引言

隨著科學技術的發展，人類在微電子、計算機、電力電子技術和電機制造等諸多領域取得了巨大進步，并直接推動了伺服控制技術的飛速發展和廣泛應用。諸如在各種數控設備、工業機器人、大規模集成電路制造、交通運輸、載人宇宙飛船、電動工具以及家用電器等領域的應用都日益廣泛。本文提出了一種基于DSP和功率模塊的電機伺服控制系統設計方案。

20世紀90年代末，隨著數字信號處理技術及超大規模集成電路的飛速發展，出現了一些高性能、低成本的DSP芯片，它將DSP核和用于控制的外設、大容量的片上存儲器件集成在單一的芯片上，可以實時的執行一些高精度的復雜控制算法，減少傳感器采樣信號到控制命令的輸出之間的延時，改善控制中的動態行為，片上具有的通訊機制可以更容易的實現與其他系統間的信息交互等，這些為電機控制系統的設計注入了新的活力。DSP的出現為設計具有開放式結構和網絡控制功能的高性能的片上驅動控制系統提供了可能，是運動控制系統實現技術的發展方向。

機器人是近年來發展起來的一門綜合學科，它集中了機械工程、電子工程、計算機

工程、仿生學、自動控制工程以及人工智能等眾多學科的最新科研成果，代表了機電一

體化的最高成就，是目前科技發展最活躍的領域之一。目前，機器人技術已經取得了

很大的發展，產生了各種各樣的機器人，如工業機器人，爬壁機器人，排爆機器人，水

下機器人，它們都已經在生產和生活中得到了廣泛的應用，發揮了巨大的作用。行走機器人是靠安置在髖關節和膝關節處的電機來提供驅動力矩，在這個系統中，由于人的行走是一個復雜的、周期性往復的過程，電機需要頻繁的起停、制動和正反轉，同時需要對電機的速度和位置進行伺服控制，這對硬件系統提出了很高的要求。

1伺服控制系統

伺服系統是輸出量以一定精度跟蹤輸入量變化的自動化控制系統。作為閉環自動控制系統的位置隨動系統，它在生產過程和運動對象的控制、定位、瞄準、跟蹤、信號傳遞和接收等裝置中都占有顯著的地位，現已成為各種調節系統的重要組成部分。

一個典型的DSP閉環控制系統如圖1所示，基本上由三個模塊組成：控制器、被控對象和傳感器。控制器根據下達的參考指令與由傳感器測得的反饋信號比較，所產生的誤差再經過控制算法計算出適當的修正信號送給被控對象。其中控制器的主要目的就在于根據控制命令與反饋信號產生適當的修正信號而使系統有最佳的反應，而這個過程主要是完成控制算法的執行，可以用模擬、數字或混合的方式完成。

圖1DSP閉環控制系統框圖

近代控制理論采用的各種控制方法，如適應控制、模糊控制、神經網控制、魯棒控制等，均可用來進行控制系統設計。控制算法多種多樣，但基本上都是由數學方程式組成再加上一些流程控制命令如if…then、go…to等，而查表(TableLook-up)有時也是必需的，所以控制處理器就在于如何運用軟、硬件技術實現控制算法。

2DSP在控制系統中的應用

為了能對電機進行速度、位置和電流的控制，同時也能夠與上位機進行通信，設計了下面的關節伺服系統控制框圖2所示，主要包括電機、諧波減速器、光電編碼器、控制板、驅動板，它們組成一個有機的整體，共同實現電機伺服控制和助力功能。控制板實現電機的閉環控制和通信，驅動板進行功率放大，驅動電機運轉。

圖2伺服系統控制框圖

2.1DSP的總線模塊

為了能夠與上位機進行通信，驅動系統使用了DSP的CAN總線模塊，該模塊屬于增強型eCAN總線模塊。

設計時采用了標準CAN控制器(SCC)模式，只使用了32個郵箱中的前15個郵箱，不使用定時郵遞功能。由于此關節伺服單元既要接收消息，又要發送消息，需要把這些郵箱配置成接收郵箱和發送郵箱，不進行接收濾波。通信波特率配置成1M/s。

