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基于DSP和FPGA的交流伺服系统硬件设计


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文章编号:1671—4598(2010)12—2853—03

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中图分类号:TM351 文献标识码:A

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基于DSP和FPGA的交流伺服系统硬件设计
刘汉武,张艳清
(北京特种机械研究所第五研究室,北京
100143)

/>摘要:现今永磁同步电机的使用越来越广泛,介绍了基于DSP及FPGA的电机伺服控制系统的设计方案;完成了伺服控制系统的主 要硬件设计和软件设计;系统选用数字信号处理器TMS320F2407及EPIK50作为核心单元,完成电机伺服控制系统硬件设计,在此平 台上使用C2000系列的汇编语言完成伺服控制系统的软件编写,完成控制系统的设计,结果表明系统具有快速响应性以及良好的动、静 态控制性能。 关键词:交流伺服;DSP;FPGA;功率模块


Hardware Design of AC Servo System Based
Liu Hanwu,Zhang Yanqing (Beijing Institute of Specific Machinery,Beijing
Abstract:At present,the permanent magnet synchronous machine DSP and FPGA
sign is is

on

DSP and FPGA

100143,China)
widely used.A new motor servo—controller
as on

more and more

designed

in

this paper.The system regarded

the

TMS320F2407 and
using C2000

EPlK50

the

core

unit
on

tO

complete the hardware

de—

of the motor servo—controller,and then finish the software

design

assembly language based

the hardware platform

to ac—

eomplish the design of the controller.
Key

words:AC servo;DSP;FPGA;power module



引言
随着科学技术的发展,人类在微电子、计算机、电力电

子技术和电机制造等诸多领域取得了巨大进步,并直接推动 了伺服控制技术的飞速发展和广泛应用。居于各种数控设备、 工业机器人、大规模集成电路制造、航空、航天以及家用电 器等领域的应用日益广泛。目前,小容量快速高精度无刷电 机位置伺服系统(如导弹舵机控制系统)多采用模拟电路来 实现。随着DSP、FPGA等嵌入式控制芯片的快速发展,针 对采用DSP作为CPU来实现对位置伺服系统的数字化控制的 研究逐渐增多。 交流伺服系统包括基于异步电动机的交流伺服系统和基 于同步电动机的交流伺服系统。在交流伺服研究领域,日本、 美国和欧洲的研究一直走在世界前列。日本的安川I公司在20 世纪80年代中期研制成功世界上第一台交流伺服驱动器。随 后FANUC、三菱、松下等公司先后推出各自的交流伺服系 统,国外的这些产品大多是基于异步电动机的。国内在基于 异步电机交流伺服系统的研究比较晚,到目前为止还没有产 品问世。国内很多学者把研究的重点放在永磁同步电机伺服 系统上。本文提出了一种基于DSP和FPGA的交流伺服通用 硬件系统结构。该系统以DSP和FPGA为内核,以新一代智 能功率模块ASIPM为驱动器。该系统配置相应的软件可以控 制和驱动异步电机、永磁同步伺服电机、无刷直流电机,通过 对FPGA的重新配置还可以驱动直流电机和三相感应式高压 步进电机。
图1 伺服驱动器硬件结构框图

1控制系统的硬件设计
伺服驱动器硬件结构框图如图1所示。包括DSP+FPGA 基本系统系统、保护电路及CAN总线接口几大部分。DSP加 FPGA基本系统系统使用TI公司DSP芯片TMS320F2407[2],

收稿日期:2010—05—20;

修回日期:2010一06—26。

FPGA使用Altera公司的EPlK50,基本系统是整个控制系统 的控制核心。负责伺服系统算法的实现,产生各种控制信号, 处理检测到的各种数字模拟信号。保护电路由短路、过流、缺

作者简介:刘汉武(1982一), 男,工程师,主要从事机器人控制方向 的研究。

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相、过载、主电路过压、控制电路欠压等硬件电路构成,检测 到的控制信号被送到FPGA的故障处理机进行实时处理。该 伺服系统为全数字交流伺服系统,采用位置、速度、电流闭环 环控制结构。电流环是内环,速度环和位置环是外环。在一种 工作模式下,速度环和位置环只选择一种。电流环、速度环和 位置环都是由交流伺服控制器实现。电流反馈信号从霍尔电流 传感器得到,定予电流相位信号和位置及速度信号通过对同轴 装在PMSM电机上的旋转变压器和霍尔传感器上获得。其中 电流环和速度环采用优化的PID控制,位置环采用带前馈的 滤波的P控制,实践结果表明该系统控制精度高、响应速度 快、低速运行平稳。 DSP和FPGA功能模块划分的原则是:高速、周期性强 的信号由FPGA实现,如码盘、霍尔、键盘的定时扫描、显 示器的动态刷新、保护电路的快速锁存,这些信号如果由DSP 完成势必占用CPU的大量时间和资源。按不同的功能模块由 FPGA的不同进程实现既提高了系统的实时性,又方便了软件 的编制和系统维护。模拟信号和串行总线的处理由DSP完成。
1.1

