基于DSP和FPGA的交流伺服系统硬件设计

匣鋈珂文章编号：１６７１—４５９８（２０１０）１２—２８５３—０３兰篓竺望銎主兰鳖兰中图分类号：ＴＭ３５１文献标识码：Ａ鲨坠基于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、ＨａｒｄｗａｒｅＤｅｓｉｇｎｏｆＡＣＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄＬｉｕＨａｎｗｕ，ＺｈａｎｇＹａｎｑｉｎｇ（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐｅｃｉｆｉｃＭａｃｈｉｎｅｒｙ，ＢｅｉｊｉｎｇＡｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍａｃｈｉｎｅＤＳＰａｎｄＦＰＧＡｓｉｇｎｉｓｉｓｏｎＤＳＰａｎｄＦＰＧＡ１００１４３，Ｃｈｉｎａ）ｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄ．Ａｎｅｗｍｏｔｏｒｓｅｒｖｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｓｏｎｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅｇａｒｄｅｄｔｈｅＴＭＳ３２０Ｆ２４０７ａｎｄｕｓｉｎｇＣ２０００ＥＰｌＫ５０ｔｈｅｃｏｒｅｕｎｉｔｏｎｔＯｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅ—ｏｆｔｈｅｍｏｔｏｒｓｅｒｖｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａｎｄｔｈｅｎｆｉｎｉｓｈｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎａｓｓｅｍｂｌｙｌａｎｇｕａｇｅｂａｓｅｄｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｔｏａｃ—ｅｏｍｐｌｉｓｈｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＣｓｅｒｖｏ；ＤＳＰ；ＦＰＧＡ；ｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅＯ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。万方数据中华测控网ｃｈｉｎａｍｃａ．ｔｏｍ：！！！！：盐篁塑型量量塑型笙！！堂相、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。１．１ＤＳＰ最小系统ＤＳＰ最小系统是指能使ＤＳＰ内核正常运行、以及能对ＤＳＰ进行调试的最简硬件设计。包括ＣＰＵＴＭｓ３２０ＬＦ２４０７、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。图２ＤＳＰ最小系统设计１．２ＦＰＧＡ设计ＦＰＧＡ系统包括：ＦＰＧＡ基本系统、键盘及显示电路、电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中华测控刚万方数据路。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。黼ｌ怿忙刮燧ｌ日显示器动ｌｌ处理ｌ判相控制Ｉｌ检测的旋ｌ“！器≯滞０新控制ｌ｜机｛Ｉ魔告号控制ｍ蹬处理内部数据总线和地址总线ＤＢ（０：１５）ｚｏ控制ｌＩ复位控制Ｉｌ中断控制｜ｌ葬鐾嚣、１ｌ指鑫鐾冲图３ＦＰＧＡ内部逻辑设计１．３ＩＰＭ模块电路设计智能功率模块（简称ＩＰＭ）是ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＰｏｗｅｒＭｏｄｕｌｅ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。一－－‘ｒ＜奉＜忝＜ＲｊｌＺ、Ｚ——Ｔ牟｛—｝ｒ一一一－●＿＿－‘Ｉ＿２ｌ２ｌＺ叫＜丰长李＜图４三相逆变桥原理图２系统软件设计利用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７强大的运算能力、高效的指令系统，ｃｈｉｎａｍｃａ．ｃｏｍ笙！！塑型望茎：箜！垄王旦塑塑兰呈鱼垒塑銮堕堡壁墨篁堡堡望盐：！！！！：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）＼。————————／０商０ｄ、Ｐ轴电流调节－Ｃｌａｒｋ变换图７定子绕组电流波形４结束本文设计了基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７及ＥＰＩＫ５０ＦＰＧＡ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。≤≥≯Ｎ上ｆｃｌａｒｋ逆变换ｆｔｓＶｒ雕０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６ＰＷＭ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．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ＸＤＳＰ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）：１６２９．万方数据中华测控网ｃｈｉｎａｍｃａ．ｃｏｍ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