專利名稱：基于dsp的電機位置伺服裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機位置伺服裝置，特別涉及一種直流無刷電機位置伺服裝置。
背景技術(shù)：
有刷直流電動機具有旋轉(zhuǎn)的電樞和固定的磁場，因此有刷直流電動機必須有一個滑動的接觸機構(gòu)——電刷和換向器，通過它們把電流饋給旋轉(zhuǎn)的電樞，使得在某一磁極下，導(dǎo)體在不斷更替，加電壓的極性不變，這使得有刷電機存在換向火花、壽命短、在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩小、有電磁干擾及維護(hù)不便等缺點。而無刷直流電動機與前者恰相反，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞，這樣的電子換向線路中的功率開關(guān)元件如晶體管或晶閘管等可直接與電樞繞組連接。另外，在電動機內(nèi)裝有一個位置傳感器，用來檢測主轉(zhuǎn)子在運行過程中的位置。它與電子換向線路一起代替了有刷直流電動機的機械換向裝置。在無刷直流電動機中借助反映主轉(zhuǎn)子位置的位置傳感器的輸出信號，通過電子換向線路去驅(qū)動與電樞繞組聯(lián)接的相應(yīng)的功率開關(guān)元件，使電樞繞組依次饋電，從而在主定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，拖動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，位置傳感器不斷送出信號，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向始終不變。
因此，無刷直流力矩電動機除了具有普通永磁直流電動機同樣的機械特性和良好的調(diào)速特性外，還具有無刷直流電動機無火花干擾，壽命長和噪聲低的優(yōu)點，并可在低速甚至堵轉(zhuǎn)的情況下運行，有利于提高系統(tǒng)的運行性能。
傳統(tǒng)的電機驅(qū)動器最早采用模擬電路驅(qū)動方法，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字、模擬控制，隨著DSP(Digital Signal Processor，數(shù)字信號處理器)的發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用，出現(xiàn)了全數(shù)字電機控制器，并且出現(xiàn)了電機控制專用DSP。電機控制專用DSP的出現(xiàn)，為其全數(shù)字電機控制的發(fā)展提供的廣闊的前景。電機控制專用DSP內(nèi)部帶有完善的電機控制所需要的各類信號的產(chǎn)生和檢測單元，大大減輕了DSP內(nèi)部CPU(Center Process Unit，中央處理單元)的負(fù)擔(dān)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是利用無刷直流電機的特性和電機控制專用DSP的豐富硬件資源提供一套高精度的基于DSP的電機位置伺服裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它包括無刷直流電機和控制電路，控制電路包括數(shù)字信號處理器U1、可編程邏輯器件U2、存儲器U3、通訊接口U4、模擬量輸出U5、PWM輸出U6、濾波器U9、顯示板U10、編碼器接口U11、霍耳反饋接口U12、反饋電流接口U13、光電隔離接口U20、電流霍耳檢測U21、浪涌電壓控制U22、電壓檢測U23、狀態(tài)反饋U24、IPM智能功率模塊U30、整流模塊U31和變壓模塊U32，數(shù)字信號處理器U1連接可編程邏輯器件U2、存儲器U3、通訊接口U4、模擬