1 引言
近年来，交流伺服系统的应用已经十分广泛，特别是在要求高精度、高响应的应用场合，交流永磁同步电机伺服系统具有非常明显的优势。随着微电子技术和功率电子技术的飞速发展，在交流伺服系统中已经采用了各种新颖的器件如数字信号处理器(DSP)、智能功率模块(IPM)等，使伺服控制器从模拟控制转向数字控制，而数字控制在精度、可靠性以及灵活性等方面的优势，也促使交流伺服系统向全数字化、智能化、小型化方向发展。
本文研究了采用TI公司的新一代低功耗、高速DSP芯片TMS320LF2406的全数字交流伺服控制器的软硬件设计和控制方案。TMS320LF2406采用3.3V供电，在性能上有了进一步的增强，不仅具有更强的实时运算能力，并且集成了丰富的电机控制外围电路，特别适用于对控制器体积、性能要求较高的应用。
2 交流永磁同步电机矢量控制
交流永磁同步电机在磁路不饱和，磁滞及涡流的影响忽略不计，定子三相电流产生的空间磁势及永磁转子的磁通分布呈正弦波形状的条件下，若不考虑转子磁场的凸极效应，即Ld=Lq=L，可得其在d_q坐标系上的状态方程为[1]:
其中R:绕组等效电阻;L:等效电感;p:微分算子(d/dt);Np:电机磁极对数;ωm:转子机械角速度;ψf:转子永磁效应对应的每对磁极磁通;Tl:折算到电动机轴上的总负载转矩;J:折算到电机轴上的总转动惯量。
式(1)中系数矩阵含有变量ωm，所以可知永磁同步伺服电机是一种非线性的控制对象，且d轴电流分量id和q轴电流分量iq之间存在耦合作用，为使永磁同步电动机具有和直流电动机一样的控制性能，通常采用id≡0的线性化解耦控制，即在初始定向A相绕组和d轴重合之后, 始终控制电枢电流矢量位于q轴上,和转子磁链矢量正交。然而从状态方程可以看出，d_q坐标系上的状态变量存在着耦合关系，即vd不仅依赖于id，同时和iq也有关系，这给控制器的设计带来了很大的问题，在通常的模拟方式交流伺服控制器中，只能通过增大电流控制器的增益实现电流矢量的快速跟踪，得到近似线性化的解耦控制效果，而对于全数字化交流伺服控制器，如果知道交流永磁同步电机的感应反电势常数、电枢绕组的电感值，则可以通过完全去耦控制实现精确地线性化控制。现假设感应反电势常数、电枢绕组的电感值已知，那么令:
这样vd_decoupled和vq_decoupled作为电流控制的输出就成为完全解耦的控制量，在d_q坐标系上，电流控制器也可以独立地按照一阶系统设计，再对d_q坐标系上的电流控制器输出进行矢量解耦控制，就得到了实际的d_q坐标系电压矢量，可以产生实际的PWM驱动信号。系统的控制结构框图如图1所示。
3 伺服控制器硬件设计
以数字信号处理器为控制核心的全数字控制器硬件结构如图2所示。从图上可以看出系统主要有以下几部分:控制器核心TMS320LF2406;外围接口电路;功率回路。
(1) TMS320LF2406的基本结构和系统设计
TMS320LF2406与TMS320F240相比，具有了一些新的特点[2,3]:采用了高性能静态CMOS技术，供电电压降低为3.3V，减小了功耗，同时指令执行周期缩短到33ns，从而提高了控制器的实时处理能力;片内包含32K的FLASH程序存储器、544字双存取 RAM和2K字的单存取RAM(可以灵活地配置为数据存储器和程序存储器);片内外设采用统一的外设总线和数据空间连接，其中包含两个事件管理器模块，每个均由两个16位通用定时器、8个16位的脉宽调制(PWM)通道、3个捕获单元以及一套编码器接口电路组成;10位A/D转换器采用序列器灵活编程，在一个转换周期内可以对一个通道进行多次转换，可选择分别由两个事件管理器来触发两个8通道输入A/D转换序列或一个16通道输入的A/D转换序列，A/D转换的最小时间为500ns。从上述的结构特点可以知道， TMS320LF2406作为整个控制器的核心，集成了主要的电机外设控制部件，具有高速的运算能力、较高的采样精度，外设配置性能和功能比较强，非常适合构成单片电机伺服控制器，完成实时性要求高的伺服控制任务。在本系统中利用它来实现矢量变换、电流环、速度环、位置环控制以及PWM信号发生、各种故障保护处理等功能。
(2) 系统接口电路设计
