1 引言
交流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機床、機器人、火炮等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。近年來，隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在交流伺服系統(tǒng)中開始采用各種新穎的器件如數(shù)字信號處理器(ｄｓｐ)、智能功率模塊等，使伺服系統(tǒng)從模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，克服了傳統(tǒng)模擬式伺服系統(tǒng)中存在的零漂、低可靠性以及生產(chǎn)一致性差等問題。進一步提高系統(tǒng)通用性，簡化設(shè)計，研究如何從應(yīng)用系統(tǒng)需求出發(fā)，依一定原則與算法對軟硬件功能進行分析及合理分配，實現(xiàn)系統(tǒng)柔性重構(gòu)成為研究熱點之一。

本文介紹了dsp＋fpga的開放式伺服平臺的設(shè)計。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
如圖1所示，整個平臺分為兩大部分:tms320lf2407a組成伺服平臺的核心部分，主要任務(wù)是采集電流信號，完成控制算法發(fā)出pwm驅(qū)動信號，同時利用其外設(shè)為平臺提供專用接口;cpld/fpga組成平臺的擴展部分，主要任務(wù)是協(xié)助核心部分完成各種擴展接口的設(shè)計并處理平臺的所有邏輯信號。一個開放式系統(tǒng)應(yīng)該在某個應(yīng)用領(lǐng)域具備靈活性、多樣性和可移植性。設(shè)計中盡量減少對核心器件某些單元的專門占用，以cpld/fpga代替之，利用cpld/fpga的在系統(tǒng)可編程能力實現(xiàn)平臺的開放性。

圖1 控制平臺結(jié)構(gòu)框圖

平臺保留對tms320lf2407a事件管理器的占用(以備驅(qū)動多臺電機或者其他用途)，由cpld/fpga完成pwm發(fā)生器和碼盤測速的功能;同時cpld/fpga接收并處理數(shù)控脈沖信號和故障信號;協(xié)助tms320lf2407a完成系統(tǒng)接口功能，包括:isa/pci接口，專用集成電路接口。

3 dsp系統(tǒng)設(shè)計
由上文所述，tms320lf2407a構(gòu)成平臺的控制核心。tms320lf2407a是ti公司開發(fā)的面向電機控制的dsp處理器，采用16位定點c2xx的內(nèi)核，并將實時處理能力和控制器的外設(shè)功能集于單片之中。其主要特點有:

3.1 dsp的特點
(1) 兼容tms320c2xx的特點，指令執(zhí)行速度最快為40mips(25ns)，內(nèi)核與i/o的工作電壓均為3.3v，功耗小，性價比高。

(2) 存儲器結(jié)構(gòu):32k×16位具有可編程保密位的片內(nèi)flash，2.5k×16位的片內(nèi)ram，16位數(shù)據(jù)總線和16位地址總線，可以外擴192k×16位的存儲空間(64k程序存儲器空間，64k數(shù)據(jù)存儲器空間，64k i/o存儲器空間)。

(3) 具有自動程序加載能力，在dsp復(fù)位過程中，可以通過sci或spi將外部存儲器中的程序和數(shù)據(jù)加載到片內(nèi)程序存儲器控制空間的ram。

3.2 面向電機控制的外設(shè)
(1) 片內(nèi)集成了16路10位的a/d轉(zhuǎn)換器，可以編程為兩組8路adc。轉(zhuǎn)換速度最快為375ns，可由內(nèi)部pwm同步信號或外部引腳信號啟動轉(zhuǎn)換。

(2) 片內(nèi)集成兩組事件管理器，每個事件管理器配備兩個16位定時器:可編程設(shè)定定時時間，或用 作計數(shù)器;三相pwm發(fā)生器:以定時器的定時周期為載波周期，可編程死區(qū)時間，可實時產(chǎn)生對稱或非對稱的pwm波形;正交解碼電路:在內(nèi)部進行倍頻，辨向，可與光電碼盤連接，檢測電機轉(zhuǎn)速;三個捕獲單元:捕獲引腳的電平跳變，在永磁同步電機控制中，可用于捕獲轉(zhuǎn)子的“零點”位置;功率保護中斷:當(dāng)pdpint引腳被置為低電平時，pwm發(fā)生器輸出高阻態(tài)并且操作禁止，事件管理器可以產(chǎn)生pdpint中斷，用于過壓、過流和溫升過快等故障的保護。

(3) 可編程的8位sci，16位spi，16位can模塊。
tms320lf2407a是整個伺服平臺的核心，具有高速的運算能力，較高的采樣精度，外設(shè)配置性能和功能較強，能勝任實時性要求高的伺服控制任務(wù)。本平臺用它來實現(xiàn)矢量變換、電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制。

平臺復(fù)用sci接口，通過跳線選擇實現(xiàn)rs232和rs485通訊，收發(fā)器為max232，max485。can總線收發(fā)器為pca82c250。使用74hc257對spi接口復(fù)用，一組用于串行eeprom的操作，另一組用于串行d/a。由于上述收發(fā)器都是5vcmos電平，所以在與3.3v的tms320lf2407a接口時作了電平轉(zhuǎn)換的處理。

