1 引言

　　随着科学技术的发展，人类在微电子、计算机、电力电子技术和电机制造等诸多领域取得了巨大进步，并直接推动了伺服控制技术的飞速发展和广泛应用。诸如在各种数控设备、工业机器人、大规模集成电路制造、交通运输、载人宇宙飞船、电动工具以及家用电器等领域的应用都日益广泛。本文提出了一种基于DSP和功率模块的电机伺服控制系统设计方案。

　　2 电机伺服控制系统概述

　　从功能上划分，控制系统硬件部分由控制板和驱动板两大部分组成。其中控制工程网版权所有，控制板担负控制运算，变量采集、界面显示及数据通信等任务。图1为控制系统结构框图。

图1 伺服控制系统硬件实现框图

　　使用TI公司的电机控制专用DSP：TMS320LF2407A作为控制板上的主控单元;其外围电路还包括检测三相交流电流的ADC模块、检测电机的转子位置的旋转变压器位置检测模块、面板液晶控制系统及串口通信电路;而驱动板的作用是将控制板输出的弱电控制信号转变为具有一定驱动能力的强电信号并输出到电机。主要由三相逆变桥及其驱动和保护电流组成。采用集成三相桥臂及驱动保护电路的智能电源模块（IPM），使驱动板外围电路的设计实现了最简化，并

　　3 控制系统硬件设计

　　控制系统硬件部分主要控制板和驱动板由两大部分组成。以TMS320LF2407A为运算核心CONTROL ENGINEERING China版权所有，由DSP最小系统，连同数字/模拟量转换模块（ADC）、旋转变压器位置转换器（RDC）、液晶控制系统及RS232收发器部分构成了控制板部分，控制板是整个控制系统核心。

　　3.1 DSP最小系统

　　DSP最小系统是指能使DSP内核正常运行、以及能对DSP进行调试的最简硬件设计，包括DSP芯片本体、电源设计、复位电路设计、JTAG接口设计、调试用外扩RAM设计等。本控制系统中的DSP最小系统均按照TI官方推荐的电路进行设计www.cechina.cn，如图2所示。

图2 DSP最小系统设计

　　如图，电源管理芯片选用TI的TPS7333Q，它不仅能够提供+3.3V，500mA的电源供给DSP及其它低电压外设使用，其第8脚（/RS）还能在上电的同时输出一个宽度为200mS的低脉冲的上电复位信号对DSP进行上电复位。

　　3.2 转子位置检测模块设计

　　电机高精度伺服控制系统需要有高精度的转子磁极位置检测信号以满足伺服系统高精度的控制需要。这也就要求系统配有高性能的转子磁极位置检测元件。目前www.cechina.cn，常用的检测元件主要有光电编码器和旋转变压器。其中控制工程网版权所有，光电编码器精度虽高，但初始位置无法确定，而且价格昂贵、可靠性较低、对机械安装要求较高，故应用较少。而旋转变压器则不然，它的初始位置是确定的，并且结构坚固简单、成本低、检测精度较高，加上其与转换芯片之间传递的信号为低频正弦信号，信号传输不易受噪声的影响，抗干扰能力强。因而在高性能交流伺服系统中得到越来越多的运用。

　　本文中的电机伺服控制系统也采用了一台变磁阻式旋转变压器来检测电机转子位置,为配合12对极的永磁同步电机，选用的旋转变压器也为12对极。旋转变压器转子与永磁同步电机转子同轴并随电机转子旋转控制工程网版权所有，定子则压紧在电机机壳上固定不动，这时，旋转变压器的转子位置即实时反映了电机的转子位置。再使用一片Analog Device公司的旋转变压器信号转换芯片AD2S83，将旋转变压器输出的两路正弦模拟信号同其励磁信号一起转换得到旋转变压器转子，及电机的转子实际位置值。另外，通过特定间隔时间内采集的两个转子位置值，即可求取电机的转速。

　　3.3 模拟量采集、前向通道及数模转换（ADC）电路设计

　　电机伺服控制系统需要对电机的三相相电流和直流侧电压瞬时值进行实时采集。在电气特性上，电机的电压电流瞬时值为强电量，不能直接输入到控制板中而必须经过强弱电隔离并实现对应的转换。在本文的伺服控制系统设计中，通过采用多个电压电流霍尔传感器，实现了强弱电的分离;并通过模拟量前向通道输入到数模转换器（ADC）中实现对模拟量实际值的采集。图3为电流霍尔传感器电路设计。

图3 电流霍尔传感器电路

　　图中，霍尔传感器U17的第2脚和第6脚相连，第3脚和第5脚相连，检测电流从第1脚流入，从第4脚流出。采用这种配置时，初级侧检测电流输入有效值最大为8A，对应的次级侧转换电流输出有效值最大为12mA。第7脚和第8脚为霍尔传感器的电源脚，它与模拟量是不共地的一套单独的电源。第11脚和第9脚之间接负载电阻，阻值为68Ω，其作用是输出平衡并将输出的电流信号转换为易于检测的电压信号。另外，考虑到得到的电压值很低，测量时误差较大，故在霍尔传感器附加设计了一组使用运放TL084构成的同向放大器。

　　3.4 带IPM的逆变桥及隔离设计

　　对交流电机的控制系统而言，逆变桥部分是必不可少的。图4为由六支IGBT管组成的三