以分为代码生成工具和代码调试工具。代码生成工具的作用是将C语言、汇编语言或者两者呼喝编写的DSP程序编译、汇编并链接成为可执行程序。代码生成工具主要包括：C编译器、汇编器和链接器。此外还有一些辅助工具，如文件格式转换程序、库生成和文档管理程序等。代码调试工具的作用是对DSP程序及系统进行调试，使之能够达到设计目标。TMS320系列DSP芯片的系统集成和调试工具主要有：C/汇编语言源码调试器、初学者工具DSK（Designer Starter Kit）、软件模拟器（Simulator）、评估模块EVM（Evaluation Module）、软件开发系统SWDS（Software Developing System）和仿真器XDS（eXtended Developing System）等。

1.1 TMS320LF2407芯片简介[2]

TMS320LF2407是TI公司专门为电机控制设计的DSP定点运算芯片，当外挂晶振为10 MHz，内部锁相环两倍倍频时，单步指令周期为50 ns，其处理速度能够满足高频控制的要求。另外，TMS320F2407不仅提供了较强的计算能力，而且针对电机提供了专门用于电机驱动的外设。TMS320F2407内部采用哈弗结构，流水线作业，每个指令周期仅为50ns，并且由于TMS320F2407内部具有硬件乘法器，一个1616×位的乘法在一个指令周期便可实现，因此处理速度比其他单片机快速许多。TMS320LF2407主要具有下述功能部件：20MIPS的CPU，片内RAM/ROM/FLASH，专用于电机控制的“事件管理器（Event Manager）”和片内外设。其结构见图1。

Ⅰ16路A/D变换器、转换速度500 ns。在系统中，速度给定环节，电流检测环节均用到A/D采样，其中速度给定环节给定模拟量一路，实时读入给定值；电流检测环节4路，实时读入电流值。

图1 TMS320F2407A DSP结构示意图

Ⅱ 9路PWM输出、频率可编程10～200 kHz。对于方波永磁同步电机控制的核心思想就是PWM电流斩波控制，本系统采用了它的三个全比较单元，产生了6路非对称PWM波形信号，频率根据IGBT模块的参数选为10 kHz。

Ⅲ 4路高速捕获单元（CAP）。对于方波永磁同步电机，当采用有位置传感器的控制策略时，3路轴角编码信号的检测要求高速准确，而一般单片机的中断资源和响应速度都无法满足要求。选用TMS320LF240的4路高速单元的3路，就可以轻松完成轴角编码信号上下跳变的检测和响应[3]。

TMS320LF2407A DSP是基于320C2xLP核。C2xLP核具有4级流水，工作在40MHz。具有JTAG仿真模块。C2xLP有一个中心算术逻辑单元（CALU），及32-bit的累加器（Acc）。Acc也是CALU的一个输入。Acc的其他输入包括16316-bit的乘法器通过定标移位器，以及输入数据定标移位器。软件可以通过进位旋转Acc的内容，来实施位操作和测试。

TMS320LF2407A芯片可以采用汇编语言开发，也可以采用C语言，C语言程序简洁、对于复杂的算法和浮点数运算有着汇编语言不可比拟的优越性，TI公司提供了比较好的C语言开发编译环境，其编译效率很高，本课题采用C语言开发。

TI的Code Composer4. 10是一个集成的开发环境，支持编辑、建立、调试、分析和项目管理。这个价值为1995美元的开发环境包括ANSI C编译器、汇编器、连接器、软仿真器、实时分析器，数据是可视化的。TI的仿真器支持JTAG非插入式的边界扫描仿真。该公司也分别提供C编译器、汇编器、连接器、软仿真器、实时分析器和应用程序库。第三方可以提供评估模块、仿真器、以及应用算法[4]。

图2 SEED-LF2407DCS电机控制板

1.2 SEED-LF2407电机控制板

DCS2407A应用开发平台是以数字信号处理器TMS320LLF2407A为核心的应用开发平台，支持C240X系列的DSP控制器开发。DSC2407提供了非常完整的C240X应用开发的外围设备接口设计，并根据工业控制需要，提供了专业级的运动控制接口，为优化数字式马达控制器及其它数字式功率控制提供了极其便利的应用开发环境[5]。

