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1、2 0 0 4年第 4期 移动 电源与车辆 基 于单 片 DS P的双路直流伺服驱 动 电源设计 胡长义，赵锦成，闫英敏(军械工程学院电 J：程教研室，河北 石家庄0 5 0 0 0 3)摘要：t X-J 某型装备 的数字化改造，介 _ r 一 种基于单 片 D S P的双路伺服驱动 电源设计。本 设计 以单 片 T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A为控制核心、以 I P M模块作为开关器件，产生两路独立输出的伺服电机驱动电源。功率电路采用工 作在单极倍频可逆 P WM模式下的 H桥结构 试验表明，该双路伺服电源工作可靠、动态响应快、噪音低。关键词：D S P驱动电源；H桥；受限单
2、极 中图分类号：T M 3 8 3 4 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 3-4 2 5 0(2 0 0 4)0 4-0 0 0 1-0 3 1 引言 伺服系统是通过对执行电机的控制来实现其伺 服功能的，而对执行电机的控制最终是通过对驱动 电机电源的控制来完成的。因此，在一个伺服系统 的设计 中，伺服 驱 动 电源 的设 计 是 一 个关 键 环节。本文针对某型装备的数字化改造，采用 T I 公 司的 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A作为控制器，设计了一个双路伺服 驱动 电源。某型装备伺服驱动系统，采用的是以电机扩大 机 为功率放大环节 和电流、速度、位置 三闭环结构
3、形 式。采用电机扩大机作为供电电源存在的主要不 足，一是采用 电机 扩大机进行 功率转换，需要发动机 提供驱动动力，体积大、噪声大、效率低；二是电气时 间常数大，实时快 速反应能力不强，动态 响应慢。另 外，整个系统的外围电路多，可靠性较低。为提高装 备的整体性能，我们设计了一种新型驱动电源，取代 了原系统 的电机扩 大机来驱 动系统 随动 2主电路及其工作模式选择 功率变换 电路 由 I P M模块组成 的 H桥 完成，如 图 l 所示，其控制方式为可逆 P WM控制 根据在 一个开关周期内，电枢两端所作用的电压币 功率转 换电路不同桥臂通、断次序组合 的不同，H桥可逆 P WM控制有三种工
4、作模式：一是双饭模式，陔模式 下工作电流脉动大，还需要解决同侧对管直通的问 题，保护电路复杂，限止了开关频率的提高，适用于 功率较小的系统；二是单极模式，分为同频和倍频两 种工作方式。与双极模式相比，该模式下电流脉动 小，波形系数近似为 I，但需要解决同侧桥臂的直通 问题，必须进行死区控制；三是受限单极模式，也分 为同频和倍频两种工作方式。该模式的优点在于运 行可靠，不存在同侧桥臂直通的危险，不需进行死区 控制。因此，P WM的工作频率较高，倍频受限单极 模式可以弥补由于开关频率较低时出现电枢电流断 续的情 况，输 出电流脉动小。因此，本文采用单极受限倍频可逆 P WM 工作 模式。P WM控
5、制信号波形如图 2所示(V a为控制 电压波形，i 为工作电流)。其工作过程为：+；：D i i I；V _ l _-v：_ _ _ _ I i，I P M I l P WM 啦 A DC !I J DSP2407A 图 1 H桥功率变换 电路原理图 正转时，V 2、V 3关断，V 1、V 4控制端分别加相 位相差 9 0。的 P WM信号。当 V a 大于 电机反 电势 E g 时，在 t 一 t 内，V l、V 4通，电枢两端加正向电压 收稿 I 9】：2 0 0 4-0 5 1 4 作者简介：】长义(1 9 7 2 一)，预 l：O D UL 主l婴研究 为f U J 及J 自动化。维普
6、资讯 http:/ 2 Mo v a b l e P o we r S t a t i o n&Ve h i c l e No 4 2 0 0 4 V a；在 t 2-t 3内，只有 V 4通，电枢储 能经 V 4、电机 电 枢、V D 2 续流，电枢丽端电压为 0；在 t 3-t 内，V l、V 4 通，电枢两 端又 加 上正 向电压 V a；在 t 4-t 内，只有 V l 通，电枢储能通过 V l、电机电枢 V D 3 续流。t网厂 广 广一：。：n _ 厂 _ 广 厂、：，：i；图 2 倍频受限单极模式 P WM 波形 反转时，将 V 1 和 V 2、V 3和V 4 信号互换即l【l丁