4 cpld/fpga系統(tǒng)設(shè)計
平臺的開放性主要是由cpld/fpga靈活的在系統(tǒng)可編程能力實現(xiàn)的。由圖1可知，cpld/fpga包括的單元電路有:三相pwm發(fā)生器、測速單元、數(shù)控接口單元、故障綜合單元、擴展接口單元和地址譯碼單元。

4.1 三相pwm發(fā)生器

圖2 pwm發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

圖2是由cpld/fpga構(gòu)造的三相pwm發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖(圖中只列出了a相，b、c相與a相結(jié)構(gòu)相同)。脈寬寄存器，決定三相pwm信號的脈寬;緩沖寄存器，實現(xiàn)對脈寬數(shù)據(jù)的雙緩沖;周期寄存器，決定pwm的載波周期;死區(qū)寄存器，決定上下橋臂的死區(qū)時間。脈寬寄存器在每個開關(guān)周期中由微處理器更新一次，其輸出數(shù)據(jù)經(jīng)緩沖以后與基準計數(shù)器進行數(shù)值比較，得到三相pwm信號pa、pb、pc。再經(jīng)過死區(qū)電路處理，最后產(chǎn)生6路中心對稱的pwm驅(qū)動信號，驅(qū)動三相逆變器的6個功率器件。

基準計數(shù)器單元在最大計數(shù)值時產(chǎn)生一個同步信號active，當(dāng)它有效時將三個脈寬寄存器的數(shù)據(jù)存入各自的緩沖寄存器，實現(xiàn)雙緩沖，使三個脈寬寄存器在active無效時可依次由微處理器更新而不影響最終的三相同步關(guān)系。同時基準計數(shù)器單元產(chǎn)生一個方向信號int，可作為微處理器的外部中斷源(邊緣觸發(fā)方式)，在pwm開關(guān)周期的起始點產(chǎn)生中斷。

平臺中pwm發(fā)生器使用10mhz外部晶振，作為時鐘信號。在cpu的初始化程序中，cpu配置周期寄存器和死區(qū)寄存器，并在每個pwm開關(guān)周期更新各相脈寬寄存器。該電路并不限制pwm的產(chǎn)生方式，因此也可單獨應(yīng)用于其他系統(tǒng)。例如，研究比較復(fù)雜的智能算法時，此時tms320lf2407a的速度不一定滿足要求，可以由pc機完成算法運算，通過pci/isa總線與平臺中的pwm發(fā)生器接口，產(chǎn)生pwm波。

4.2 測速單元
測速單元通過檢測光電碼盤反饋脈沖數(shù)，計算出電機的反饋速度。圖3為該單元的結(jié)構(gòu)圖。fa、fb為碼盤輸出信號，前后相位相差90°。使用高頻信號clk對fa、fb進行四倍頻和辨向，分解成兩路脈沖f+、f-。當(dāng)f+有脈沖時，16位可逆計數(shù)器增計數(shù);當(dāng)f－有脈沖時，16位可逆計數(shù)器減計數(shù)。cpu每個pwm周期讀取計數(shù)值，兩個相鄰周期的計數(shù)值差值乘以系數(shù)k(與碼盤系數(shù)，pwm周期有關(guān))即為電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速。平臺中clk信號取自10mhz外部晶振。

圖3 測速單元結(jié)構(gòu)圖

上述實現(xiàn)的測速單元使用m法測速，根據(jù)需要也可以設(shè)計為t法測速方式，這種更改對于cpld/fpga來說，非常容易實現(xiàn)。

4.3 數(shù)控接口單元
該單元用來接收數(shù)控機床的脈沖指令，在伺服應(yīng)用系統(tǒng)中，位置指令通常以脈沖的形式給出。一般有三種形式的脈沖:
·方向＋脈沖;
·正反兩路脈沖;
·兩路相差90°的脈沖。

圖4為數(shù)控接口單元結(jié)構(gòu)圖，方式1、2、3分別對應(yīng)三種形式脈沖的處理方式，三種形式的輸入脈沖，最終都處理成兩路脈沖--正向、反向計數(shù)脈沖。根據(jù)實際應(yīng)用情況，通過引腳cs[1]、cs[0]的不同組合選擇經(jīng)過正確方式處理的脈沖進行計數(shù)。計數(shù)器為16位的可逆計數(shù)器，和測速單元的可逆計數(shù)器工作機制完全一樣。

圖4 數(shù)控接口單元結(jié)構(gòu)圖

4.4 擴展接口單元
平臺的擴展接口主要有兩類:專用集成電路接口和isa/pci接口。專用集成電路接口:
提供平臺與某些專用集成電路的接口(如:并行d/a，a/d;旋變檢測電路等)。圖5為該類接口的結(jié)構(gòu)圖。dsp作為主控方，從數(shù)據(jù)總線發(fā)出8bits控制信號，經(jīng)cpld/fpga內(nèi)8位鎖存器鎖存，輸出到專用集成電路，使之按規(guī)定的工作方式工作。然后dsp查詢專用集成電路的狀態(tài)信號，經(jīng)cpld/fpga的8位單向緩沖器，從數(shù)據(jù)總線讀入。根據(jù)狀態(tài)讀取專用集成電路數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。由于很多cpld/fpga器件不支持內(nèi)部三態(tài)總線，所以設(shè)計一個總線開關(guān)切換總線。

