在現(xiàn)代運動控制進程中，實時測控系統(tǒng)對高速數(shù)字信號處理提出了更高的要求，為了滿足世界范圍內運動控制系統(tǒng)的需要，TI公司推出了一種面向高性能、高精度工業(yè)控制領域的32位定點DSP控制器TMS320F2810，在x240基礎上性能提高了10倍，用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，功能更強大，算法更靈活，多達128k字的FLASH E2PROM、2k字的ROM，能夠滿足大計算量、運算速度高的要求[1];CPLD是一種復雜可編程邏輯器件，采用計算機輔助設計技術把設計生成的數(shù)據(jù)文件配置進芯片內部的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）來完成，具有可重復編程性，可以靈活配置硬件邏輯電路，降低了PCB板的空間和復雜度。將DSP＋CPLD結合并應用與伺服電機控制中，加以改進的控制算法和硬件結構，使整個電機控制系統(tǒng)達到了快速性和穩(wěn)定性的要求。 系統(tǒng)結構 整個控制系統(tǒng)的被控對象為三相120°四級永磁同步電機，編碼器為混合式光電編碼器，采用差分傳遞以提高抗干擾能力。處理器采用為數(shù)字控制系統(tǒng)專用的TMS320F2810芯片，它是整個控制系統(tǒng)的核心，主要負責控制策略和控制算法的實現(xiàn)，并與人機界面進行通信，實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，對伺服系統(tǒng)進行保護和報警顯示等功能，人機界面的核心處理芯片為周立功單片機的7289顯示芯片，主要負責向DSP發(fā)送轉速給定、控制參數(shù)給定、啟動/停止信息等，并實時顯示驅動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)變化。另外，在硬件控制板塊中采用了ALTERA的CPLD-EPM7128,是為某種專門邏輯功能和時序功能而設計的集成芯片，將外部光電編碼器信號等邏輯輸入、輸出引用端等PCB設計完成的大部分工作集成放在芯片設計中進行。這樣不僅可以通過芯片設計實現(xiàn)各種邏輯功能，而且由于端子定義的靈活性，大大減輕了電路設計和電路設計的工作量和難度，從而有效地增強了設計的靈活性，提高了工作效率，便于系統(tǒng)的二次開發(fā)[2]。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示: CPLD的設計 永磁伺服電機穩(wěn)定運行時，其同步轉速以及轉子位置可以通過與轉子同步的光電編碼器所產(chǎn)生的脈沖信號來反映，因光電編碼器產(chǎn)生的脈沖信號含有諧波成份，毛刺較多，為防止DSP讀到誤碼，將轉速、位置脈沖信號送到CPLD邏輯判斷濾除干擾信號，同時起到保護DSP的作用[4]。由于篇幅有限，舉例轉速脈沖信號U+、U-的軟件處理，其VHDL語言描述如下: process（U+, U-，U，ERR） begin if（U+＝‘0‘a(chǎn)nd U-＝‘1‘） then　U<= U+, ERR=0; elsif（U+＝‘0‘a(chǎn)nd U-＝‘0‘） then　U<= Z, ERR=1; elsif（U+＝‘1‘a(chǎn)nd U-＝‘0‘） then　U<= U-, ERR=0; elsif（U+＝‘1‘a(chǎn)nd U-＝‘1‘） then　U<= Z, ERR=1; end; 控制方法原理 在伺服系統(tǒng)中，通過對交流永磁同步電機電磁轉矩的控制，可使電機角位置、速度、加速度滿足指令信號的要求，電機的電磁轉矩與電機電壓、電流的關系是多變量、非線性的。交流電機矢量控制策略是解決這一難題的有效手段[3]。 電機的電磁轉矩T為: T＝KFsFfsinθsf （1） 同步電動機勵磁磁勢的方向在轉子磁極軸線軸上，當定子磁動勢的大小按q軸定向時，θsf＝90°，只要控制了定子磁動勢的大小，就能控制電機的轉矩T,從而實現(xiàn)對電機轉速n的控制。 