2.2DSP事件管理器模塊

此模塊為電機控制用模塊，在DSP中有兩個事件管理EVA和EVB，它們都包括通用定時器、比較單元、捕獲單元、PWM邏輯電路、正交編碼脈沖電路以及中斷邏輯電路等。面向優化的外設單元和高性能DSP內核結合，可以為所有電機類型提供高速、高效和全變速的先進控制技術。

每個事件管理器模塊可以同時產生8路脈寬調制(PWM)信號，包括3對由16位全比較單元產生的死區可編程CMP/PWM信號和由16位通用定時器比較器產生的2路獨立的PWM信號。通過設置不同工作方式，可選擇輸出非對稱PWM波、對稱PWM波或8個空間矢量的PWM波。可以根據需要直接改變PWM輸出頻率；可以在PWM周期內或周期結束后改變PWM脈寬；所具有的自動裝載比較和周期寄存器可以減少CPU的開銷。

在設計中，使用了事件管理器A中的全比較單元來產生帶有死區保護的非對稱PWM波，通過該PWM波來控制H橋電路中6個N溝道MOSFET晶體管的通斷。利用了捕獲單元中的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2組成的正交編碼脈沖(QEP)電路來對光電編碼器產生的正交編碼脈沖進行計數，來計算速度和位置。利用了PDPINTx引腳產生的中斷來對電路進行保護。利用了ADC模塊來采集H橋電路的相電流，實現電流環的閉環控制。

3功率驅動模塊

在控制系統中，控制信號不能直接驅動執行裝置——電動機，因為它不能提供電動機運行所需要的足夠大的功率。控制信號必須通過功率放大器件才能驅動電動機。可以說，功率放大器件把具有固定電壓的電源變成了由控制信號控制的能源，電壓、電流或其他參數隨控制信號變化而變化。伺服系統中應用最廣的直流功率放大器有三種：線性(比例式)功率放大器、開關式功率放大器和晶閘管功率放大器。其中的開關功率放大器是通過脈寬調制變換器進行調制的，稱為PWM調制方法。

3.1PWM調速原理

PWM驅動是利用大功率晶體管的開關特性來調制直流電源的固定電壓，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據需要來改變一個周期內“接通”與“斷開”時間的長短，通過改變伺服電動機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。如圖3所示為PWM控制原理圖。

圖3PWM控制原理圖

3.2電流檢測電路

電機的定子三相電機的檢測采用IR公司生產的一款在電機控制器中檢測相電流的芯片IR2277。該芯片具有與DSP同步的信號端子。定子電流由芯片檢測，輸出到DSP的AD轉換器，檢測到其中兩相的電流，從而獲得定子三相電流的信息。如圖所示為電機控制系統框圖。

圖4電機控制系統框圖

3.3速度檢測電路

采用增量式光電編碼器檢測轉速。它輸出兩個相位差90度的方波信號A和B，及非信號PA、PB和零脈沖PZ信號。控制系統中利用事件管理器的正交編碼單元對光電編碼器進行檢測，A、B分別與正交解碼脈沖單元的兩個通道QEP1和QEP2相連。正交解碼脈沖單元QEP具有方向檢測功能，它的方向檢測邏輯辨明兩個序列中哪一個是先導序列，接著可以產生方向信號作為所選定時器的方向輸入。注意兩列正交輸入脈沖的兩個邊沿都被正交解碼脈沖單元計數，因此產生的時鐘頻率是每個輸入序列的4倍。

4結論

本系統硬件上采用DSP的控制結構，電流設計簡單、緊湊，能夠滿足系統矢量控制要求；同時全數字化的控制能使系統在控制精度、功能和抗干擾能力上都有很大提高。從典型閉環控制系統的控制算法上分析,模擬電路難以實現復雜的控制算法,行走機器人對驅動統的要求比較高，因此選用了基于DSP的全數字電機控制系統，所采用的芯片的運算速度快，位數高，片上存儲器容量大，具有專門的電機控制模塊和CAN總線通信功能，具有A/D轉換模塊，很好地滿足了控制要求。