1 引言
交流伺服系統在數控機床、機器人、火炮等領域的應用已經十分廣泛。近年來，隨著微電子技術和電力電子技術的飛速發展，在交流伺服系統中開始采用各種新穎的器件如數字信號處理器(ｄｓｐ)、智能功率模塊等，使伺服系統從模擬控制轉向數字控制，克服了傳統模擬式伺服系統中存在的零漂、低可靠性以及生產一致性差等問題。進一步提高系統通用性，簡化設計，研究如何從應用系統需求出發，依一定原則與算法對軟硬件功能進行分析及合理分配，實現系統柔性重構成為研究熱點之一。本文介紹了dsp＋fpga的交流伺服系統的設計。
2 系統總體結構
如圖1所示，整個系統分為2大部分:tms320lf2407a組成伺服平臺的核心部分，主要任務是采集電流信號，完成控制算法發出pwm驅動信號同時利用其外設為平臺提供專用接口;cpld/fpga組成系統的擴展部分，主要任務是協助核心部分完成各種擴展接口的設計并處理平臺的所有邏輯信號。一個開放式系統應該在某個應用領域具備靈活性、多樣性和可移植性。設計中盡量減少對核心器件某些單元的專門占用，以cpld/fpga代替之，利用cpld/fpga的在系統可編程能力實現系統的開放性。
系統保留對tms320lf2407a事件管理器的占用
圖1 控制平臺結構框圖
(以備驅動多臺電機或者其他用途)，由cpld/fpga完成pwm發生器和碼盤測速的功能;同時cpld/fpga接收并處理數控脈沖信號和故障信號;協助tms320lf2407a完成系統接口功能，包括:isa/pci接口，專用集成電路接口。
3 dsp系統設計
由上文所述，tms320lf2407a構成系統的控制核心。tms320lf2407a是ti公司開發的面向電機控制的dsp處理器，采用16位定點c2xx的內核，并將實時處理能力和控制器的外設功能集于單片之中。
3.1 主要特點
(1) 兼容tms320c2xx的特點，指令執行速度最快為40mips(25ns)，內核與i/o的工作電壓均為3.3v，功耗小，性價比高。
(2) 存儲器結構:32k x 16位具有可編程保密位的片內flash，2.5k x 16位的片內ram，16位數據總線和16位地址總線，可以外擴192k x 16位的存儲空間(64k程序存儲器空間，64k數據存儲器空間，64k i/o存儲器空間)。
(3) 具有自動程序加載能力，在dsp復位過程中，可以通過sci或spi將外部存儲器中的程序和數據加載到片內程序存儲器控制空間的ram。
3.2 面向電機控制的外設
(1) 片內集成了16路10位的a/d轉換器，可以編程為兩組8路adc。轉換速度最快為375ns，可由內部pwm同步信號或外部引腳信號啟動轉換。
(2) 片內集成兩組事件管理器，每個事件管理器配備兩個16位定時器:可編程設定定時時間，或用作計數器;三相pwm發生器:以定時器的定時周期為載波周期，可編程死區時間，可實時產生對稱或非對稱的pwm波形;正交解碼電路:在內部進行倍頻，辨向，可與光電碼盤連接，檢測電機轉速;三個捕獲單元:捕獲引腳的電平跳變，在永磁同步電機控制中，可用于捕獲轉子的“零點”位置;功率保護中斷:當pdpint引腳被置為低電平時，pwm發生器輸出高阻態并且操作禁止，事件管理器可以產生pdpint中斷，用于過壓、過流和溫升過快等故障的保護。
(3) 可編程的8位sci，16位spi，16位can模塊。
tms320lf2407a是整個伺服系統的核心，具有高速的運算能力，較高的采樣精度，外設配置性能和功能較強，能勝任實時性要求高的伺服控制任務。系統用它來實現矢量變換、電流環、速度環、位置環控制。
圖2為pwm中斷服務程序流程圖:
圖2 pwm中斷服務程序流程圖
4 cpld/fpga系統設計
系統的開放性主要是由cpld/fpga靈活的在系統可編程能力實現的。由圖1可知，cpld/fpga包括的單元電路有:三相pwm發生器、測速單元、數控接口單元、故障綜合單元和地址譯碼單元。
(1) 三相pwm發生器
圖3是由cpld/fpga構造的三相pwm發生器結構圖(圖3中只列出了a相，b、c相與a相結構相同)。脈寬寄存器，決定三相pwm信號的脈寬;緩沖寄存器，實現對脈寬數據的雙緩沖;周期寄存器，決定pwm的載波周期;死區寄存器，決定上下橋臂的死區時間。脈寬寄存器在每個開關周期中由微處理器更新一次，其輸出數據經緩沖以后與基準計數器進行數值比較，得到三相pwm信號pa、pb、pc。再經過死區電路處理，最后產生6路中心對稱的pwm驅動信號，驅動三相逆變器的6個功率器件。
圖3 pwm發生器結構圖
基準計數器單元在最大計數值時產生一個同步信號active，當它有效時將三個脈寬寄存器的數據存入各自的緩沖寄存器，實現雙緩沖，使三個脈寬寄存器在active無效時可依次由微處理器更新而不影響最終的三相同步關系。同時基準計數器單元產生一個方向信號int，可作為微處理器的外部中斷源(邊緣觸發方式)，在pwm開關周期的起始點產生中斷。
