基于DSP的交流伺服电机控制系统的研究

胡庆杰　张建伟　徐艳　赵晓阳

摘 要：在早期的时候，伺服电机一般采用直流电机。而直流电机本身具有电刷及换向器，在电机运行时由于摩擦容易产生火花，因此使得直流电机的使用场合受到了一定的限制。同时，长期的摩擦会导致电刷及换向器损坏，增加了维修的成本。随着社会的不断发展，伺服系统的应用也越来越广泛。本文提出了一种基于DSP的交流伺服电机控制系统，给出了控制系统的硬件和软件设计。

关键词：基于DSP;交流伺服电机;控制系统;研究

1 前言

数字控制系统是自动控制理论和计算机技术相结合的产物，一般是指微处理机参与控制的开环或闭环系统，通常具有精度高、速度快、存储量大和有逻辑判断功能等特点，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。目前大多数运动控制系统仍采用单片机来进行设计，虽然成本相对较低，但运算能力较弱难以完成大运算量算法。针对伺服驱动系统高速度、高精度的要求，出现了许多适应不同工作状况的高性能的控制算法。但是这些控制算法都是基于传统的硬件结构，伺服驱动器只能采用某种固定的控制算法，系统不能根据工作环境、负载状态的变化实时地调整控制算法和控制参数，不能充分发挥不同控制算法的性能特点，从而影响了伺服驱动器在不同工作环境下性能的发挥。

DSP具有极强的数字计算能力，利用DSP可将很多新型的控制算法应用于伺服控制。本文提出了以最新的数字处理芯片（DSP）TM$320F28335为核心控制芯片的交流伺服电机控制系统，它具有功耗小、性能高、运算速度快、数据和程序存储器容量大、AD采样和处理精度高等特点，能满足伺服系统复杂控制算法的要求。

2 交流伺服技术的发展趋势

采用新型的高速微处理器和数字信号处理器（DSP）的现代交流伺服技术已经全面取代模拟器件的伺服控制技术成为市场主流，现在数字信号闭环控制已经非常普遍，如电流环、速度环、位置环等。高性能的DSP、ARM等新型电力电子半导体器件越来越多用于伺服控制系统。这些先进元件的应用降低了系统损耗，提高了控制效率。结合市场需求的变化，可以看到以下最新的一些发展趋势。

2.1 高效率化

随着开关频率较高的现代电力电子半导体器件的显著应用，交流伺服系统的效率得到显著提高，但仍需要我们继续加强交流伺服电机的效率优化。特别是在一些驱动电路、能量反馈、传感器的控制精度以及先进的理论控制算法等方面还需我们进一步开发利用。

2.2 一体化和集成化

现在的很多交流伺服系统发展方形趋向于将被控对象电动机、前向驱动模块，负向反馈模块以及串口通信模块等实现纵向一体化。交流伺服系统现在也实行高度集成化，从被控对象，功率驱动等模块的集成使系统从设计制造到运行维护都紧密的集成在一块。这样既缩小整个控制系统的体积，又使得系统的安装和调试得到简化。

2.3 通用化

通用型的伺服驱动模块配置有丰富的菜单功能和大量的参数。在硬件配置一定的条件下，它可以工作在不同的控制方式，如变压变频控制、永磁同步交流伺服电机控制。矢量控制等。根据不同类型的传感器可以工作在不同場合，可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环控制系统，也可以通过接口与外部的位置或力矩或速度传感器构成高精度全闭环控制系统。

2.4 智能化

智能化是现代工业生产设备的一种流行趋势，也是现代科学先进性的具体体现。交流伺服技术作为高级的工业控制装置，我们也需要将其设计成智能化的产品。现代交流伺服驱动器都具备参数记忆功能，系统的所有运行参数可以通过软件来设置，应用十分方便。有的交流伺服驱动器还具有故障自诊断，参数自整定以及自动调节稳定性等功能，这些都为伺服用户提供更好的体验。

3 伺服电机控制系统的硬件设计

本系统提供的硬件设计能够满足多种控制算法，它是以TI公司的TMS320F28335为控制核心设计的。TMS320F28335控制器是一种集成了数字信号处理核心与外设的微处理器，也是专门用于电机控制的DSP。它运行速度快，工作时钟频率达到150MHz，功耗低，性能高，可以满足复杂控制。

电机控制卡根据上位机的命令产生脉冲序列，脉冲个数、位置、频率及频率变化率、加速度均受主机控制。微处理器及其外围电路主要负责控制策略和算法的实现、产生PWM信号、响应速度反馈等工作。微处理器根据控制卡的位置命令值减去位置反馈值来算出电机位置误差值，经过驱动单元的数字滤波器（调节算法）产生电机速度控制信号。其中反馈值是根据检测电路中的电磁隔离式霍尔传感器电路来检测永磁同步电机的相电流，之后进行A/D转换并作相应处理，实现控制算法。PWM输出通过光耦传输使得传递PWM控制信号时控制电路与功率电路隔离。增量编码器是伺服电机的反馈元件，它将电机的旋转角度转换为正交的电脉冲信号，微控制器根据该反馈信号就能跟踪电机的旋转位置。电源模块将开关电源提供的+5V电压变换为+3.3V为系统供电。

4 伺服电机控制系统的软件设计

软件设计分为两大部分：一是电机卡控制软件设计，二是控制器的软件设计。对电机控制卡的控制主要是在上位机中通过VisualC++进行编程，进而控制电机控制卡进行渎写操作并向控制卡发出位移、速度、加速度等命令。

DSP程序由两个模块组成，即主程序模块和中断服务程序模块。主程序模块主要完成中断矢量的声明、内存变量的定义、各个功能模块的初始化等工作;中断模块主要是处理电机控制卡的命令、检测电路的反馈值、读取QEP的计数和控制算法程序Ⅲ。控制器的软件流程见图1。

5 结论

本系统采用了先进的全数字电机控制算法，实现了电流环、速度环、位置环的闭环伺服控制，具备良好的鲁棒性和自适应能力，可配合多种规格的伺服电机，适应于需要快速响应的精密转速控制与定位控制的应用系统，如数控机床、印刷机械、包装机械、造纸机械、塑料机械、纺织机械、工业机器人、自动化生产线等。

参考文献

[1]龙晓军.基于自抗扰技术的永磁同步电机调速方法研究.大连海事大学硕士学位论文，2011

[2]顾问等.基于自抗扰控制技术的永磁同步电机矢量控制策略.电源学报，2011

[3]刘清.基于自抗扰控制器的永磁同步电机伺服系统控制策略的研究与实现.天津大学博士学位论文，2011

[4]李骥.基于DSP的永磁同步电机矢量控制系统的研究.武汉理工大学硕士学位论文.2008