基于DSP与功率模块的电机伺服控制系统设计研究

随着科技的跃进，微电子、计算机、电力电子技术及电机制造等领域取得了非凡成就，这些突破直接催生了伺服控制技术的迅猛发展及其在众多领域的广泛应用，如数控设备、工业机器人、集成电路制造、交通、航天、电动工具及家电等。本文提出一种基于DSP与功率模块的电机伺服控制系统设计方案。

20世纪90年代末，数字信号处理技术与超大规模集成电路的飞速进步，催生了高性能、低成本DSP芯片的问世。这些芯片将DSP核心、控制外设和大型片上存储集成于一身，能够实时执行高精度复杂控制算法，缩短传感器采样至控制命令输出的延迟，优化控制动态行为，并通过片上通讯机制简化与其他系统的信息交互，为电机控制系统设计注入新动力。DSP的问世为设计开放式、网络化、高性能的片上驱动控制系统提供了可能，标志着运动控制系统技术发展方向。

机器人学作为近年崛起的综合学科，汇聚了机械、电子、计算机、仿生、自动控制和人工智能等领域的*新成就，代表着机电一体化的巅峰，是科技发展中*活跃的领域之一。机器人技术取得了长足进步，各类机器人如工业、爬壁、排爆、水下机器人等已在生产生活领域广泛应用，发挥着巨大作用。安徽皖南电机行走机器人依赖髋关节和膝关节处的电机提供驱动力矩，由于人行走是复杂周期性往复过程，电机需频繁起停、制动和正反转，并对速度和位置进行伺服控制，对硬件系统提出高要求。

1. 伺服控制系统

伺服系统是一种输出量精确跟踪输入量变化的自动化控制系统。作为闭环自动控制系统的位置随动系统，它在生产过程、运动对象控制、定位、瞄准、跟踪、信号传递和接收等装置中占据重要地位，已成为各种调节系统的重要组成部分。

一个典型的DSP闭环控制系统主要由控制器、被控对象和传感器三个模皖南电机块组成。控制器根据参考指令与反馈信号比较产生的误差，通过控制算法计算出修正信号，发送给被控对象。控制器主要目的是根据控制命令与反馈信号产生适当的修正信号，使系统反应*佳，主要完成控制算法执行，可用模拟、数字或混合方式实现。

2. DSP在控制系统中的应用

为对电机进行速度、位置和电流控制，并实现与上位机通信，设计了关节伺服系统控制框图，主要包括电机、谐波减速器、光电编码器、控制板、驱动板等，共同实现电机伺服控制和助力功能。控制板实现闭环控制和通信，驱动板进行功率放大，驱动电机运转。皖南电机价格表

2.1 DSP的总线模块

为与上位机通信，驱动系统使用了DSP的CAN总线模块，采用标准CAN控制器(SCC)模式，使用前15个邮箱，不使用定时邮递功能。由于关节伺服单元需接收和发送消息，将这些邮箱配置为接收和发送邮箱，不进行接收滤波。通信波特率为1M/s。

2.2 DSP事件管理器模块

此模块为电机控制用模块，DSP中有两个事件管理器EVA和EVB，包括通用定时器、比较单元、捕获单元、PWM逻辑电路、正交编码脉冲电路以及中断逻辑电路等。结合高性能DSP内核和优化外设单元，为所有电机类型提供高速、高效、全变速的先进控制技术。

3. 功率驱动模块

在控制系统中，控制信号不能直接驱动执行装置——电动机，需通过功率放大器件。皖南电机价格表功率放大器件将固定电压电源转换为受控制信号控制的能源，电压、电流或其他参数随控制信号变化。伺服系统中应用*广的直流功率放大器有三种：线性(比例式)功率放大器、开关式功率放大器和晶闸管功率放大器。开关功率放大器通过脉宽调制变换器进行调制，称为PWM调制方法。

3.1 PWM调速原理

PWM驱动利用大功率晶体管的开关特性调制直流电源固定电压，按固定频率接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，通过改变伺服电动机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压大小，从而控制电动机转速。

3.2 电流检测电路

采用IR公司生产的IR2277芯片检测定子三相电流，具有与DSP同步的信号端子。定子电流由芯片检测，输出至DSP的AD转换器，检测到其中两相电流，从而获得定子三相电流信息。皖南电机

3.3 速度检测电路

采用增量式光电编码器检测转速，输出两个相位差90度的方波信号A和B，以及非信号PA、PB和零脉冲PZ信号。控制系统中利用事件管理器的正交编码单元对光电编码器进行检测，A、B分别与正交解码脉冲单元的两个通道QEP1和QEP2相连。正交解码脉冲单元QEP具有方向检测功能，其方向检测逻辑辨明两个序列中哪一个是先导序列，产生方向信号作为所选定时器的方向输入。注意两列正交输入脉冲的两个边沿都被正交解码脉冲单元计数，因此产生的时钟频率是每个输入序列的4倍。

4. 结论

本系统硬件采用DSP控制结构，设计简单紧凑，满足系统矢量控制要求；全数字化控制提高控制精度、功能和抗干扰能力。从典型闭环控制系统的控制算法分析，模拟电路难以实现复杂控制算法，行走机器人对驱动系统要求较高，因此选用基于DSP的全数字电机控制系统。所采用的芯片运算速度快、位数高、片上存储器容量大，具有专门的电机控制模安徽皖南电机块和CAN总线通信功能，以及A/D转换模块，满足控制要求。