7、 实 现 电机 的反转 控制。虽然 在 V aE g时没有 能耗制 动能力，但在较高的工作频率下，其快速性并不受到 影 响。由此 可见，在一 个 开 关 周期 T 内，电枢 两端 得 到了2倍于基准频率的电源电压，因此，提高了功率 放大输出电压的波形系数(近似为 1)，工作时订 丁 减 小运行噪声，同时避免了上下桥臂直通的危险，确保 了换 流的可靠 性。3 系统设计 3 1 总体框 图 本文所设计的基于 T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 A的双路伺 服系统如图 3所示。工作过程为：根据主控信号和 反馈的位置信号进行差值后，进行 P I D调节或平方 根调节，形成相应的速度信号；该
8、信号与速度反馈信 号进行差值，差值经过 P I D调节后再与电流反馈信 号 比较，比较后经电流 P I D调节，调节结果作为形成 P WM的比较信号。P WM信号最后通过高速光杷隔 离、放大，按照控制要求驱动 I P M进行工作，从而实 现系统的随动跟踪。3 2双路控 制的实现 T MS 3 2 0 L F 2 4 0 7 A为 r I 公 司生产 的专 门用于 电 机控制的 D S P，该芯片将 D S P内核与众多控制专用 外设集 成在 起，非 常方 便 用 户 开 发应 用。2 4 0 7 A 包含 2个事 件管理器，每个事件 管理器包 括 3个 l 6 位定 时器，并 以定时器 为基
9、础控制 着事 件管理 斡 中 星 位 L A 到 垡 块_r 模块 位置检测 模块 翮 堡 图3 数字伺服驱动系统框 图：执行：电 机1：广。：执行：电 机2：的其它外设，如：比较器、P WM 发生 器、死 区 时间 发 生器等，还 可控 制 A D转换 器 的操 作，同时片 上 3 2 K F L A S H在用户程序、数据量不太大的情况下，可 以满足程序和数据的存储使用。这些特点可方便地 实现由单片 D S P完成对高低、方位直流电机驱动 电 源的控 制。两路 P WM信号的产生分别 由 E V A、E V B两个 事件 管理器 完成。E V A 的定 时器 T l作 为方 位 P WM波
10、周期 计数器，E V B的定 时器 1 3作 为高低 P WM波周期计数器。对位置、转速、电流信号 的采 样由片内 A D完成，采样控制 由 E V B的定时器 T 4 完成，采样周期为一个 P WM周期(0 1 m s)，由此可 以保证 在上一个 P WM周期 中发生 的位 置偏 差 变化 或控制信息，可以在下一个 P WM周期 中得到响应，从而大大提高了系统的响应速度和控制精度。3 3 控制算法 要保证整个系统能够按照控制要求随动，必须 按照一定的控制规律对输入信号或误差信号进行处 理后再作为执行机构的控制量。本系统的位置控制 算法采用变结构控制算法，即非线性控制与 P I D控 制相结合
11、的控制方式：当系统存在大偏差时，采取非 线性控制以保证系统快速性；当存在小偏差时采用 P I D控制以消除偏差实现准确定位。这种控制方式 集中了非线性控制和线性控制的优点，保证 了系统 的快速性和跟踪精度。P I D控制的数字化形式为：)=e(A)+K i e(i)+K d e()-e(k-1)其中、分别为比例、积分、微分系数。非线性控制采用平方根控制，即当系统位置出 现大偏差时需要以最大加速度加速或系统在较大速 度时需要快速减速，则采用平方根控制，其控制算法 维普资讯 http:/ 2 0 0 4年第 4期 移动 电源 与车辆 3 为：u(k)=、2 rI e(k)其中 a 为系统最大加速度
12、。3 4 程序设计 该系统 的软件结构如图 4所示。开机后 D S P 首先进行初始化，设定系统时钟频率，然后在完成对 E V A、E V B模块的 P WM初始化和 A D转换模式的初 始化后，启动 A D转换和 P WM波周期计数 计数；T 4定时 时间到，启 动 A D转换，并 产生 中断请求；在 中断服务程序 中，完成 AD 转换结果 的读取 和数据 图4 程序结构图 处理，同时，根据采样数据判断位置调节算法是采用 P I D控制还 是平方根 控制，最后经 速度 P I、电流 P I D 运算后形成比较数值，分别赋给 T 1、的比较寄存器 T 1P R和T 3 P R，之后由硬件形成