量輸出U5、濾波器U9和顯示板U10，模擬量輸出U5連接外部模擬設(shè)備，通訊接口U4連接外部PC機，可編程邏輯器件U2連接PWM輸出U6、編碼器接口U11、霍耳反饋接口U12和狀態(tài)反饋U24，濾波器U9連接反饋電流接口U13，反饋電流接口U13連接電流霍耳檢測U21，PWM輸出U6連接光電隔離接口U20，光電隔離接口U20連接狀態(tài)反饋U24和IPM智能功率模塊U30，狀態(tài)反饋U24與浪涌電壓控制U22相互連接，電流霍耳檢測U21、電壓檢測U23和IPM智能功率模塊U30連接狀態(tài)反饋U24，220VAC交流電經(jīng)過整流模塊U31和變壓模塊U32連接IPM智能功率模塊U30，IPM智能功率模塊U30連接電流霍耳檢測U21和無刷直流電機，電機的反饋端連接編碼器接口U11和霍耳反饋接口U12。
本發(fā)明還有這樣一些結(jié)構(gòu)特征1、數(shù)字信號處理器U1采用數(shù)字信號處理器DSP2812芯片，包括SPI、PWM、ADC、GPIO、QEPs、MCBSP和eCAN，SPI部分連接模擬量輸出U5，PWM、GPIO和QEPs部分連接可編程邏輯器件U2，ADC部分連接濾波器U9，MCBSP部分連接顯示板U10，eCAN連接通訊接口U4。
2、數(shù)字信號處理器U1內(nèi)包括速度觀測器9和定位伺服裝置控制器單元，定位伺服裝置控制器單元由位置伺服控制器1、速度控制器2、電流控制器3、電動機處理單元4、編碼器5、諧波減速器6、速度前饋控制器7和加速度前饋控制器8構(gòu)成。
3、可編程邏輯器件U2采用CPLDXC9536XL芯片，其濾波整形部分分別連接GPIO和QEPs。
4、可編程邏輯器件U2內(nèi)設(shè)置有系統(tǒng)保護(hù)電路。
5、存儲器U3為SRAM存儲器。
6、通訊接口U4為CAN口。
本發(fā)明采用無刷直流電機作為伺服電機，該位置伺服裝置適用于各種需要快速響應(yīng)的精密位置控制的數(shù)控系統(tǒng)；控制電路通過電機控制專用數(shù)字信號處理器(DSP)可編程邏輯器件獨立設(shè)計，引入了速度觀測器，運用先進(jìn)的數(shù)字式電機控制方式，實現(xiàn)了電機的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，具備良好的魯棒性，可配合多種規(guī)格的伺服電機。該位置伺服裝置可靠性高、功能強、穩(wěn)定性好，可廣泛應(yīng)用于機械、數(shù)控裝備、機電一體化、印刷、紡織、電子、輕工、包裝等領(lǐng)域。
本發(fā)明中控制信號是由上位機通過通訊接口U4給定的角度信號。角度信號經(jīng)U1運算產(chǎn)生速度前饋和角加速度前饋信號。
角度編碼器輸出的信號經(jīng)過編碼器接口U11的電平轉(zhuǎn)換和U2的濾波，輸入到數(shù)字信號處理器U1中的QEPs生成諧波減速器的角度反饋信號，U1將角度反饋信號與給定信號經(jīng)運算產(chǎn)生角度誤差信號。速度編碼器經(jīng)過霍耳反饋接口U12和U2處理后輸入到U1的QEPs生成電機的速度反饋信號，速度反饋信號與速度給定信號運算產(chǎn)生速度誤差信號。電機磁極位置由電機HALL位置傳感器獲得，經(jīng)霍耳反饋接口U12電平轉(zhuǎn)換和U2整形濾波，輸入到U1的GPIO的116、117、110引腳。電機相電流由電流霍耳檢測U21的霍耳電流傳感器檢測，再經(jīng)反饋電流接口U13和U9處理，輸入到U1的ADC，由ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電流反饋信號。電流反饋信號與給定電流信號生成，誤差電流信號(轉(zhuǎn)矩信號)。模擬量輸出U5輸出模擬量的系統(tǒng)反饋和輸出信號。