永磁同步電機的數(shù)學模型如下: Ud＝R id ＋pψd－ωeψq （2） Uq＝R iq ＋pψq＋ωeψd （3） ψd＝Ld id ＋ψf （4） ψq＝Lq iq （5） 其中ωe為轉子旋轉電角度;Ψf為永磁體對應的轉子磁鏈。 將式（3）、（4）、（5）代入式（2）得: Ud＝R id＋p （Ld id＋ψf）－ωeLq iq ＝R id＋Ld p id－ωeLq iq （6） 變換得: Ud＋ωeLq iq＝（R＋Ld p） id （7） 同理得: Uq－ωe（Ld id＋ψf）＝（R＋p Lq） iq （8） 導出電機的電磁轉矩為: 多了個1.5倍的系數(shù)是因為坐標變換采用了幅值不變原則而不是功率不變原則。當id=0時，Te=1.5NpΨfiq，即通過控制iq就可以線性地控制電磁轉矩。系統(tǒng)控制環(huán)路結構如圖2所示。 dq軸電流的控制是通過dq軸電壓的控制來完成的。但dq軸電壓無法直接輸出，需要轉換到三相靜止坐標系中輸出，見圖2系統(tǒng)反饋控制環(huán)路圖。 軟件算法實現(xiàn) 在考慮軟件設計時，必須緊緊依賴其硬件核心F2810的基礎上，要保證工作的實時性，軟件的靈活性和可靠性，軟件設計也采用模塊化設計方法。該軟件主要包括三個部分:初始化模塊、系統(tǒng)控制模塊和通信模塊[5]。下面結合例子介紹DSP實現(xiàn)SVPWM的控制以及軟件實現(xiàn)方法。 空間矢量的計算 當空間合成矢量Uout以Oαβ坐標系上的分量形式Uout、Uoutβ給出時，先用下式計算B0、B1、B2: B0＝Uoutβ B1＝sin60°Uoutα－sin30°Uoutβ B2＝－sin60°Uoutα－sin30°Uoutβ 再用下式計算扇區(qū)號 P=4sign（B2）＋2sign（B1）＋sign（B0）式中:sign（x）是符號函數(shù)。如果x>0,sign（x）=1;如果x<0,sign（x）=0.采用F2810進行空間矢量的計算，軟件實現(xiàn)如下: If Vref1>0 ｛A=1;else A=0;｝ If Vref2>0 ｛B=1;else B=0;｝ If Vref3>0 ｛C=1;else C=0;｝ Sector=4C+2B+A 變量運算 為了能夠采用定點處理器實現(xiàn)浮點運算，系統(tǒng)軟件必須采用適當?shù)亩ū砀袷荆紤]到各種系統(tǒng)參數(shù)，本系統(tǒng)選用Q12定表格示。 注釋:當DSP定時器采用連續(xù)增/減計數(shù)方式，周期寄存器的周期值等于T/2。 其中VDC為母線直流電壓，VDCint為電壓定標系數(shù)，T為PWM的中斷周期。 時間參數(shù)飽和計算 當根據(jù)逆變器單獨輸出零矢量O000和O111時，電動機的定子磁鏈矢量Ψ是不動的。根據(jù)這個特點，在TPWM期間插入零矢量作用的時間t0，使TPWM=t0+t1+t2。其中t0為零矢量導通的時間，t1、t2分別為合成目的矢量相鄰60°定子矢量的作用時間。當計算的時間飽和時，也即t1＋t2 >TPWM時，軟件實現(xiàn)如下: 結語 經(jīng)大量實驗證明，本控制系統(tǒng)將數(shù)字信號處理器與可編程邏輯器件相結合控制效果良好，可靠性高，穩(wěn)定性好，為批量化生產(chǎn)奠定了堅實的基礎。主要優(yōu)點列舉如下: 系統(tǒng)性能提高，由于高速的集成控制器的應用，提高了系統(tǒng)的精度，響應速度，靜動態(tài)性能以及穩(wěn)定性; 可編程能力強，用可編程控制器件實現(xiàn)的控制，算法易于用軟件實現(xiàn)，調試維護方便，而且易于系統(tǒng)的升級; 較高的集成度，大大減小了控制系統(tǒng)的休積，節(jié)省了現(xiàn)場空間; 節(jié)省能源，環(huán)保; 可操作性強，具有友好的人機界面。