基于DSP的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
此處以F2808DSP為核心，結(jié)合多種外圍擴(kuò)展，構(gòu)成一套功能完善、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

由圖可知，本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由以下6部分構(gòu)成：①PMSM；②DSP主控單元；③速度和位置檢測(cè)電路；④主功率部分和驅(qū)動(dòng)電路；⑤電流檢測(cè)電路；⑥D(zhuǎn)／A轉(zhuǎn)換電路；⑦保護(hù)電路。
3．1 逆變電路設(shè)計(jì)
主電路由三相橋式逆變電路組成。根據(jù)控制對(duì)象的額定參數(shù)，選用MOSFET功率管IRF540N作為逆變電路的功率開關(guān)器件?？紤]到功率器件的發(fā)熱問(wèn)題，MOSFET功率管采用壁貼的安裝方法，解決了功率管的散熱問(wèn)題。這種結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)有足夠的電壓、電流裕量，提高了系統(tǒng)的可靠性。
3．2 MOSFET驅(qū)動(dòng)
功率管的驅(qū)動(dòng)芯片采用半橋驅(qū)動(dòng)集成芯片IR2106。該芯片內(nèi)部集成了互相獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)輸出電路。由于IR2130內(nèi)部的6個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出阻抗較低，直接應(yīng)用其驅(qū)動(dòng)功率MOSFET器件會(huì)引起MOSFET器件的快速開通與關(guān)斷，這樣會(huì)造成MOSFET器件漏-源極間的振蕩，將引起射頻干擾和造成MOSFET器件由于承受過(guò)高的du／dt而擊穿。所以在本設(shè)計(jì)中在MOSFET管的柵極與IR2106的輸出之間串聯(lián)一個(gè)4．7Ω的無(wú)感電阻。
3．3 采樣通道
電流檢測(cè)的方法很多，在本伺服系統(tǒng)中采用電磁隔離霍爾電流傳感器CS040G進(jìn)行電流檢測(cè)。CS040G的初級(jí)電流測(cè)量范圍為-20～20 A，對(duì)應(yīng)的次級(jí)輸出電壓是-1～1 V。由于DSP A／D輸入端只能接收直流信號(hào)(0～3．3 V)，故由傳感器輸出來(lái)的信號(hào)還要經(jīng)過(guò)電平抬升電路。
采樣通道電壓抬升電路采用運(yùn)算放大器LM324與外圍器件構(gòu)成加法器，其輸入信號(hào)有：①霍爾元件的輸出電壓Uis；②電平抬升參考電壓信號(hào)Uref。輸出為電壓信號(hào)Uino，Uiso=1．5(Uin+Uref)。
Uis信號(hào)幅值在±1 V內(nèi)，Uref=1 V，因此可保證Uiso為正值。通過(guò)RC阻容構(gòu)成低通濾波電路，消除開關(guān)干擾。DSP A／D輸入端通過(guò)二極管與3．3 V相連實(shí)現(xiàn)筘位保護(hù)。
3．4 D／A轉(zhuǎn)換電路
為方便觀測(cè)電機(jī)調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的中間變量，硬件系統(tǒng)增加了D／A輸出電路。目前D／A輸出主要有兩種方法：①采用軟件PWM方法，將數(shù)字量經(jīng)一個(gè)I／O口輸出并接在一個(gè)簡(jiǎn)單的RC低通濾波器上獲得模擬信號(hào)，該方案在高頻時(shí)效果不好；②硬件方法，該方案在低頻和高頻時(shí)，效果都很好，缺點(diǎn)是成本較高。本系統(tǒng)采用硬件方法實(shí)現(xiàn)。
D／A轉(zhuǎn)換電路系統(tǒng)采用TLC5620芯片外加雙極性輸出電路，TLC5620是串聯(lián)型8位D／A轉(zhuǎn)換器。在控制TLC5620時(shí)，只要對(duì)該芯片的DATA，CLK，LDAC，LOAD端口控制即可。其中DATA為芯片串行數(shù)據(jù)輸入端，與DSP的SPI從輸入／主輸出引腳相連，CLK為芯片時(shí)鐘，接到DSP的SPI時(shí)
鐘引腳。數(shù)據(jù)在每個(gè)時(shí)鐘下降沿輸入DATA端，數(shù)據(jù)輸入過(guò)程中LOAD始終處于高電平，一旦數(shù)據(jù)輸入完成，LOAD置低，則轉(zhuǎn)換輸出，實(shí)驗(yàn)中LDAC一直保持低電平。
3．5 過(guò)流故障信號(hào)檢測(cè)
此平臺(tái)通過(guò)電流霍爾傳感器對(duì)母線電流進(jìn)行檢測(cè)得到電壓信號(hào)MC，再通過(guò)跟隨器送入遲滯比較器與閾值電平比較，輸出電壓信號(hào)OC送入DSP的錯(cuò)誤控制子模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)流信號(hào)的檢測(cè)。
3．6 脈沖輸入接口電路
采用高速光耦合器6N137，其內(nèi)部是由一個(gè)光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)肖特基箝位的集電極開路的三極管組成。

4 實(shí)驗(yàn)研究
實(shí)驗(yàn)中采用三相PMSM，額定電壓為36 V，額定電流為7．6 A，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r·min-1，額定功率為200 W，極對(duì)數(shù)為4，直軸電感為0．162 mH，交軸電感為0．142 mH，定子電阻為0．215 Ω，轉(zhuǎn)子感應(yīng)到定子側(cè)的磁鏈為0．012 405 Wb。為了驗(yàn)證硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，編制了PMSM伺服控制軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其軟件流程如圖3所示。

采用C語(yǔ)言編寫伺服控制軟件，系統(tǒng)控制周期為40μs，ePWM事件下溢觸發(fā)A／D轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入周期中斷，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理得出新的PWM控制信號(hào)。編碼器線數(shù)為1000。