13、P WM信号输出。4结论 根据以上所述，我们设计完成了某型装备伺服 系统的数字化改造，两个执行电机的参数分别为，高 低：额定 功率 3 2 k W，额定 电压 2 2 0 V，额定 转速 4 0 0 0 r m i n，额定 电流 1 7 1 A。方位：额定功率7 5 k W，额定 电压 2 2 0 V，额定转速 3 0 0 0 r rai n，额定 电流 4 0 A；I P M 模 块 选 用 三 菱 公 司 的 P M 2 0 0 D S A 0 6 0，P WM信号与功率电路间采用 H P 4 5 0 4高速光耦进 行隔离；D S P的工作频率为3 0 MH z。开关(P WM)频 率为
14、 1 0 k H z。试验结果表明，该数字伺服系统 和原 系统相比，具有更高的动态响应性能和控制精度，控 制周期由原来的 l O m s(方位)、2 0 m s(高低)提高到 0 2 m s，同时，还大大提高了系统的可靠性，减小 了 体积和运行噪声，提高了电能的利用效率。参考文献：1 秦继荣，沈安俊 现代直流伺服控制技术及其 系统设 计 M 北京：北京机械工业出版社，1 9 9 3 2 唐永哲 电力传动 自动控制系统 M 西安：西安电子 科技大学出版社，1 9 9 8 3 刘和平，王维俊，等 T MS 3 2 0 L F 2 4 0 X D S P C语言开发 应用 M 北京：北京航空航天大学
15、出版社，2 0 0 3 De s i g n o f d o ub l e s e r v o dr i v e-po we r s b a s e d o n s i n g l e DSP HU Ch a n g y i，ZHA0 J i n c h e n g，YAN Yi n g rai n (D e p a r t m e n t o f O p t i c s a T l d E l e c t r o n i c s E n g i n e e r i n g，O r d n a n c e E n g i n e e r i n g C o l l e g e H e b e
16、i ，S h ifi a z h u a n g 0 5 0 0 0 3，C h i n a)Ab s t r a c t：Th i s p a p e r i n t r o d u c e s a d e s i g n o f d o u b l e s e r v o d r i v e p o we r s b a s e d o n s i n g l e D S P i n c e r t a i n a c c o u t e r me n t d i g i t a l c o n v e r s i o n s T h e DS P，3 2 0 I F 2 4 0 7 A，
17、p r o d u c e s t w o c h a n n e l s i g n a l s u s e d t O c o n t r o l t WO s e r v o d r i v e p o w e r s e a c h o t h e r P o we r c i r c u i t，H b r i d g e s t r u c t u i l u n s u n d e r t h e l i mi t e d u n i p o l a r o f d o u b l e ffe q u e n c e r e v e r s i b l e P W M mo d e 1 Ap p l i c a t i o n i n d i c a t e s t h a t t h e s y s t e m i s r e l i a b l e，a n d h a s a q u i c k r e s p o n s e t i me1 o w n o i s e Ke y wo r d s：D S P；s e r v o d r i v e p o w e r；H h r i d g e：l i mi t e d u n i p o l a r 维普资讯 http:/