路。DSP和FPGA的信息交互是通过外部并行数据总线的方 式进行具体实现:DSP通过由GAL实现的译码电路对FPGA 进行选通,用OUT/IN指令对FPGA的内部寄存器进行访问, 将FPGA的内部寄存器地址映射到DSP内部的I/0空间中, 完成与FPGA的数据通讯。FPGA内部逻辑按功能模块划分 如图3所示。本系统使用的FPGA是Altera公司的EPlK50。 指令脉冲信号和码盘信号是交流伺服系统中比较快的接口 信号,在一般的数控系统中,指令脉冲的频率可达100K以 上,码盘信号的频率经4倍频以后可达500K以上甚至更高。 数控机床指令脉冲有3种输入形式,即差分信号、方向脉冲信 号和CW、CCW脉冲列,FPGA通过对脉冲信号的识别完成对 脉冲的计数和方向判定,在定时器和中断控制器的逻辑控制下 把信息通过外部总线送给DSP。

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处理

DSP最小系统 DSP最小系统是指能使DSP内核正常运行、以及能对

内部数据总线和地址总线DB(0:15)

DSP进行调试的最简硬件设计。包括CPU TMs320LF2407、 晶振、锁相环、片外的数据存储器、片外的程序存储器、片外 扩展的具有SPI接口的EEPROM等电路。TMS320LF2407是 TI公司的DSP产品[3],它有两个事件管理模块EVA和EVB, 每个模块包括:两个16位通用定时器、8个16位的脉宽调制 (PWM)通道。事件管理模块适用于控制交流感应电机、无刷 直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。 DSP最小系统扩展了3种类型的存储器:数据存储器容量 64K,存取时间15ns,CPU无需插入等待周期可以直接读写; 片外扩展程序存储器64K,用于仿真运行模式下的程序存储 器;EEPROM用于交流伺服系统保存非遗失数据。本系统使 用的EEPROM是XICOR公司的X25650,存储容量8K,具有 SPI接口。
1.3

zo控制l I复位控制I l中断控制| l葬鐾嚣、1 l指鑫鐾冲
图3

FPGA内部逻辑设计

IPM模块电路设计 智能功率模块(简称IPM)是Intelligent
Power

Module

的缩写,是以IGBT为基本功率开关原件构成三相逆变器的专 用功能模块是一种先进的功率开关器件,具有GTR(大功率 晶体管)高电流密度、低饱和电压和耐高压的优点,以及 MoSFET(场效应晶体管)高输入阻抗、高开关频率和低驱 动功率的优点。而且IPM内部集成了逻辑、控制、检测和保 护电路。使用起来方便,不仅减小了系统的体积以及开发时 间,也大大增强了系统的可靠性,适应了当今功率器件的发展

方向——模块化、复合化和功率集成电路(PIC),在电力电
子领域得到了越来越广泛的应用。本设计选用上海嘉尚电子科 技公司的PM75RLAl20,此模块内含有三相逆变器所需要的 IGBT及反并联二极管,并且三相已连接好,只要把P、N引 入端接到直流侧电容两端,把U、V、w端子连接至电机的三 相输入端即可,内部集成了交流伺服所需的整流桥、逆变桥、 刹车电路、逆变桥驱动、短路保护、控制电源过压、欠压保 护、过热、过载等电路。


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图4三相逆变桥原理图

图2
1.2

DSP最小系统设计

FPGA设计 FPGA系统包括:FPGA基本系统、键盘及显示电路、电

2系统软件设计
利用TMS320LF2407强大的运算能力、高效的指令系统,

机码盘信号接口电路、电机位置霍尔信号接口电路和保护电

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可以方便地设计控制系统软件。考虑到整体繁重的计算量,为 实现电机控制的实时性和高效性,本设计的电机伺服控制系统 软件部分全部采用基于TMS320LF2407的汇编语言体系。为 了配合硬件的设计,达到预期效果,其软件程序部分的设计主 要包括主程序、数据交换程序。
2.1