可編程邏輯器件U2輸出的PWM信號經(jīng)PWM輸出接口U6接口電路輸出到光電隔離接口U20的光電隔離電路，來驅(qū)動IPM智能功率模塊U30，U30輸出三相調(diào)制電壓來驅(qū)動電機?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD完成三方面工作，其一是PWM脈沖的邏輯保護(hù)，其二是對系統(tǒng)反饋的狀態(tài)信號進(jìn)行處理，實現(xiàn)故障響應(yīng)，保護(hù)系統(tǒng)，其三是代替分立邏輯器件和模擬器件，通過對CPLD編程實現(xiàn)的絕對值電路、整形電路、濾波電路。
220V交流電經(jīng)整流模塊U31整流和變壓模塊U32變壓生成直流母線，給IPM智能功率模塊U30供電。浪涌電壓控制回路U22的輸出故障保護(hù)信號輸入到U24狀態(tài)反饋單元。電壓監(jiān)測U23輸出的電壓監(jiān)測信號、電流霍耳檢測U21輸出的過流信號及U30輸出的故障信號也都輸入到狀態(tài)反饋U24。狀態(tài)反饋U24將狀態(tài)反饋信息輸入到U2，U2的控制指令也通過U24執(zhí)行。顯示板U10是顯示和按鍵板電路，用來完成參數(shù)的設(shè)置和顯示。
本發(fā)明的優(yōu)點和效果在于提供了一套高可靠性、高精度、高效、全面實用的電機位置伺服裝置(1)無刷直流電動機具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞，這樣的電子換向線路中的功率開關(guān)元件如晶體管或晶閘管等可直接與電樞繞組連接；另外，在電動機內(nèi)的位置傳感器可以檢測主轉(zhuǎn)子在運行過程中的位置，它與電子換向線路一起代替了有刷直流電動機的機械換向裝置；因此，無刷直流力矩電動機除了具有普通永磁直流電動機同樣的機械特性和良好的調(diào)速特性外，還具有無刷直流電動機無火花干擾，壽命長和噪聲低的優(yōu)點，并可在低速甚至堵轉(zhuǎn)的情況下運行，有利于提高系統(tǒng)的運行性能；(2)以電機控制專用DSP2812芯片為核心，利用其自身A/D轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)了電流閉環(huán)控制；利用其自身的通用I/O口(GPIO)讀取電機轉(zhuǎn)子霍爾位置反饋信號和電機內(nèi)置光電編碼器的電機速度反饋信號，實現(xiàn)了速度閉環(huán)控制；利用其自身正交解碼電路(QEP)完成了對負(fù)載端編碼器的解碼，實現(xiàn)了位置閉環(huán)控制；
(3)采用可編程邏輯器件(CPLD)代替分立邏輯器件和模擬器件，通過對CPLD編程實現(xiàn)的絕對值電路、整形電路、濾波電路集成度高，抗干擾能力強；此外CPLD還完成對DSP輸出PWM脈沖的邏輯保護(hù)功能，并對系統(tǒng)反饋的狀態(tài)信號進(jìn)行處理，實現(xiàn)故障響應(yīng)，保護(hù)系統(tǒng)；另外，大規(guī)模邏輯可編程器件U2與小規(guī)模電路邏輯器件比，增加了集成度，減少了布線密度，提高系統(tǒng)可靠性；(4)傳統(tǒng)的速度反饋信號是對位置反饋信號的簡單微分，這樣會引入很大的相位滯后；本發(fā)明采用速度觀測器對來觀測電機的真實速度，消除了相位滯后，增大穩(wěn)態(tài)裕度，提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)；(5)本發(fā)明引入前饋控制，消除伺服反饋控制的延遲，提高了系統(tǒng)精度；速度環(huán)采用偽微分反饋前饋控制器(PDFF)，通過調(diào)節(jié)前饋參數(shù)，可以使系統(tǒng)在良好的靜態(tài)剛度和快速的動態(tài)響應(yīng)之間靈活選擇；(6)采用智能功率器件(IPM)對電機電壓、電流進(jìn)行監(jiān)控，若電壓電流出現(xiàn)異常，IPM可自行保護(hù)并輸出報警信號，提高了系統(tǒng)可靠性。
