交流伺服驱动器的设计与实现

摘 要 为了实现伺服系统高响应、宽调速、高稳态等性能要求，本文设计了一款基于DSP+FPGA架构的交流伺服驱动器。设计包括DSP作为主控制芯片，IPM模块作为功率驱动核心，同时应用FPGA开发IO扩展及位置、电流、电压数据读取、实现数据显示、按键操作以及系统参数设置等辅助功能;通过系统的程序设计，实现了全部功能并通过实验验证了设计效果。

关键词 交流伺服驱动器;DSP;IPM;FPGA

引言

随着技术的进步和应用需求的提升，对伺服驱动系统的应用需求越来越迫切。驱动器的发展由最早的模拟控制系统逐渐发展到目前的全数字控制系统。针对应用需求，本文将以DSP作为主控制芯片结合IPM功率驱动模块设计了一款交流伺服驱动器硬件平台;在该平台基础上通过程序设计实现矢量控制、PID闭环控制、滤波抑振等算法，实现对伺服电机的高精确、高响应且高稳态等控制目标。

1 伺服驱动器的硬件设计

本文设计的硬件電路主要由功率驱动电路、控制电路、电机转速采集电路等电路构成。

1.1 功率驱动电路设计

功率驱动电路是实现电机直流逆变控制过程的基础。其主要由主回路和电流及电压检测电路等组成。主电路系统采用的是英飞凌公司的型号为IGCM20FXXA 型IPM模块，通过主电路的整流逆变过程接入控制对象实现控制功能。在系统内部的整流部分需要外接软启动电路实现对系统电路滤波作用，同时为了实现整流过程的启动控制，需要使用功率电阻作为启动电阻，另外模块内部具有过电压以过流保护[1]。同时结合程序实现对系统故障状态下的保护，实现对故障保护动作的及时准确，从而保证被控制电机的运行安全。对主电路逆变控制过程需要通过DSP实现PWM输出信号的输出，从而实现对电机的控制。电流及电压检测电路通过霍尔式电流互感器进行电流的实时检测从而判断电机的负载及转矩变化情况。其中对IPM模块输出的V相及W相进行电流采集，利用光电耦合器 HCPL7840进行高电压与低电压的隔离。将电流信号经过采样处理转换成电压信号送入DSP进行计算，实现对所控制对象的转矩闭环控制。

1.2 控制电路设计

本文设计的驱动器控制芯片型号为TMS320F2808，通过该芯片实现伺服矢量控制，将按照控制算法得到的PWM输出信号送入IPM实现对伺服电机的控制。同时根据系统故障检测实现保护的功能。为了优化DSP的资源配置，本文使用FPGA作为FPU，在完成信号检测的同时，实现对驱动器的IO扩展、位置和电流电压读取、参数显示、键盘操作以及参数设置等功能。通过信号检测模块实现伺服电机参数的检测，FPGA与DSP之间通过串口通信的方式将所检测的数据发送到DSP后对其进行分析;实现对伺服电机状态的判断，并根据结果执行对应的动作。同时本文设计的驱动器可以实现外部数字信号、模拟信号以及脉冲信号输入的识别，可以对外接数据进行处理[2]。系统的电源由开关电源提供，从而可以通过外接交流220V进行供电。

1.3 电机转速采集电路设计

在进行伺服电机控制过程，为了实现闭环控制，需要对伺服电机运行转速进行实时测量。本文针对的电机编码器为多摩川17位编码器进行位置和速度的计算和检测;驱动器读取编码器信息采用的是RS485通讯电路设计;能够保证2.5Mbit/s的传输速率;DSP通过编码器读取电路获得电机的位置信息再通过微分计算出电机转速;实现位置环、速度环的闭环控制。

2 伺服驱动器的程序设计

伺服控制程序设计包括主程序设计及中断程序设计，主程序主要实现对系统的初始化、对各子程序的调用等功能;中断程序主要完成控制PWM信号的输出以及脉冲判断等功能，下面分别进行介绍。

2.1 主程序设计

系统主程序主要完成程序上电后各寄存器初始化及中断使能，其中包括时钟锁相初始化、PWM 中断向量初始化、CPU 中断使能、外围接口函数初始化、控制参数初始化等一系列动作，完成程序运行的准备工作，随后等待执行中断服务程序。

2.2 中断程序设计

主中断程序主要实现伺服电机的控制算法，在一个伺服更新周期内完成对电机位置检测、电机转速计算、电流检测以及矢量变换，进而为电机位置控制、速度控制以及电流控制提供参数依据，输出PWM信号，从而对伺服电机进行控制。主中断程序时间为100<！--[if gte vml 1]> <！[endif]--><！--[if ！vml]--><！--[endif]-->，即每隔100<！--[if gte vml 1]> <！[endif]--><！--[if ！vml]--><！--[endif]-->系统执行一次中断程序实现PWM信号的输出。为了实现对电流进行矢量控制，对于电流的检测周期需要保持与PWM输出周期一致。同时对于速度控制过程所需要进行的速度检测需要保证与主中断周期保持整数倍关系[3]。本文设计的电路保护是通过硬件结合程序共同完成的。通过对系统电压、电流信号的检测，如果软件判断出现异常时控制输出停止，同时进入报警中断程序。主要的故障包括IPM过流、母线过压、母线欠压、过载等故障现象。

3 设计结果验证与分析

为了验证本文设计的伺服控制器的功能及性能特把交流伺服电机作为控制对象。伺服电机型号为TS4614 N7191 E200，其额定参数分别是：额定转矩2.39Nm;额定电流5.1A;额定转速为3000r/min。试验结果表明本文设计的驱动系统实现对伺服电机平稳控制、系统响应性能优越、稳态误差小，系统可以实现按照位置、速度以及转矩的闭环控制，符合交流伺服系统应用需要。

4 结束语

本文完成了以DSP为主控芯片实现的交流伺服驱动器设计，其中包括硬件平台及系统程序的设计。根据系统联调验证结果表明，本文设计的交流伺服驱动系统具有良好的控制性能，在机器人领域具有很好的实用性。

参考文献

[1] 宋宝，唐小琦.全数字交流伺服驱动器设计与研究[J].机械与电子，2004（1）：39-42.

[2] 王爱祥.全数字交流伺服驱动器的研究[J].现代雷达，2006（3）：66-69.

[3] 邢杰.基于DSP的全数字流伺服驱动器设计[J].机械管理开发，2005（2）：59-60.

作者简介

赵振龙（1982-），男，辽宁省鞍山人;学历：硕士研究生，职称：中级工程师，研究方向：机器人电控系统设计与开发、运动控制器硬件开发与应用、伺服系统开发与应用、工业机器人行业应用。