摘要：基于TMS3201恐812設計的全數字舵機用伺服系統采用電流內環、速度外環、位置最外環的叁閉環控制結構。設計了帶有電壓泵升電路的主功率電路以及功率管驅動電路，軟件采用c 語言模塊化編程。對速度計算的改進提高了速度的計算精度和抗干擾能力。試驗結果表明，分 析正確，設計合理。
關鍵詞：伺服系統;全數字;無刷直流電動機;舵機;實驗
0引 言
近年來，隨著稀土永磁材料和電力電子技術的發展以及微處理器DsP性能的提高，永磁無刷直流電動機以其控制簡單、輸出轉矩大、動態響應好、慣量小、可靠性高等優點而得到越來越廣泛的研究和應用，尤其作為中小功率高性能調速電機和伺服電機，在航空航天、軍事、家電及 工業領域有廣闊的應用前景和研究價值。
模擬伺服系統存在很多缺陷，如控制線路體積大，限制了先進控制方法的運用，電路參數受環境影響大，可靠性差等，隨著DsP性能的提高，全數字控制得以引入伺服控制器中。
1伺服系統結構與設計
為了實現精確的定位，保證系統的穩定、快速，伺服系統采用叁環控制，框圖如圖l所示。電流環作為內環，速度環作為外環，位置環作為最外環。位置給定與位置反饋形成偏差，經位置調節后產生速度參考量，它與速度反饋量的偏差經速度調節后形成電流給定量，再與電流反饋的偏差經電流調節輸出PwM波形，控制逆變器開關管的開通與關斷，從而控制無刷直流電動機，實現位置伺服控制。
單斬上管調制方式可以減少開關管的損耗，避免功率電路與輸入電源能量的循環，使系統有更高的效率”。伺服系統采用120。導通區間，上管調制，下管常通。本系統叁個閉環調節器都采用PID控制。電流環控制的對象為兩個慣性環節的串連，按照調節器工程設計方法，將電流環校正 成典I型系統，要實現快速的電流跟蹤，電流調節器選擇PI調節。電流環作為速度環的內環，經調節后可以看作一個慣性環節，故速度環的控制對象是一個慣性環節和一個積分環節的串連。按照調節器工程設計方法，將速度環校正成典型Ⅱ型系統。速度調節器選擇PI調節。
一般情況下，伺服系統不希望出現位置響應超調，以免響應精度下降，故將位置環校正成典型I型系統。調節器為P調節。 1.1硬件設計 伺服系統硬件結構如圖2所示。系統主要由控制電路、功率放大電路，位置檢測電路、采樣電路及保護電路等部分組成。
(1)主功率電路及驅動電路設計
為提高定子繞組的利用率，減小轉矩脈動以及降低電路成本，逆變器一般采用叁相全橋驅動結構，如圖3所示。伺服電機要求能四象限運行。當制動時能量回流到直流側，對燃料電池來說是不允許的，故直流側須串二極管DC，保證電流單向流動。回饋的能量給電容cDC充電，過多的能量經電壓泵升電路釋放。泵升電路采用滯環控制。當cDC電壓超過滯環上限值，開通功率管Q。，經電阻RO釋放能量;當cDC電壓低于滯環下限值，則關斷功率管QO。
圖4給出設計采用的功率驅動電路。驅動芯片采用帶光耦隔離的專用驅動芯片[R3120。為保證功率管可靠關斷，采用穩壓管IN4733，使其獲得一5 V左右的關斷電壓。
(2)控制電路設計
控制器采用TMs320]?2812作為控制芯片。控制器位置給定和反饋通過AD采樣檢測直線電位器電壓得到。采用電流互感器檢測兩相電流，因叁相星型連接易得第叁相電流。電流檢測經調理電路調理后保證其在采樣電路所要求的03 V量程內，然后送至DSP2812的3個_A/D采樣口。3個位置間隔120°分布的霍爾位置傳感器Hl、H2和H3經整形隔離電路后分別與DsP的3個捕捉引腳相連，通過產生捕捉中斷來給出換向時刻，查表得到換向控制字并提供速度計算信號。換向控制字與導通邏輯的對應關系如表1所示。為了保證伺服系統安全運行，本系統設計了硬件過壓、欠壓保護和過流保護
1.2軟件設計
(1)閉環數字實現
伺服系統采用c語言編程。軟件由主程序、定時中斷程序和捕捉中斷叁部分組成。中斷子程序如圖5和6所示。主程序進行系統初始化，使能 T2周期中斷并使能內部中斷INl3，等待中斷發生，定時中斷周期為25μs。位置調節周期為 10 ms。為了提高速度響應，避免起動、停轉和大幅加減速時調節器飽和，在普通PI調節器基礎上改進為b—g—bang控制。其閥值定為200 r/min，速度調節周期為2.5 ms。速度反饋從霍爾傳感器的位置信號得到。電流調節每次定時中斷進行一次。電流檢測采用T1P下溢起動AD采樣，檢測叁相電流，檢測到的電流進行調零處理后作為電流反饋. 通用定時器GPl設置成連續增計數模式，波形發生器產生非對稱PwM波。
1.3速度計算
文獻[3]采用兩次換向間隔作為固定的角度來計算速度。由于實際的霍爾傳感器爪盤很難做到完全對稱，所以計算得到的速度誤差也較大。如果利用轉子旋轉一周的間隔來計算速度，則可以很好地消除這種誤差。對高速電機而言這種速度計算精度完全滿足要求。另轉子換向時如果有擾動則有可能使得電機有瞬間的抖動，速度計算出錯。故在計算速度時加入抗擾動處理：存儲上次位置信號，每次cAP中斷，讀到的位置信號與前一次比較，判斷是否換向正確，否則不予計算速度。這種方法能很好排除速度計算干擾。
2試驗結果
基于以上原理分析，設計制作了伺服控制器原理樣機。電機額定電壓uDC=56 V，額定功率 850 w，2對極;功率管選擇IXf、R200NIOP并進行了原理試驗。圖7為輕載時霍爾信號與電流波形。通道1是霍爾位置信號HALLl，通道2為A 相電流信號。霍爾信號輸出為反邏輯：下降沿開通功率管，上升沿關斷功率管。圖8為A相和B 相電流波形。圖9為起動時的速度波形。通道1為速度給定，通道2為速度。速度給定為3 000 r/ min速度反饋能很好地跟蹤。
試驗結果初步驗證了文中的原理分析。控制器性能的優化還需做進一步工作。
3結論
本文進行了DsP全數字伺服控制器的設計，并制作樣機。試驗結果表明，系統結構簡單，控制性能較好。速度計算時巧妙地加入位置捕捉判斷，解決了速度計算干擾問題。
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