圖1為本發(fā)明的伺服裝置原理結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明的可編程邏輯器件的電路原理圖；圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)保護(hù)電路圖；圖4為本發(fā)明的定位伺服裝置控制器單元的構(gòu)成控制方框圖；圖5為本發(fā)明的速度觀測器的構(gòu)成方框圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明如下結(jié)合圖1，本發(fā)明包括無刷直流電機和控制電路，控制電路包括數(shù)字信號處理器U1、可編程邏輯器件U2、存儲器U3、通訊接口U4、模擬量輸出U5、PWM輸出U6、濾波器U9、顯示板U10、編碼器接口U11、霍耳反饋接口U12、反饋電流接口U13、光電隔離接口U20、電流霍耳檢測U21、浪涌電壓控制U22、電壓檢測U23、狀態(tài)反饋U24、IPM智能功率模塊U30、整流模塊U31和變壓模塊U32，數(shù)字信號處理器U1連接可編程邏輯器件U2、存儲器U3、通訊接口U4、模擬量輸出U5、濾波器U9和顯示板U10，模擬量輸出U5連接外部模擬設(shè)備，通訊接口U4連接外部PC機，可編程邏輯器件U2連接PWM輸出U6、編碼器按口U11、霍耳反饋接口U12和狀態(tài)反饋U24，濾波器U9連接反饋電流接口U13，反饋電流接口U13連接電流霍耳檢測U21，PWM輸出U6連接光電隔離接口U20，光電隔離接口U20連接狀態(tài)反饋U24和IPM智能功率模塊U30，狀態(tài)反饋U24與浪涌電壓控制U22相互連接，電流霍耳檢測U21、電壓檢測U23和IPM智能功率模塊U30連接狀態(tài)反饋U24，220VAC交流電經(jīng)過整流模塊U31和變壓模塊U32連接IPM智能功率模塊U30，IPM智能功率模塊U30連接電流霍耳檢測U21和無刷直流電機，電機的反饋端連接編碼器接口U11和霍耳反饋接口U12。數(shù)字信號處理器U1采用數(shù)字信號處理器DSP2812芯片，包括SPI、XD，AD、PWM、ADC、GPIO、QEPs、MCBSP和eCAN，SPI部分連接模擬量輸出U5，XD，AD、PWM、GPIO和QEPs部分連接可編程邏輯器件U2，ADC部分連接濾波器U9，MCBSP部分連接顯示板U10，eCAN連接通訊接口U4。可編程邏輯器件U2采用CPLDXC9536XL芯片，其濾波整形部分分別連接GPIO和QEPs。存儲器U3為RAM存儲器，通訊接口U4為串口CANRS232。
數(shù)字信號處理器U1采用數(shù)字信號處理器DSP2812芯片，包括SPI、XD，AD、PWM、ADC、GPIO、QEPs、MCBSP和eCAN，SPI部分連接模擬量輸出U5，XD，AD、PWM、GPIO和QEPs部分連接可編程邏輯器件U2，ADC部分連接濾波器U9，MCBSP部分連接顯示板U10，eCAN連接通訊接口U4。
數(shù)字信號處理器U1內(nèi)包括速度觀測器9和定位伺服裝置控制器單元。
結(jié)合圖2，可編程邏輯器件U2采用CPLD的XC9536XL芯片，其濾波整形部分分別連接數(shù)字信號處理器U1的GPIO和QEPs部分，CPLD芯片的2-8腳為PWM6-PWM1輸出，分別連接電阻R37-R42到+3.3V電源，7腳為PWM的T1引腳，35腳為PWM的T2引腳，9腳為DRIVE引腳，10、23、31腳接DGND，15腳為TDI_CPLD輸入，30腳為TDO_CPLD輸出，16腳為TMS_CPLD引腳，17腳為TCK_CPLD引腳，20腳為HV_S引腳，22腳為LV_S引腳，24腳連接開關(guān)S1、電容C48到DGND、連接電阻R103到+3.3V電源，21、32、41腳連接+3.3V電源，25-29、33腳為PWM6O、PWM4O、PWM2O、PWM5O、PWM3O和PWM1O引腳，38腳為IPMF_S引腳，39腳為BREAK引腳，可編程邏輯器件的JTAG-CPLD芯片的TCK1腳為TCK_CPLD引腳，GND2腳接DGND，TDI3腳為TDI_CPLD引腳，VCC4腳接+5V電源，TMS5腳為TMS_CPLD引腳，TDO9腳為TDO_CPLD引腳，電容C54-C56連接+3.3V到DGND。
