摘要：基于TMS3201恐812设计的全数字舵机用伺服系统采用电流内环、速度外环、位置最外环的叁闭环控制结构。设计了带有电压泵升电路的主功率电路以及功率管驱动电路，软件采用c 语言模块化编程。对速度计算的改进提高了速度的计算精度和抗干扰能力。试验结果表明，分 析正确，设计合理。
关键词：伺服系统;全数字;无刷直流电动机;舵机;实验
0引 言
近年来，随着稀土永磁材料和电力电子技术的发展以及微处理器DsP性能的提高，永磁无刷直流电动机以其控制简单、输出转矩大、动态响应好、惯量小、可靠性高等优点而得到越来越广泛的研究和应用，尤其作为中小功率高性能调速电机和伺服电机，在航空航天、军事、家电及 工业领域有广阔的应用前景和研究价值。
模拟伺服系统存在很多缺陷，如控制线路体积大，限制了先进控制方法的运用，电路参数受环境影响大，可靠性差等，随着DsP性能的提高，全数字控制得以引入伺服控制器中。
1伺服系统结构与设计
为了实现精确的定位，保证系统的稳定、快速，伺服系统采用叁环控制，框图如图l所示。电流环作为内环，速度环作为外环，位置环作为最外环。位置给定与位置反馈形成偏差，经位置调节后产生速度参考量，它与速度反馈量的偏差经速度调节后形成电流给定量，再与电流反馈的偏差经电流调节输出PwM波形，控制逆变器开关管的开通与关断，从而控制无刷直流电动机，实现位置伺服控制。
单斩上管调制方式可以减少开关管的损耗，避免功率电路与输入电源能量的循环，使系统有更高的效率”。伺服系统采用120。导通区间，上管调制，下管常通。本系统叁个闭环调节器都采用PID控制。电流环控制的对象为两个惯性环节的串连，按照调节器工程设计方法，将电流环校正 成典I型系统，要实现快速的电流跟踪，电流调节器选择PI调节。电流环作为速度环的内环，经调节后可以看作一个惯性环节，故速度环的控制对象是一个惯性环节和一个积分环节的串连。按照调节器工程设计方法，将速度环校正成典型Ⅱ型系统。速度调节器选择PI调节。
一般情况下，伺服系统不希望出现位置响应超调，以免响应精度下降，故将位置环校正成典型I型系统。调节器为P调节。 1.1硬件设计 伺服系统硬件结构如图2所示。系统主要由控制电路、功率放大电路，位置检测电路、采样电路及保护电路等部分组成。
(1)主功率电路及驱动电路设计
为提高定子绕组的利用率，减小转矩脉动以及降低电路成本，逆变器一般采用叁相全桥驱动结构，如图3所示。伺服电机要求能四象限运行。当制动时能量回流到直流侧，对燃料电池来说是不允许的，故直流侧须串二极管DC，保证电流单向流动。回馈的能量给电容cDC充电，过多的能量经电压泵升电路释放。泵升电路采用滞环控制。当cDC电压超过滞环上限值，开通功率管Q。，经电阻RO释放能量;当cDC电压低于滞环下限值，则关断功率管QO。
图4给出设计采用的功率驱动电路。驱动芯片采用带光耦隔离的专用驱动芯片[R3120。为保证功率管可靠关断，采用稳压管IN4733，使其获得一5 V左右的关断电压。
(2)控制电路设计
控制器采用TMs320]?2812作为控制芯片。控制器位置给定和反馈通过AD采样检测直线电位器电压得到。采用电流互感器检测两相电流，因叁相星型连接易得第叁相电流。电流检测经调理电路调理后保证其在采样电路所要求的03 V量程内，然后送至DSP2812的3个_A/D采样口。3个位置间隔120°分布的霍尔位置传感器Hl、H2和H3经整形隔离电路后分别与DsP的3个捕捉引脚相连，通过产生捕捉中断来给出换向时刻，查表得到换向控制字并提供速度计算信号。换向控制字与导通逻辑的对应关系如表1所示。为了保证伺服系统安全运行，本系统设计了硬件过压、欠压保护和过流保护
1.2软件设计
(1)闭环数字实现
伺服系统采用c语言编程。软件由主程序、定时中断程序和捕捉中断叁部分组成。中断子程序如图5和6所示。主程序进行系统初始化，使能 T2周期中断并使能内部中断INl3，等待中断发生，定时中断周期为25μs。位置调节周期为 10 ms。为了提高速度响应，避免起动、停转和大幅加减速时调节器饱和，在普通PI调节器基础上改进为b—g—bang控制。其阀值定为200 r/min，速度调节周期为2.5 ms。速度反馈从霍尔传感器的位置信号得到。电流调节每次定时中断进行一次。电流检测采用T1P下溢起动AD采样，检测叁相电流，检测到的电流进行调零处理后作为电流反馈. 通用定时器GPl设置成连续增计数模式，波形发生器产生非对称PwM波。
1.3速度计算
文献[3]采用两次换向间隔作为固定的角度来计算速度。由于实际的霍尔传感器爪盘很难做到完全对称，所以计算得到的速度误差也较大。如果利用转子旋转一周的间隔来计算速度，则可以很好地消除这种误差。对高速电机而言这种速度计算精度完全满足要求。另转子换向时如果有扰动则有可能使得电机有瞬间的抖动，速度计算出错。故在计算速度时加入抗扰动处理：存储上次位置信号，每次cAP中断，读到的位置信号与前一次比较，判断是否换向正确，否则不予计算速度。这种方法能很好排除速度计算干扰。
2试验结果
基于以上原理分析，设计制作了伺服控制器原理样机。电机额定电压uDC=56 V，额定功率 850 w，2对极;功率管选择IXf、R200NIOP并进行了原理试验。图7为轻载时霍尔信号与电流波形。通道1是霍尔位置信号HALLl，通道2为A 相电流信号。霍尔信号输出为反逻辑：下降沿开通功率管，上升沿关断功率管。图8为A相和B 相电流波形。图9为起动时的速度波形。通道1为速度给定，通道2为速度。速度给定为3 000 r/ min速度反馈能很好地跟踪。
试验结果初步验证了文中的原理分析。控制器性能的优化还需做进一步工作。
3结论
本文进行了DsP全数字伺服控制器的设计，并制作样机。试验结果表明，系统结构简单，控制性能较好。速度计算时巧妙地加入位置捕捉判断，解决了速度计算干扰问题。
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