系統中pwm發生器使用10m外部晶振，作為時鐘信號。在cpu的初始化程序中，cpu配置周期寄存器和死區寄存器，并在每個pwm開關周期更新各相脈寬寄存器。該電路并不限制pwm的產生方式，因此也可單獨應用于其他系統。例如，研究比較復雜的智能算法時，此時tms320lf2407a的速度不一定滿足要求，可以由pc機完成算法運算，通過pci/isa總線與系統中的pwm發生器接口，產生pwm波。
(2) 測速單元
圖4 測速單元結構圖
測速單元通過檢測光電碼盤反饋脈沖數，計算出電機的反饋速度。圖4為該單元的結構圖fa、fb為碼盤輸出信號，前后相位相差90度。使用高頻信號clk對fa、fb進行四倍頻和辨向，分解成兩路脈沖f＋、f－。當f＋有脈沖時，16位可逆計數器增計數;當f－有脈沖時，16位可逆計數器減計數。cpu每個pwm周期讀取計數值，兩個相鄰周期的計數值差值乘以系數k(與碼盤系數，pwm周期有關)即為電機當前轉速。平臺中clk信號取自10mhz外部晶振。
上述實現的測速單元使用m法測速，根據需要也可以設計為t法測速方式，這種更改對于cpld/fpga來說，非常容易實現。
(3)數控接口單元
該單元用來接收數控機床的脈沖指令，在伺服應用系統中，位置指令通常以脈沖的形式給出。一般有三種形式的脈沖:a)方向＋脈沖;b)正反兩路脈沖;c)兩路相差900的脈沖。圖5為數控接口單元結構圖，方式1、2、3分別對應三種形式脈沖的處理方式，三種形式的輸入脈沖，最終都處理成兩路脈沖--正向、反向計數脈沖。
圖5 數控接口單元結構圖
根據實際應用情況，通過引腳cs[1]、cs[0]的不同組合選擇經過正確方式處理的脈沖進行計數。計數器為16位的可逆計數器，和測速單元的可逆計數器工作機制完全一樣。
故障綜合以及地址譯碼單元只涉及簡單的邏輯組合，不做贅述。系統使用的cpld/fpga器件是altera公司的epf10k10atc144-3。
5 實驗結果分析
為驗證系統設計的正確性，基于上述平臺設計了全數字永磁同步伺服系統。系統利用tms320lf2407a實現矢量變換、電流環、速度環、位置環控制和svpwm算法，使用了cpld/fpga系統中的pwm發生器單元、測速單元、數控接口單元、故障綜合單元和地址譯碼單元。永磁同步伺服系統采用 的矢量控制策略。圖6為系統的控制結構框圖。
圖6 全數字pmsm伺服系統控制結構框圖
本系統采用南京力源強磁有限公司的sn系列永磁同步伺服電動機，參數如下:電機額定功率1300w，電機額定轉速2000rpm，電機額定電流5.8a，電機額定電壓220v，電機定子電阻0.85ω，電機定子電感7.2mh，電磁時間常數5.9ms，機械時間常數1.3ms，轉動慣量1.0×10-3kg.m。光電編碼器系數2500p/r。電流環控制周期125us，位置環、速度環控制周期1ms。實驗數據中速度濾波周期8ms，電流未濾波。速度量化誤差0.75r/m。
圖7~圖11為實驗曲線。
圖7 0～2000r/min的起動速度響應曲線
圖8 0～2000rpm的起動力矩電流曲線
圖9 2000rpm的穩態轉速曲線
速度響應:上升時間約為39ms，超調量為9％，穩定時間約為70ms，2000r/min時的穩態誤差為±0.05%。
力矩電流響應:超調量為34％，上升時間約為4ms，恒流升速時間約為30ms。
定位狀態:定位時間450ms，定位誤差±1個脈沖，無超調。
等速跟蹤狀態:當以1000轉/分進行等速跟蹤時，最大跟蹤誤差為7個脈沖，無超調。
[注]:圖10和圖11只是截取了整個位置響應過程的一段。
圖10 給定10000個脈沖的定位曲線
圖11 給定1000rpm的位置跟蹤曲線
6 結束語
本文提出的伺服系統采用dsp＋cpld/fpga的硬件結構，充分利用dsp的高速運算能力和片內外設資源，同時利用cpld/fpga靈活的在系統可編程能力，提供豐富的接口單元，實現pwm發生器、測速單元和數控接口單元，提高了系統的開放性。基于該平臺的永磁同步伺服系統實驗證明了系統設計的正確性。在cpld/fpga設計中進一步加入擴展接口單元設計，則系統可以與其他專用集成電路和pc機接口，為其他應用和研究提供了一個有效的實驗平臺。
參考文獻
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作者簡介
尹 泉(1968-) 男 華中科技大學控制科學與工程系博士后，研究方向:電力電子與運動控制。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