圖2中U1輸出的六路PWM信號PWM1，PWM2，PWM3，PWM4，PWM5，PWM6與U2的PWM1，PWM2，PWM3，PWM4，PWM5，PWM6相連，通過U2電路處理生成OPWM1，OPWM2，OPWM3，OPWM4，OPWM5，OPWM6；U2中T1PWM接U1的T1PWM，為DSP的PWM脈沖封鎖信號；U2中T2PWM接U1的T2PWM，為驅(qū)動板READY信號；U2中的DRIVE為光電隔離器件的使能信號；U2中HV_S是過壓保護(hù)信號、LV_S是欠壓保護(hù)信號、IPMF_S是U30錯誤輸出信號、BREAK是剎車信號。
結(jié)合圖3，可編程邏輯器件U2內(nèi)設(shè)置有系統(tǒng)保護(hù)電路，系統(tǒng)保護(hù)電路中輸入信號母線電壓IPMP連接電阻R81、R82到運放U8A和運放U8B，連接電阻R83、電容C35到P_GND，運放U8A連接電阻R74、電容C11到P_GND、電阻R32到VCC+15V，運放U8A的輸出連接電阻R32到VCC+15V、電阻R71到三極管Q5基電極，三極管Q5共射級到P_GND、集電極輸出連接電阻R53到O1單元，O1單元連接電阻R14到VCC+5V、輸出連接過壓報警信號HV_S，運放U8B連接電阻R55、電容C12到P_GND、電阻R90到VCC+15V，運放U8B的輸出連接電阻R75到VCC+15V、電阻R72到三極管Q6基電極，三極管Q6共射級到P_GND、集電極輸出連接電阻R54到O2單元，O2單元連接電阻R16到VCC+5V、輸出連接欠壓報警信號LV_S。
圖3中母線電壓IPMP通過電阻R81、R82及R83的分壓得到電壓實際檢測電壓Ud，Ud接運放LM339的5腳。高壓報警的基準(zhǔn)電壓通過+15V電壓由R32和R74分壓得到，高壓基準(zhǔn)電壓接LM339的4腳。當(dāng)檢測電壓Ud高于高壓基準(zhǔn)電壓時，比較器翻轉(zhuǎn)，LM339的2腳輸出高壓使Q5導(dǎo)通，O1中通過電流，使HV_S過壓報警信號置高，輸出報警信號。低壓檢測Ud接LM339的6腳。低壓基準(zhǔn)電壓+15V電壓由R90和R55分壓得到，低壓檢測接LM339的7腳。當(dāng)檢測電壓Ud低于低壓基準(zhǔn)電壓時，LM39的1角輸出高壓，使Q6導(dǎo)通。O2通有電流使LV_S欠壓報警信號置高，輸出報警信號。
結(jié)合圖4，定位伺服裝置由位置伺服控制器1、速度控制器2、電流控制器3、電動機處理單元4、編碼器5、諧波減速器6、速度前饋控制器7和加速度前饋控制器8構(gòu)成。上位機連接速度前饋控制器7，并與諧波減速器6連接位置伺服控制器1，位置伺服控制器1和速度前饋控制器7、速度觀測器9連接速度控制器2，速度前饋控制器7連接加速度前饋控制器8，速度控制器2與加速度前饋控制器8、速度觀測器9連接電流控制器3，電流控制器3連接電動機處理單元4和速度觀測器9，電動機處理單元4連接編碼器5，編碼器5連接諧波減速器6和速度觀測器9。
定位伺服裝置控制器單元中位置伺服控制器1與速度前饋控制器7的輸出相加生成速度給定值Vc，Vc一方面連接速度控制器2，一方面乘以前饋增益KFR得到前饋增益輸出，速度指令Vc和速度觀測器9的速度反饋值VF之間的速度偏差乘積分增益KVI得到速度控制器積分增益輸出，前饋增益輸出加上積分增益輸出與速度反饋值VF的差再乘上比例增益KVP得到速度控制器2的輸出。
