基于DSP控制的高精度机械定位系统

　　1 系统总体设计

　　要实现高精度的机械定位，系统须有极小的机械误差和极高的控制精度。系统以 LM 滚动导轨智能组合单元为运动元件，它具有刚性好，精度高，体积小，密封性优良及安装方便等优点。采用32 位定点数字信号处理器 TMS320F2812 为核心控制器，其内部包含2 个事件管理器 EVA 和 EVB，每个事件管理器又包含通用定时器，比较器，PWM 单元，捕获单元及正交编码脉冲单元( QEP) ，它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，并能够实现复杂的控制算法[1]。以永磁同步电动机为驱动元件，它具有结构简单，转动惯量小，效率高，过载能力强，能承受频繁启停及正反转等优点。系统传感器可以选择带 RS -422 输出的光栅尺或是编码器，使用光栅尺时虽然可以忽略由于机械摩擦等引起的误差，但是由于系统行程大，光栅尺上的输出线变长，易受到外界干扰且维护变得困难。该系统选用增量式光电编码器和高精度光电位置传感器，二者都具有体积小，精度高，抗干扰能力强等优点。

　　系统总体设计结构如图1 所示，当位置指令通过现场或上位机注入后，伺服电机在 DSP 的控制下，驱动工作台精确到达指定位置( 系统中有12 个指定位置) 。并将当前给定位置通过现场 LCD 或上位机软件显示，同时，系统具有故障报警功能。

　　2 控制系统原理

　　系统以永磁同步电动机为控制对象，采用电压空间矢量脉宽调制( SVPWM) 方法替代传统的正弦脉宽调制( SPWM) 方法。SVPWM 具有谐波电流和脉动转矩小、效率高、损耗小、便于数字化方案实现等优点[2]。忽略涡流、磁滞和磁路饱和的影响，并假设电动机是线性的，其参数不随其他参数的变化而变化。基于dq0 旋转坐标系，采用转子磁场定向矢量控制理论，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，实现对定子电流空间矢量相位和幅值的控制，使定子正旋磁动势波和永磁转子磁场正交。图2 为永磁同步电动机转子磁场定向矢量控制原理图[4]。

　　如图所示，整个控制部分构成一个双闭环系统。给定位置量θmref与转子位置反馈量θm的偏差经过位置调节器后得到参考转速 nref，nref与转速反馈量n 的偏差经过速度调节器后得到用于转矩控制的 q 轴电流参考分量 isqref，其与电流反馈量 isq的偏差经过电流调节器后输出基于dq0 旋转坐标系的相电压分量 Vsdref; 用于产生磁场的 d 轴电流参考分量 isdref与电流反馈量isd的偏差经过电流调节器后，输出基于 dq0 旋转坐标系的相电压分量Vsqref. Vsdref和 Vsqref通过 Park 逆变换转换成 αβ0 直角坐标系的定子相电压矢量的分量 Vsqref和 Vsβref，最后利用电压空间矢量SVPWM 技术，输出六路 PWM 控制信号对逆变器的 IGBT 进行控制，从而驱动电机旋转。其中，三相逆变器输出的定子电流 iA和 iB可由高精度的霍尔电流传感器测量得到，由于系统是三相三线制，三相电流和为零，即可得出iC。将所测电流值通过DSP 内部集成的12 位A/D 转换器转换后进行 Clarke 变换和Park 变换，得到旋转坐标系中作为电流环负反馈量的的直流分量isq和isd。同时，利用安装在伺服电机上的增量式光电编码器测量电动机的机械转角位移 θm，作为调节电动机转子位置的位置调节器的负反馈量，由其得到用于Park 变换及其逆变换的电角度θe和用于调节电动机转速的速度调节器的负反馈量即转速n。以上所述原理已在系统中采用软件实现[4]。