当出现故障时,DSP的PWM通道将被封锁,从而使输出变成 高阻态;通讯中断程序主要用来接受并刷新控制参数,同时设 置运行模式。 2.3数据交换程序 数据交换程序主要包括与上位机的通讯程序、EEPROM 参数的存储、控制器键盘值的读取和数码管显示。其中通讯采 用RS232接口,根据特定的通讯协议接受上位机的指令,并 根据要求传送参数和下载参数。

主程序 主程序完成系统的初始化,I/o接口控制信号,DSP内各

个控制模块寄存器的设置等,然后进入循环程序。初始化工作 主要包括:DSP内核的初始化;电流环、速度环的周期设定; PWM初始化,包括PWM的周期设定,死区设定,以及 PWM的启动;ADC初始化及启动;QEP初始化;矢量和永 磁同步电机转子的初始位置初始化;进行多次伺服电机相电流 采样,求出相电流的零偏移量;电流和速度PI调节初始化等。 所有的初始化工作完成后,主程序进入等待状态,以等待中断 的发生,进行电流环和速度环的调节,其流程图如图5所示。

3设计结果与分析
以下以三相永磁同步电动机为研究对象进行试验研究,电 机参数如下:额定转矩27Nm,额定功率3.5kW,额定功率电 流为13.3A。 图7为转速500r/min、负载转矩lONm时,一相定子绕组 的电流波形,可以看出定子绕组电流具有较好的正弦性,此时 电机运行平稳,机械噪声很小。

程序开始

变量和转予位置初始化

DSP内核初始化

电流采样求出相 电流零偏移量

电流环、速度环设定

电流、速度PI调节初始化

P删、ADC、QEP初始化

等待状态

图5主程序流程图

/——————、 (程序开始)

\。————————/




d、P轴电流调节


Clark变换

图7定子绕组电流波形



结束
本文设计了基于TMS320LF2407及EPIK50 FPGA的全

j。j,电流采样、定标


l计算转子磁场定向角

数字交流永磁同步电机伺服系统。其中高速、周期性强的信号 如码盘、霍尔、键盘的定时扫描、显示器的动态刷新、保护电 路的快速锁存等由FPGA完成。其它的如模拟信号和串行总 线的处理由DSP完成,其中三环(位置环、电流环、速度环) 控制都由DSP完成。设计结果表明系统具有快速响应性以及 良好的动、静态控制性能。

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fclark逆变换f


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位置和速度调节

(程序结束)
参考文献: [1]李永东.交流电机数字控制系统[M].北京:机械工业出版 社,2002.

图6

PWM定时中断程序流程图

2.2中断服务程序 中断服务程序包括:PWM定时中断程序、功率驱动保护 中断程序和通讯中断程序。其中PWM定时中程序是用来对霍 尔电流传感器采样u、v两相电流i。和i。,进行采样,并定 标。根据磁场定向控制原理,计算转子的磁场定向角,然后来 生成PWM信号,对位置环和速度环进行控制。其流程图如图 6所示。功率驱动保护中断程序则用于检测IPM的故障输出,

[2]刘和平,严利平,张学锋,等.TMS320LF240X DSP结构、原理 及应用I-M].北京:北京航空航天大学出版社,2002. [3]刘胜,彭侠夫,叶瑰昀.现代伺服系统设计[M].哈尔滨:哈 尔滨工程大学出版社,2001. [4]闫 湛,虞鹤杠.基于DSP+FPGA的断路器同步关合控制平台

的研制[M].计算机测量与控制,2006,14(12):1629.

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基于DSP和FPGA的交流伺服系统硬件设计
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 刘汉武, 张艳清, Liu Hanwu, Zhang Yanqing 北京特种机械研究所第五研究室,北京,100143 计算机测量与控制 COMPUTER MEASUREMENT & CONTROL 2010,18(12)

参考文献(4条) 1.闫湛;虞鹤杠 基于DSP+FPGA的断路器同步关合控制平台的研制[期刊论文]-计算机测量与控制 2006(12) 2.刘胜;彭侠夫;叶瑰昀 现代伺服系统设计 2001 3.刘和平;严利平;张学锋 TMS320LF240X DSP结构、原理及应用 2002 4.李永东 交流电机数字控制系统 2002

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsjzdclykz201012055.aspx


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