位置伺服控制器1對總慣性(電動機和諧波減速器6的總慣量)為J的諧波減速器輸出進(jìn)行位置控制，諧波減速器6設(shè)有編碼器，則諧波減速器6的輸出位置θ可由編碼器進(jìn)行檢測。從上位機給定的位置信號指令θ*和諧波減速器之間的位置偏差(θ*-θ)被輸入位置伺服控制器1。位置伺服控制器1是比例控制器，該比例控制器的輸出偏差與位置環(huán)路增益KP相承獲得的值，再加上速度前饋控制器7的輸出作為電動機的速度指令Vc。速度前饋控制器7接受位置指令θ，對位置求微分，并與速度前饋控制器的增益KVF相乘獲得速度前饋控制器7的輸出，該值與位置控制器1輸出相加。在定位伺服控制器中，速度指令直接由位置給定微分獲得，不產(chǎn)生伺服延遲。因此，與近用反饋控制的情況相比，可進(jìn)一步消除伺服延遲。速度反饋由速度觀測器9實現(xiàn)。速度觀測器9根據(jù)電機反饋位置信號和電機反饋電流，來觀測實際的電機速度值。加速度前饋控制器8接受速度前饋控制器7的輸出，對其求微分，并與加速度前饋控制器增益KFR相乘獲得加速度前饋輸出值，該值與速度控制器2輸出相加。速度控制器2是偽微分反饋控制器(PDFF)，控制器有三個參數(shù)KFR、KVI和KVP。速度給定值Vc乘前饋增益KFR得到前饋增益輸出；速度指令Vc和速度觀測器9的速度反饋值VF之間的速度偏差乘積分增益KVI得到速度控制器積分增益輸出；前饋增益輸出加上積分增益輸出與速度反饋值VF的差再乘上比例增益KVP得到速度控制器2的輸出，該值與加速度前饋輸出值相加得到電流(轉(zhuǎn)矩)給定值。速度控制器2中可通過調(diào)節(jié)前饋增益KFR使系統(tǒng)性能在良好的靜態(tài)剛性和快速的動態(tài)響應(yīng)之間做出最優(yōu)的折中。電流控制器接受電流(轉(zhuǎn)矩)指令，生成轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機處理單元4。由于加速度前饋的引入，電流(轉(zhuǎn)矩)指令沒有伺服延遲。如上所述，在圖4的定位伺服裝置中，由反饋控制產(chǎn)生的伺服延遲可通過進(jìn)行速度前饋控制和加速度前饋控制來補償。
結(jié)合圖5，圖中IF是電機反饋的實際電流值，TD是擾動力矩，TE是電機的電磁轉(zhuǎn)矩，VM是電機的實際速度，PM是電機編碼器輸出位置信號，Vo是觀測速度，TEEst是觀測轉(zhuǎn)矩，VF是電機反饋速度。在物理系統(tǒng)中，反饋電流IF由電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT放大，生成電磁轉(zhuǎn)矩TE，電磁轉(zhuǎn)矩TE和擾動力矩TD信號相加經(jīng)1/JT和1/s變換生成實際速度VM，VM再經(jīng)傳感器1/s變換產(chǎn)生傳感器輸出PM電機編碼器輸出位置信號；在模型觀測系統(tǒng)中，反饋電流IF由電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)KTEst放大，生成估計電磁轉(zhuǎn)矩TEEst，電磁轉(zhuǎn)矩TEEst經(jīng)1/JTEst和Tz/(z-1)變換生成觀測速度Vo，觀測速度Vo一方面輸出給速度反饋VF，一方面輸出再經(jīng)Tz/(z-1)變換和電機編碼器輸出位置信號PM相加、減生成觀測器誤差POE，觀測器誤差POE輸出給觀測器，經(jīng)過含有參數(shù)KPO，KIO/S和KDOS的觀測器控制器輸出Do作為反饋，Do再與常數(shù)KTEst相加。
