將DSP+CPLD結(jié)合實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化交流伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)程中，實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)對(duì)高速數(shù)字信號(hào)處理是出了更高的要求，為了滿足世界范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的需要，TI公司推出了一種面向高性能、高精度工業(yè)控制領(lǐng)域的32位定點(diǎn)DSP控制器TMS320F2810，在x240基礎(chǔ)上性能提高了10倍，用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，功能更強(qiáng)大，算法更靈活，多達(dá)128k字的FLASH E2PROM、2k字的ROM，能夠滿足大計(jì)算量、運(yùn)算速度高的要求，CPLD是一種復(fù)雜可編程邏輯器件，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)把設(shè)計(jì)生成的數(shù)據(jù)文件夾配置進(jìn)芯片內(nèi)部的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SPAM）來完成，具有可重復(fù)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(fù)雜度。將DSP+CPLD結(jié)合并應(yīng)用與伺服電機(jī)控制中，加以改進(jìn)的控制算法和硬件結(jié)構(gòu)，使整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)達(dá)到民快速性和穩(wěn)定性的要求。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象為三相120°四級(jí)永磁同步電機(jī)，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(shù)字控制系統(tǒng)專用的TMS320F2810芯片，它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)控制策略和控制算法的實(shí)現(xiàn)，并與人機(jī)界面進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和報(bào)警顯示等功能，人機(jī)界面的核心處理芯片為周立功單片機(jī)的7289顯示芯片，主要負(fù)責(zé)向DSP發(fā)送轉(zhuǎn)速給定、控制參數(shù)給定、啟動(dòng)/停止信息等，并實(shí)時(shí)顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(shí)序功能而設(shè)計(jì)的集成芯片，將外部光電編碼器信號(hào)等邏輯輸入、輸出引用端等PCB設(shè)計(jì)完成的大部分工作集成放在芯片設(shè)計(jì)中進(jìn)行。這樣不僅可以通過芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)的工作量和難度，從而有效地增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性，提高了工作效率，便于系統(tǒng)的二次開發(fā)。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示：

CPLD的設(shè)計(jì)

永磁伺服電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其同步轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子位置可以通過與轉(zhuǎn)子同步的光電編碼器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)來反映，因光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)含有諧波成份，毛刺較多，為防止DSP讀到誤碼，將轉(zhuǎn)速、位置脈沖信號(hào)送到CPLD邏輯判斷濾除干擾信號(hào)，同時(shí)在起保護(hù)DSP的作用。由于篇幅有限，舉例轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)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(tǒng)中，通過對(duì)交流永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制，可使電機(jī)角位置、速度、加速度滿足指令信號(hào)的要求，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)電壓、電流的關(guān)系是多變量、非線性的。交流電機(jī)矢量控制策略是解決這一難題的有效手段。

多了個(gè)1.5倍的系數(shù)是因?yàn)樽鴺?biāo)變換采用了幅值不變?cè)瓌t而不是功率不變?cè)瓌t。當(dāng)id=0時(shí)，Te=1.5Npψfiq，即通過控制iq就可以線性地控制電磁轉(zhuǎn)矩。系統(tǒng)控制環(huán)路結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換到三相靜止坐標(biāo)系中輸出，見圖2系統(tǒng)反饋控制環(huán)路圖。

軟件算法實(shí)現(xiàn)

在考慮軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須緊緊依賴其硬件核心F2810的基礎(chǔ)上，要保證工作的實(shí)時(shí)性，軟件的靈活性和可靠性，軟件設(shè)計(jì)也采用模塊化設(shè)計(jì)方法。該軟件主要包括三個(gè)部分：初始化模塊、系統(tǒng)控制模塊和通信模塊。下面結(jié)合例子介紹DSP實(shí)現(xiàn)SVPWM的控制以及軟件實(shí)現(xiàn)方法。

空間矢量的計(jì)算

當(dāng)空間合成矢量U out以O(shè)αβ坐標(biāo)系上的分量形式U out、U outβ給出時(shí)，先用下式計(jì)算成本B0、B1、B2：

B0=U outβ

B1=sin60°U outα-sin30°U outβ

B2=-sin60°U outα-sin30°U outβ

再用下式計(jì)算扇區(qū)號(hào)

P=4sign(B2)+2sign(B1)+sign(B0)式中：sign(x)是符號(hào)函數(shù)。如果x>0，sign(x)=1；如果x<0，sign（x）=0。采用F2810進(jìn)行空間矢量的計(jì)算，軟件實(shí)現(xiàn)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;}

Scetor=4C+2B+A

變量運(yùn)算

為了能夠采用定點(diǎn)處理器實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算，系統(tǒng)軟件必須采用適當(dāng)?shù)亩ū砀袷荆紤]到各種系統(tǒng)參數(shù)，本系統(tǒng)選用Q12定表格示。

注釋：當(dāng)DSP定時(shí)器采用連續(xù)增/減計(jì)數(shù)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，V DC in t為電壓定標(biāo)系數(shù)，T為PWM的中斷周期。

時(shí)間參數(shù)飽和計(jì)算

當(dāng)根據(jù)逆變器單獨(dú)輸出零矢量O000和O111時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶喀资遣粍?dòng)的。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在TPWM期間插入零矢量作用的時(shí)間t0，使TPWM=t0+t1+t2。其中t0為零矢量導(dǎo)通的時(shí)間，t1、t2分別為合成目的矢量相鄰60°定子矢量的作用時(shí)間。當(dāng)計(jì)算的飽和時(shí)，也即t1+t2>TPWM時(shí)，軟件實(shí)現(xiàn)如下：

結(jié)語

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明，本控制系統(tǒng)將數(shù)字信號(hào)處理器與可編程邏輯器件相結(jié)合控制效果良好，可靠邊性高，穩(wěn)定性好，為批量化生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。主要優(yōu)點(diǎn)列舉如下：

·系統(tǒng)性能提高，由于高速的集成控制器的應(yīng)用，提高了系統(tǒng)的精度，響應(yīng)速度，靜動(dòng)態(tài)性能以及穩(wěn)定性；

·可編程能力強(qiáng)，用可編程控制器件實(shí)現(xiàn)的控制，算法易于用軟件實(shí)現(xiàn)，調(diào)試維護(hù)方便，而且易于系統(tǒng)的升級(jí)；

·較高的集成度，大大減少了控制系統(tǒng)的體積，節(jié)省了現(xiàn)場空間；

·節(jié)省能源，環(huán)保；

·可操作性強(qiáng)，具有友好的人機(jī)界面。