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图 4-2 永磁伺服系统矢量控制系统结构图
4-4 永磁交流伺服系统硬件电路
交流伺服系统由交流伺服电动机和伺服控制驱动器两部分组成，控制器的性能直 接影响到伺服电机的运行状态，从而在很大程度上决定了整个控制系统的性能。传统 的模拟控制器虽然具有连续性好、响应速度快、成本低的优点，但也有着本身难以克 服的缺点，如系统调试困难、易受环境温度变化影响产生漂移，难以实现柔性化设计 思想，缺乏实现复杂计算的能力，无法实现现代控制理论指导下的控制算法。由于这 些原因，现代伺服控制器均采用了全数字化系统结构，伺服控制系统的主要控制理论 也采用了现代的矢量控制思想，它实现了电流矢量的幅值控制和相位控制。 系统总体硬件结构。系统的硬件总体上可以分为以下三个部分所示： 第一块电路板为功率电路板，包括 AC-DC 模块，主电路的过压欠压保护，软启动，IPM 模块以及驱动电路，辅助电源电路。
第二块电路板为控制电路板，包括DSP（TMS320F2812） ，CPLD（MAX7128AE） 芯片，DSP电源处理电路、扩展外部存储器 RAM、 电流采样、 编码器接口电路、 RS232通信、仿真及逻辑电平转换、过流保护、模拟信号输入、脉冲信号输入、多路开关量
输入输出接口等电路。这块电路板是整个伺服控制器的核心部分。
第三块电路板完成显示与控制输入功能，包括数码管显示电路以及键盘输入。其 主要功能是显示电机运行时刻的状态，部分故障原因以及完成各种控制信号的输入。 系统的总体结构如图4-3所示。本系统是一个速度和电流反馈的闭环系统。 DSP 控制器负责转换 A/D 转换、计算电机的转速和位置以及电流和速度的 PI 调节，最后运用矢量控制算法，得到电压空间矢量 PWM 的控制信号，再经过光耦隔离电路后，驱动IPM功率开关器件。DSP，CPLD 控制器负责整个系统的的保护和监控，一旦系统出现过压、过电流、欠电压等故障，DSP 将封锁 PWM 输出信号，以保护IPM模块。
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图 4-3 永磁同步电机伺服系统的硬件框图
TMS320F2812 是美国德克萨斯州仪器公司(TI)最新推出的基于代码兼容的TMS320C28×内核的新型高性能 32 位定点数字信号处理器， 它专门为数字控制设计，可实现高性能 DSP 与高精度模拟及闪存的完美结合。F2812 具有高集成度，从而提供了整套的片上系统,同时降低了板级空间及系统成本，实现了更简单、更高效和更经济的设计。功率板主要是负责接收控制板上 DSP 输出的六路 PWM 控制电压信号， 控制IPM给交流电机提供三相电压，激励三相交变电流，从而产生旋转磁场，驱动电机运转IPM 是把功率器件与起控制作用的逻辑电路、驱动电路保护电路和检测电路集成或组装在一起，主要完成驱动信号放大、功率放大、各种保护（包括过电流保护、短路保护、过热保护、欠压保护）等功能，在器件特性上具有 IGBT 的开关特性。本系统选用的 IPM 是三菱公司第三代智能功率模块 PM20CSJ060。 其额定参数为 600V、20A，适用的电机功率为 1.5KW,开关频率最高可达 20KHz13。
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4-5 永磁交流伺服系统的软件设计
在硬件系统已经确定的基础上，系统控制性能的优劣很大程度上就取决于软件，
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控制软件除了灵活性、可靠性和通用性之外，还要具有很好的实用性。因此控制软件的设计在满足实时性的前提下， 充分发挥灵活性， 使系统的控制质量得以提高。按转子磁链定向的 SVPWM 矢量控制系统的软件对实时性、 可靠性和通用性要求都很高，本章结合 TMS320F2812 软件编程的特点，设计整个系统的控制软件。
系统软件整体设计概述。 以 TMS320F2812 为核心组成的矢量控制系统的控制电路中，DSP 承担了系统绝大部分的计算和控制任务。充分利用了 DSP 丰富的软、硬件资源，并依据模块化的编程设计思想， 将系统软件分为两部分:主程序和中断服务程序， 其中中断程序包括定时器下溢中断 INT2 与捕获中断 INT3 以及功率驱动保护中断。 系统在每次复位后， 首先执行初始化程序， 实现对 DSP 内部各功能模块工作模式的设定和初始状态的检测。 完成上述工作后，将中断开启，系统执行主程序。同时，当中断条件满足时，执行相应的中断服务子程序。其中，电机的主要控制策略由定时中断服务子程序来执行。在三个中断子程序中， 外部保护中断子程序的优先级较高。 系统软件结构图如图 4-4 所示。本系统的控制软件设计方案：采用模块化程序设计，主要负责电流采样、位置检与速度计算、矢量变换、PWM 输出以及故障输出等。交流伺服系统控制属于快速性与要求很高的运动控制范围，系统受控状态量的变化是相当快的，这就要求系统的采样周期应该尽可能短，以便对被控状态量进行及时的控制，即交流伺服系统的控制具有很高的实时性要求。因此，在设计和编制系统软件时，要安排好各程序模块的结构和相互间的时序配合，以满足系统的实时性要求。下面主要对主程序设计。
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图 4-3 系统软件结构图
1.伺服系统的主程序设计.主程序主要是完成初始化之后，软件进入循环等待。初始化部分是对系统进行初始化并对控制对象的某些初始信息进行辨识的程序,是程序不可缺少的组成部分之一。只在程序启动时执行一次，它完成一些初始化工作，决定系统的运行模式。其主要工作是完成各种控制寄存器的初始化以及相关参数变量的初始值的设定，诸如对 DSP进行初始化，包括对时钟模块、看门狗模块、事件管理器模块、A/D 转换模块、I/O口的初始化，定时计数器的初始化以及中断初始化等；对变量进行定义和赋初值；转子初始定位等的初始化工作，其程序流程图如图 4-4 所示[14]。
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图 4-4 主程序流程图
2.系统的初始化.系统的初始化包括了DS P系统初始化及其内部各个功能模块的初始化， 功能模块则有E V和ADC。具体设置如下:
DSP系统初始化。DSP 系统的初始化是指 DSP 内核的基本系 统配置， 主要包括了两 个状态寄存器 (ST0&1)、 两个系统控制与状态寄存器(SCSR I &2 ) 、等待状态寄存器 (WSGR )及看门狗寄存器 (WDCR )的设置。具体设置如下 :
SYS_INIT: POINT_PGO
SETC INTM : 屏蔽中断 SPLK #oh， IMR : 不使能中断 SPLK #OFFh， IFR ： 清除全部中断标志
POINT_PGO
CLRC SXM ；清零符号扩展位 CLRC OVM ； 复位溢出模式位 CLRC CNF ；设置BO块指向数据存储段 SPM 0 ；设置乘积方式为0位移 POINT_B0
SPLK #00C0h，GPR0 ；设置1等待状态为I/O空间 OUT GPT0，WSGR POINT_PF1
SPLK #0085h，SCSR2 ；4倍频，ADC 使能， EV1 使能 SPLK #004Fh，SCSR2 ；不能使看门狗 KICK_DOG ； 看门狗清零 RET
事件管理器初始化。事件管理器的初始化包括其内部PWM 发生模块的初始化，针对六路的七段式PWM 波的输出。 PWM 软件模块的初始化设置包括有: 定时器
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