物理系統(tǒng)中電磁轉(zhuǎn)矩TE加上擾動轉(zhuǎn)矩TD構(gòu)成總的轉(zhuǎn)矩，總轉(zhuǎn)矩除上電機和負(fù)載的總慣量產(chǎn)生電機加速度。加速度兩次積分分別生成電機速度值和電機位置值。模型系統(tǒng)與物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很相似，不同之處在于用數(shù)字域差分Tz/(z-1)取代微分s；觀測擾動為觀測器控制器的輸出Do，觀測器控制器為PID控制器，含有參數(shù)KPO，KIO/S和KDOS。在理想情況下，觀測控制器輸出的觀測力矩和擾動力矩相等。在數(shù)字控制系統(tǒng)中，一般速度反饋是位置反饋的簡單微分，這會引入相位延遲，使系統(tǒng)響應(yīng)震蕩。速度觀測器可以消除傳感器反饋信號中固有的相位延遲，增大系統(tǒng)穩(wěn)定裕量。
權(quán)利要求
1.一種基于DSP的電機位置伺服裝置，其特征在于它包括無刷直流電機和控制電路，控制電路包括數(shù)字信號處理器U1、可編程邏輯器件U2、存儲器U3、通訊接口U4、模擬量輸出U5、PWM輸出U6、濾波器U9、顯示板U10、編碼器接口U11、霍耳反饋接口U12、反饋電流接口U13、光電隔離接口U20、電流霍耳檢測U21、浪涌電壓控制U22、電壓檢測U23、狀態(tài)反饋U24、IPM智能功率模塊U30、整流模塊U31和變壓模塊U32，數(shù)字信號處理器U1連接可編程邏輯器件U2、存儲器U3、通訊接口U4、模擬量輸出U5、濾波器U9和顯示板U10，模擬量輸出U5連接外部模擬設(shè)備，通訊接口U4連接外部PC機，可編程邏輯器件U2連接PWM輸出U6、編碼器接口U11、霍耳反饋接口U12和狀態(tài)反饋U24，濾波器U9連接反饋電流接口U13，反饋電流接口U13連接電流霍耳檢測U21，PWM輸出U6連接光電隔離接口U20，光電隔離接口U20連接狀態(tài)反饋U24和IPM智能功率模塊U30，狀態(tài)反饋U24與浪涌電壓控制U22相互連接，電流霍耳檢測U21、電壓檢測U23和IPM智能功率模塊U30連接狀態(tài)反饋U24，220VAC交流電經(jīng)過整流模塊U31和變壓模塊U32連接IPM智能功率模塊U30，IPM智能功率模塊U30連接電流霍耳檢測U21和無刷直流電機，電機的反饋端連接編碼器接口U11和霍耳反饋接口U12。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于DSP的電機位置伺服裝置，其特征在于數(shù)字信號處理器U1采用數(shù)字信號處理器DSP2812芯片，包括SPI、PWM、ADC、GPIO、QEPs、MCBSP和eCAN，SPI部分連接模擬量輸出U5，PWM、GPIO和QEPs部分連接可編程邏輯器件U2，ADC部分連接濾波器U9，MCBSP部分連接顯示板U10，eCAN連接通訊接口U4。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于DSP的電機位置伺服裝置，其特征在于數(shù)字信號處理器U1內(nèi)包括速度觀測器(9)和定位伺服裝置控制器單元，定位伺服裝置控制器單元由位置伺服控制器(1)、速度控制器(2)、電流控制器(3)、電動機處理單元(4)、編碼器(5)、諧波減速器(6)、速度前饋控制器(7)和加速度前饋控制器(8)構(gòu)成，上位機連接速度前饋控制器(7)，并與諧波減速器(6)連接位置伺服控制器(1)，位置伺服控制器(1)和速度前饋控制器(7)、速度觀測器(9)連接速度控制器(2)，速度前饋控制器(7)連接加速度前饋控制器(8)，速度控制器(2)與加速度前饋控制器(8)、速度觀測器(9)連接電流控制器(3)，電流控制器(3)連接電動機處理單元(4)和速度觀測器(9)，電動機處理單元(4)連接編碼器(5)，編碼器(5)連接諧波減速器(6)和速度觀測器(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于DSP的電機位置伺服裝置，其特征在于可編程邏輯器件U2采用CPLDXC9536