基于TMS320F2812的双通道高精度伺服系统

0 引　言

以无刷直流电动机为核心的无刷直流伺服系统具有优越的调速特性以及寿命长、效率高、维护性好等优点,高精度、高可靠性、高智能化的无刷直流伺服系统是当前伺服系统的重要发展方向[ 1 - 2 ] 。随着微电子技术和控制理论的发展,伺服系统能够获得越来越高的工作精度、较宽的调速范围,促进了伺服系统在各个行业和领域应用,例如工业自动化控制。在工业自动化领域中,某些场合如高精度数控机床和一些液压设备需要两台或者多台电机同时工作来达到保证精度、提高性能的目的。一种液压设备要求两台伺服电机同时工作,并有较高的伺服精度要求,需要设计合适的伺服系统。本文介绍了以高性能数字信号处理器TMS320F2812 为控制核心的双通道高精度伺服控制系统,充分利用其丰富的片内资源,简化系统硬件设计,取得了较好的效果,满足了设备的要求。

1 方案设计
系统要求实现较高的精度,这就需要降低伺服电机运行过程中的转矩波动,可以从电机结构和控制算法两个方面加以考虑:伺服系统采用无槽结构的无刷直流电动机（BLDCM）作为伺服电机,换相控制方式为电压空间矢量（ SVPWM）正弦波驱动技术。无刷直流电动机采用正弦波驱动方式,三相绕组通入对称三相交流电,电枢磁场为圆形旋转磁场,方向连续变化, 实现较低的转矩纹波、平滑运转和较低的工作噪声,文献[ 3 ]证明了SVPWM驱动技术对于降低电机的转矩波动有较好的效果;无槽结构的无刷直流电动机消除了齿槽效应, 具有转矩波动小、运行平稳、噪声低、电枢电感小、定位干扰力矩小等特点,采用正弦波绕组后,从结构上配合正弦波驱动技术使得系统高精度控制的实现更为容易。采用正弦波驱动方式,要求电机安装有高分辨率的位置传感器以提供精确的转子位置信息。旋转变压器用来作为转子位置检测传感器,能够实现高精度检测,满足正弦波驱动的位置精度要求。
普通的电机控制用微控制器只有一个电机控制单元,如果同时控制两台三相电机,需要外部扩展一定数量的器件和接口,大大提高了成本,降低了可靠性。TMS320F2812是新一代电机控制专用数字信号处理器,集成度高,运算速度快,带有两个事件管理器,能够实现同时对两台三相电机的调速控制,因此选择TSM320F2812作为核心控制器。伺服系统方案原理框图如图1所示

无刷直流电动机是系统的伺服驱动单元;采用PC机作为上位机平台,通过RS - 485总线实现对伺服系统的实时监控。系统两个通道的技术指标及控制对象相同,因此各个通道采取了相同的硬件结构,以利于降低系统成本,缩短开发周期。
TMS320F2812作为整个控制器的核心,根据控制算法产生PWM调制信号,与保护电路产生的信号综合后,经过驱动电路放大控制逆变电路,实现对伺服电动机的控制。信号发生器产生稳定的正弦波信号作为旋转变压器的激励信号及角度变换（Resolver - to - Digital Converter, RDC）电路的参考信号。旋转变压器与电机转子同轴连接,实现角度位置检测及反馈、速度计算及反馈功能。

2 系统硬件设计
两个通道采用相同的硬件电路,因此下面所讨论的硬件电路都在两个通道中得到应用。

2. 1 功率电路设计

图2 功率电路