伺服驱动器硬件设计-中科伺服.doc

小功率伺服硬件设计浅析 李 鹏 （深圳市中科伺服科技有限公司 深圳 广东 518000）【摘要】本文讨论一种输出电流为5.5A的小功率交流永磁同步电机伺服驱动器的硬件构成。首先详述了主控器件资源分配，其次给出了实现伺服电流控制环的逆变与信号隔离电路、电流反馈电路，再次给出了实现伺服位置/速度控制环的脉冲信号采集电路、增量式编码器信号采集接口电路，最后给出了实现伺服功能配置与辅助的RS485通讯接口的电路、数字输入输出接口电路。 【关键词】脉冲信号采集；伺服驱动器硬件；编码器接口电路 Low-power servo drive hardware design Li peng （Shenzhen castdservo Technology Co., Ltd. Shenzhen Guangdong 518000）【Abstract】This article is intended to discuss a hardware of 5.5 A output current of small power PMSM servo drive. Firstly, we describe main device resource allocation in details; Secondly, we give implementation of the servo current control loop contravariance , signal isolation circuit and current feedback circuit; Thirdly, we give implementation of servo position/speed control loop of pulse signal acquisition circuit and incremental encoder signal acquisition interface circuit. Finally we give implementation of servo function configuration and auxiliary RS485 communication interface circuit and digital input/output interface circuit. 【Key words】Pulse signal acquisition; Servo drive hardware; Encoder interface circuit 1概述： 本设计硬件由一块电路板组成，主控单元包括了主控器件、存储芯片。电流环电路包括了整流单元、辅助电源、逆变单元、逆变单元驱动电路、电流反馈检测单元，位置/速度环电路包括编码器信号采集单元、指令脉冲信号采集单元，其它包括数字IO接口单元、制动单元、通迅单元。由于整流与辅助电源部分与其它马达控制产品类似，本文不再做过多讨论。2 主控器件与功能配置：主控器件选用TI推出的基于C和C+语言的高效32位定点DSP芯片TMS320F28232作为控制核心，其最高时钟工作频率可以达到100M，可高效的完成SWPWM、ADC、外设等相关计算与控制，其中AD速率最快可达80ns。其优点是可以实现比较复杂的控制算法。DSP除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的外设接口，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器、异步通讯、CAN总线控制器以及高速的可编程静态RAM和大容量的FLASH存储器等。DSP作为伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体,通过相应的算法输出PWM信号，PWM信号作为驱动电路的驱动信号，来控制逆变器的输出，以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。伺服驱动器需要的功能设计利用TMS320F28232资源做如下分配：l 利用其Epwm单元实现6路PWM控制，实现SVPWM功能，同时利用EPWM接口实现制动功能；l 利用异常中断接口（Tz接口）实现短路、过流等保护，Tz口一旦接收到故障信号可以马上关掉SVPWM输出，保护功率组件。l 利用eQep和CAP功能配合实现PMSM增量式旋转编码器信号的采集，为位置控制、速度控制、力矩控制提供当前的控制信息。l 利用eQep功能实现外部脉冲信号的采集，外部脉冲也是上位机指令给定。l 利用GPIO口实现编码器初始角识别、PWM封锁信号、风扇输出控制、数字输入输出口。l 利用I2C口实现对Eeprom的读写，实现伺服驱动器功能参数保存功能。l 利用SPI口实现键盘、LED显示。l 利用SCI和CAN接口实现伺服驱动器与外部上位机基本的通信功能。l 利用XINTF接口实现外部扩展，可以将POWERLINK等总线功能用该接口实现。3 电流控制环电路3.1驱动信号隔离电路本设计利用高速的光耦实现驱动信号与DSP控制信号直接的电气隔离，本设计选用M453，该器件隔离电压高、共模抑制效果好、速度快，驱动电路如图3-1所示。图3-1 IPM驱动电路3.2 逆变电路本设计中功率器件采用智能功率模块（IPM）为核心设计的逆变电路,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电流故障检测保护电路。IPM是由6个高速、低功耗的IGBT及其驱动电路、驱动保护电路等集成一体的混合电路器件。通过内部集成的保护电路，可实现自我保护功能，若驱动电路的控制电源过压、欠压，或者IGBT过流发时，IPM故障输出端FO口将输出一个低电平信号，本设计中通过光耦隔离后，将故障信号送至DSP的Tz接口，以封锁PWM输出。IPM的配置电路如下图3-2所示。图3-2 IPM配置电路3.电流反馈电路 电流反馈是伺服驱动器内环的反馈环节，主要用于调节输出电流的大小和相位，力矩控制的精度完全取决于反馈环节的精度。本设计电流采样利用精密电阻采样，然后通过线性光耦7840隔离采样，最后通过运算放大器放大。电流采样电阻为8m，额定电流为5.5A时运放电路如图3-3所示：图3-3 运算放大电路l 输入信号：-1.75V, +1.75Vl 输出信号：0, 3Vl 函数关系：y = 0.857 * x + 1.5l 对应输入电流的有效值：-19.3A，+19.3A，即相对额定电流为3.51倍。l 滤波时间常数为：6.8K/5.1K * 1nF + 10K * 0.1nF = 3.9usl 忽略运放带宽的影响，则该电路的传递函数为： （3-1）4位置/速度控制环电路 4.1指令脉冲接收电路 指令脉冲是在位置控制中接收外部脉冲给定的，属于随动控制接口,用QEP2实现了不同脉冲形态的读取。该指令信号接收电路需满足接收0500kHz的输入信号，接口电路如图4-1。图4-1 脉冲信号接收电路4.2 位置/速度反馈脉冲接收电路位置和速度信号的反馈是通过与电机转子刚性连接的正交式光电编码器实现的，光电编码器信号通过滤波电路进入差分转单端芯片DS26LV32A，再通过DS26LV32A的输出口连接到DSP的Eqep接口和CAP接口，实现位置信息和速度信息采集。滤波电路如图4-2所示，采集电路如图4-3所示：图4-2 正交编码器接口前置滤波电路图4-3 正交编码器接口5 其它外设电路 其它接口功能利用DSP外设特性实现，通过GPIO实现DIDO读取与输出；通过SPI实现菜单及键盘的人机交互功能；通过SCI实现RS485总线通讯接口，用于与外部设备信息交换；通过GPIO实现转子初始相位读取。5.1 数字IO接口单元 普通数字输入口只需要接收05kHz的信号，输入接口电路如图5-1，输出接口电路如图5-2所示。图5-1 DI接收电路图5-2 DO输出电路5.2 通迅单元 本文只讨论最常用到的RS485通讯接口，RS485接口常用于PLC与伺服系统之间的通信，用DSP串行数据接口SCI实现，SCI模块支持标准格式的异步外设。RS485驱动芯片采用AD483E。接口电路设计如图5-3所示。图5-3 RS485接收和发送电路6总结 交流永磁同步伺服驱动器硬件的实现方式很多，本设计只是其中一种，就主控器件而言，DSP只是其中一种，现在有很多基于ARM核的单片机和FPGA也同样可以实现伺服驱动器控制。FPGA纯硬件实现伺服控制算法，相比之下，FPGA具有更加快速的计算能力，更加灵活的接口配置能力，特别是在通信总线等信号处理上能更加灵活和方便。