2 DSP外围电路设计

DSP芯片采用64脚QFP封装，和计算机用JTAG接口连接，可以实现在线仿真和程序升级，也可以通过DSP芯片的调试软件进行板上资源的监测。

图3 DSP外围电路框图

静态RAM空间主要作为程序存储器和数据存储器，当系统处于仿真状态下，可将程序通过JTAG链下载到程序存储RAM中，然后执行。实际运行时，先将程序通过烧写软件下载到片内FLASH存储器上，然后通过跳线选择，将程序空间指向片内FLASHROM，这样就可以实时运行了。

另外，为了指示电机的姿态，便于系统的调试，外围电路还设计了一组信号灯和一组微动开关，作为DSP的扩展I/O空间。8个指示灯占用了F240的I/O存贮区的000Ch地址，数据线Bit0-Bit7的状态可用指示灯的亮暗来表示，置1为ON,清0为OFF；10个开关占用F240的I/O存贮区0008h地址空间。

写 I/O 信 号灯状态时采用：

OUT LED_STATUS,00Ch；

将STATUS寄存器的值写到000Ch。

读 I/O DIP开关状态时采用：

IN SW_STATUS,008h；

读0008h值，并存放到SW_STATUS寄存器中。

3 隔离保护电路设计

在DSP控制器和IGBT之间，因为DSP是弱电部分，电压为5V，它驱动IGBT时信号不能直接加在引脚上。这时为了更好的匹配两者，使用了光电耦合器，光电耦合器是连接控制信号和IGBT模块的桥梁，其性能的好坏直接影响到控制品质的优劣。因此选用日本 TOSHIBA的高速精密线形光耦－TLP559。TLP559高速精密线形光耦合器由一个红外光 LED照射分叉配置的一个隔离反馈二极管和一个输出光二极管组成。反馈光二极管吸收 LED光通量的一个部分而产生控制信号，该信号可用来调节LED的驱动电流，本文设计了6个光耦。其主要特点如下：

交流或直流信号的耦合；

带宽＞200 kHz；

高传输增益稳定性±0.05%；

3500 V峰值隔离电压；

TLP559芯片的引脚和原理图如图 4所示。TLP559光耦芯片在电路中的应用如图5所示。

图4 TLP559芯片的引脚说明

图5 TLP559光耦芯片应用

4 逆变驱动电路设计

所谓逆变，就是将直流变成交流的过程。在此系统上集成了整流滤波模块、逆变驱动模块和各种电流、电压反馈[6]。其功能如下：

（a）能和SEED DCS2407A马达控制模块连接，构成完整的数字马达控制系统的应用开发平台；

（b）适用于三相交流异步电动机，永磁同步电机，直流无刷电机（BLDC）以及开关磁阻电机的控制和调速；

（c）额定350VDC的母线电压；

（d）额定电流10安培和最大值15A；

（e）输入为220V/50Hz交流电压；

（f）PFC反馈及控制模块；

（e）相电流采样及放大反馈；

（f）母线电压、电流反馈；

（g）过流保护和报警电路；

（h）自动死区保护。

系统如图6所示：

图6 功率电路框图

5 结论

本文介绍了基于TMS320LF2407DSP的交流伺服系统的硬件平台系统，主要介绍了其中几个主要的功能模块，为控制算法的实验验证工作提供了可靠的硬件基础。

[1] 苏彦民, 李宏.交流调速系统的控制策略[M]. 机械工业出版社, 1998.

[2] 杜隽隆.微型计算机控制系统－工程设计与实现[M].西安：西北工业大学出版社, 1992, 105－119.

[3] 陈荣, 邓智泉. 永磁伺服系统控制方案选择[J]. 盐城工学院学报（自然科学版）, 2003, 16（2）: 5-9.

[4] 陈艳峰, 丘水生. MATLAB与PSPICE相结合用于开关功率变换器仿真的方法[J]. 电机与控制学报,1999（2）: 177-179.

[5] Chern T L, Wu Y C.Design of brushless DC position servo systems using integral variable structure approach[J].IEE Proceedings-B, 1993, 140（1）: 27-34.

[6] 田淳, 胡育文. 永磁同步电机直接转矩控制系统理论及控制方案的研究[J]. 电机技术学报, 2002（1）:7-11.