圖5 專用集成電路接口結(jié)構(gòu)圖

了和pc機進行數(shù)據(jù)交換，平臺設(shè)計有和pc機isa/pci總線接口的單元?？紤]到伺服控制系統(tǒng)的實時要求很高，在一個pwm周期內(nèi)必須同時讀取多個相關(guān)量，因此不能采用協(xié)議式的并行傳送，而采用了雙口ram的機制，使系統(tǒng)在一個pwm周期內(nèi)完成多個變量的讀寫。圖6為由cpld/fpga構(gòu)造的雙口ram的結(jié)構(gòu)圖。由圖6可知，兩個鎖存器保存寫入的數(shù)據(jù)，設(shè)備由三態(tài)緩沖器讀出數(shù)據(jù)。讀寫仲裁器的作用是防止兩個設(shè)備同時對同一地址進行操作。當(dāng)這一情況發(fā)生時，讀寫仲裁器首先對讀、寫請求判先，使能先發(fā)生的請求，屏蔽后發(fā)生的請求，同時，對后提出請求的設(shè)備插入等待周期，等待周期的長度由先提出請求的設(shè)備完成當(dāng)前操作所需時鐘周期決定。isa總線的iochrdy引腳，pci總線的trdy、irdy引腳，lf2407a的ready引腳可以用來插入等待周期。故障綜合以及地址譯碼單元非常簡單，不做贅述。平臺使用的cpld/fpga器件是altera公司的epf10k10atc144-3。

圖6 isa/pci總線接口單元結(jié)構(gòu)圖

5 實驗結(jié)果分析
為驗證平臺設(shè)計的正確性，基于平臺設(shè)計了全數(shù)字永磁同步伺服系統(tǒng)。系統(tǒng)利用tms320lf2407a實現(xiàn)矢量變換、電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制和svpwm算法，使用了cpld/fpga系統(tǒng)中的pwm發(fā)生器單元、測速單元、數(shù)控接口單元、故障綜合單元和地址譯碼單元。永磁同步伺服系統(tǒng)采用id≡0的矢量控制策略。

本系統(tǒng)采用南京蘇強數(shù)控機電有限公司的sn系列永磁同步伺服電動機，參數(shù)如下:電機額定功率1300w，電機額定轉(zhuǎn)速2000r/min，電機額定電流5.8a，電機額定電壓220v，電機定子電阻0.85ω，電機定子電感7.2mh，電磁時間常數(shù)5.9ms，機械時間常數(shù)1.3ms，轉(zhuǎn)動慣量1.0×10-3kg.m2。光電編碼器系數(shù)2500p/r。電流環(huán)控制周期125μs，位置環(huán)、速度環(huán)控制周期1ms。實驗數(shù)據(jù)中速度濾波周期8ms，電流未濾波。速度量化誤差0.75r/min。

圖7 0～2000r/min的起動速度響應(yīng)曲線


圖8 0～2000r/min的起動力矩電流曲線


圖9 2000r/min的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速曲線


圖10 給定10000個脈沖的定位曲線


圖11 給定1000轉(zhuǎn)/分的位置跟蹤曲線

由圖7-11可看出:
·速度響應(yīng):上升時間約為39ms，超調(diào)量為9％，穩(wěn)定時間約為70ms，2000r/min時的穩(wěn)態(tài)誤差為±0.05%。
·力矩電流響應(yīng):超調(diào)量為34％，上升時間約為4ms，恒流升速時間約為30ms。
·定位狀態(tài):定位時間450ms，定位誤差±1個脈沖，無超調(diào)。
·等速跟蹤狀態(tài):當(dāng)以1000r/min進行等速跟蹤時，最大跟蹤誤差為7個脈沖，無超調(diào)。
【注】:圖10和圖11只是截取了整個位置響應(yīng)過程的一段。

6 結(jié)束語
本文提出的伺服平臺采用dsp＋cpld/fpga的硬件結(jié)構(gòu)，充分利用dsp的高速運算能力和片內(nèi)外設(shè)資源，同時利用cpld/fpga靈活的在系統(tǒng)可編程能力，為平臺提供豐富的接口單元，實現(xiàn)pwm發(fā)生器、測速單元和數(shù)控接口單元，提高了平臺的開放性?；谠撈脚_的永磁同步伺服系統(tǒng)實驗證明了平臺設(shè)計的正確性，平臺可以通過擴展接口單元與其他專用集成電路和pc機接口，為其他應(yīng)用和研究提供了一個有效的實驗平臺。

參考文獻
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作者簡介
張小強 男 工程師 南京市中青年行業(yè)技術(shù)、學(xué)科帶頭人后備人員。南京力源強磁股份有限公司技術(shù)副總，兼南京蘇強機電數(shù)控機電有限公司總經(jīng)理，主要從事永磁同步電動機及驅(qū)動器研制開發(fā)與生產(chǎn)。