XL芯片，其濾波整形部分分別連接數(shù)字信號處理器U1的GPIO和QEPs部分，CPLD芯片的2-8腳為PWM6-PWM1輸出，分別連接電阻R37-R42到+3.3V電源，7腳為PWM的T1引腳，35腳為PWM的T2引腳，9腳為DRIVE引腳，10、23、31腳接DGND，15腳為TDI_CPLD輸入，30腳為TDO_CPLD輸出，16腳為TMS_CPLD引腳，17腳為TCK_CPLD引腳，20腳為HV_S引腳，22腳為LV_S引腳，24腳連接開關(guān)S1、電容C48到DGND、連接電阻R103到+3.3V電源，21、32、41腳連接+3.3V電源，25-29、33腳為PWM6O、PWM4O、PWM2O、PWM5O、PWM3O和PWM1O引腳，38腳為IPMF_S引腳，39腳為BREAK引腳，可編程邏輯器件的JTAG-CPLD芯片的TCK1腳為TCK_CPLD引腳，GND2腳接DGND，TDI3腳為TDI_CPLD引腳，VCC4腳接+5V電源，TMS5腳為TMS_CPLD引腳，TDO9腳為TDO_CPLD引腳，電容C54-C56連接+3.3V到DGND。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于DSP的電機位置伺服裝置，其特征在于可編程邏輯器件U2內(nèi)設(shè)置有裝置保護(hù)電路，裝置保護(hù)電路中輸入信號母線電壓IPMP連接電阻R81、R82到運放U8A和運放U8B，連接電阻R83、電容C35到P_GND，運放U8A連接電阻R74、電容C11到P_GND、電阻R32到VCC+15V，運放U8A的輸出連接電阻R32到VCC+15V、電阻R71到三極管Q5基電極，三極管Q5共射級到P_GND、集電極輸出連接電阻R53到O1單元，O1單元連接電阻R14到VCC+5V、輸出連接過壓報警信號HV_S，運放U8B連接電阻R55、電容C12到P_GND、電阻R90到VCC+15V，運放U8B的輸出連接電阻R75到VCC+15V、電阻R72到三極管Q6基電極，三極管Q6共射級到P_GND、集電極輸出連接電阻R54到O2單元，O2單元連接電阻R16到VCC+5V、輸出連接欠壓報警信號LV_S。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于DSP的電機位置伺服裝置，其特征在于存儲器U3為SRAM存儲器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于DSP的電機位置伺服裝置，其特征在于通訊接口U4為CAN口。
全文摘要
本發(fā)明利用無刷直流電機的特性和電機控制專用DSP的豐富硬件資源提供了一套高精度的電機位置伺服裝置，它包括無刷直流電機和控制電路。本發(fā)明采用無刷直流電機作為伺服電機，該電機位置伺服裝置適用于各種需要快速響應(yīng)的精密位置控制的數(shù)控系統(tǒng)，而控制電路通過電機控制專用數(shù)字信號處理器(DSP)可編程邏輯器件獨立設(shè)計，引入了速度觀測器，運用先進(jìn)的數(shù)字式電機控制方式，實現(xiàn)了電機的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的閉環(huán)伺服控制，具備良好的魯棒性，可配合多種規(guī)格的伺服電機。本發(fā)明可靠性高、功能性強、穩(wěn)定性好，可廣泛應(yīng)用于機械、數(shù)控裝備、機電一體化、印刷、紡織、電子、輕工、包裝等領(lǐng)域，是新一代的電機位置伺服裝置。
文檔編號H02P6/14GK1955868SQ200610010578
公開日2007年5月2日 申請日期2006年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月20日
發(fā)明者劉勝, 李冰, 姜繁生 申請人:哈爾濱工程大學(xué)