为了使伺服控制器具有紧凑、通用、小型的控制结构，系统在硬件设计上采用单一DSP构成控制器，使系统可以支持位置脉冲输入、模拟速度输入、模拟转矩输入以及通过上位机对系统进行控制等多种方式[4]。
a) 控制接口电路设计:对于位置脉冲输入指令，利用TMS320LF2406的第二个事件管理器模块中的T4计数器对“脉冲+方向”的位置指令进行计数或正交编码电路对两相正交脉冲输入位置指令信号计数;对于模拟速度输入指令，利用DSP中的8个模拟量输入通道进行分时采样，然后采用“过采样”技术有效地提高模拟指令的分辨率。
b) 反馈接口电路:对于位置反馈输入信号，利用TMS320LF2406的第一个事件管理器模块中的正交编码电路对两相正交脉冲输入信号计数;对于电流反馈采样部分，两相电流反馈分别占用DSP的4个模拟输入通道，采用分时采样和“过采样”技术可以将电流反馈的分辨率提高到11位。
c) 外部接口电路:由于TMS320LF2406采用3.3V电源供电，常用的+5V电源供电的I/O接口信号需要进行相应的电平转换才能进入DSP。对于开关类型的I/O信号，电平转换可以采用光电耦合器实现;对于差动输入的位置脉冲信号，可以采用高速光耦合器件如TLP112进行差动隔离接收，在光耦合器件的输出端直接用3.3V电源实现电平转换;对于模拟输入信号，由于常用的控制器模拟输入信号范围为+/-10V，所以必须要用运算放大器进行信号变换，将模拟量信号转换到DSP的模拟输入范围0~3.3V之内;对于PWM输出信号，由于DSP的PWM输出通道的电流能力有限，也需要扩展一个输入为TTL电平的缓冲器电路。
d) 控制器EMI设计要求:TMS320LF2406的供电电源分成了两种，分别是数字电源，包括内核电源+3.3V、I/O电源+3.3V;模拟电源即A/D转换器电源，其中A/D转换器的电源要和数字供电电源隔离，因此在PCB电路设计上要将模拟电源与数字电源严格分离，一件小叔子电路对模拟电路的干扰，这两种电源的参考地在DSP内部进行了连接。比较好的PCB设计是采用4层板工艺，电源和地线在中间两层进行处理。
(3) 主电源电路
伺服系统的主回路逆变器采用智能功率模块PM30CSJ060，该模块采用30A 600V IGBT功率管，内部集成了驱动电路，并设计有过电压、过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路。同时系统设计了软启动电路以减少强电对主回路的冲击。在系统故障保护环节中，设置了主回路过压、欠压、过热、过载、制动异常、光电编码器反馈断线等保护，故障信号由软硬件配合检测，一旦出现保护信号，通过软件或硬件逻辑立刻封锁PWM驱动信号。系统采用磁平衡式霍尔电流传感器CSNE151采样两相电流反馈ia、ib，获得实时的电流信息。系统的控制电源采用开关电源供电，开关电源功率开关器件选用TOP223。
4 系统软件设计
交流永磁同步电机控制器软件包含两个部分，一是 DSP的主程序部分;二是 DSP伺服控制程序，它由四个部分组成:PWM定时中断程序;光电编码器零脉冲捕获中断程序;功率驱动保护中断程序;通讯中断程序。在主程序中完成DSP系统以及外设部件的初始化、I/O控制信号管理、节电模式管理、故障检测及处理等。在PWM定时中断程序中实现电流环采样及控制、矢量控制、PWM信号生成，中断控制周期设定为100us，1ms完成一次速度环和位置环控制，伺服控制器的PWM开关周期设置为10KHz，PWM信号采用空间矢量调制模式;通讯中断程序主要实现接收并刷新伺服控制参数、设置伺服运行模式;光电编码器零脉冲捕获中断程序实现对编码器反馈零脉冲精确地捕获，得到交流永磁同步电机矢量变换磁场定向角度的修正值;功率驱动保护中断程序则检测智能功率模块的故障输出，当出现故障时，DSP的PWM通道将被封锁，强制输出变成高阻态。控制器软件的初始化程序和PWM定时中断程序的流程图如图3所示。
5 结论
本文提出的的交流永磁同步电机全数字控制器的设计方案采用单片TMS320LF2406 ，充分利用了DSP的高速运算能力和丰富的片内外设资源，保证了伺服控制的实时性，有效地简化了硬件设计，使系统的结构更加简洁、紧凑。