一种全数字控制的直流伺服驱动器的设计

0.引言直流伺服系统发展历史悠久，一直以来以其能在大范围内实现精密的速度和位置控制以及高质高效的平滑运转特性在传动领域占有重要的地位。

而直流伺服驱动器作为整个直流伺服系统的核心控制部分，也随着新型半导体技术和数字控制器的发展而飞速发展。

目前，以DSP 为微控制器的直流伺服驱动器的研究在国内尚属于一个较新的领域，还未形成成熟的产品市场，并且它也将是直流伺服驱动器的一个发展趋势。

1.系统硬件设计系统主要包括了控制模块，功率输出模块，反馈信号采集模块，通讯模块以及电源模块等，系统整体硬件框架如图1所示。

图1系统硬件框架图1.1全数字控制方式电机控制器的发展经历了从模拟控制器向数字控制器的转变过程，早期的模拟控制器因其参数易受外界环境的影响而导致控制效果不理想。

与模拟控制器相比，数字控制器具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。

尤其是当今高性能数字信号处理器DSP 的发展，它为电机控制领域开创了革新性的局面。

本文采用美国TI （德州仪器）公司的一款电机控制专用定点DSP 芯片TMS320F2802作为主控制器，它几乎集成了电机控制需要的所有外设功能，包括模数转换接口ADC ，PWM 发生器，码盘反馈信号输入接口QEP ，CAN 、RS232通讯接口等等，在提高电机控制的快速灵活性的同时又不失精确度。

此外，由于DSP 数据处理能力强大，这就为先进控制策略的运用提供了良好的前提条件，提高了控制系统的品质。

1.2驱动有刷直流电机和无刷直流电机的双重功能无刷直流电机发展迅速，它在保持传统直流电机优越的调速性能基础上，克服了原来机械换向和电刷引起的一系列问题，在现代社会各个领域均有较好的运用。

但是在一些运动控制精度要求不是很高，控制简单的经济性应用中，低成本的直流有刷电机依然是一个适宜的选择。

为拓宽直流伺服驱动器的使用范围，满足两类电机的需求，功率输出部分采用6个MOSFET 管组成的桥式电路。

通过软件的初始化设置选择导通4个功率管驱动有刷电机抑或是导通6个功率管驱动无刷电机。

MOSFET 管接收来自DSP 的PWM 信号控制自身开通与关断的时序，进而控制电机的运转方向以及速度。

如图2所示，当驱动有刷电机时，Q5、Q6闲置，U 、V 两相与电机相连接，Q1、Q4导通，Q2、Q3截止时，电机正转；反之，电机反转，转速与PWM 占空比相关联。

当驱动无刷电机时，(Q1，Q4)、(Q1，Q6)、(Q3，Q6)、(Q3，Q2)、(Q5，Q2)、(Q5，Q4)两两导通的顺序由电机UVW 三相上的霍尔传感器反馈回来的换相顺序决定。

图2功率输出电路图1.3实时以太网EPA 标准的运用目前，运用在直流伺服系统上的主流通讯方式为RS232和CAN ，本文的设计除实现以上两种通讯方式之外，还结合采用了EPA （Ether-net for Plant Automation）实时以太网技术。

RS232通讯速率较低，通讯距离较短，一般用于20米以内的通信，通常较为适合实验室场所调试之用。

CAN 的通讯距离和通讯速率相较于RS232而言都提高许多，是目前应用较为成熟也较为广泛的一类总线通讯协议。

而新兴的实时以太网EPA 标准由于是通过以太网进行数据交换，因此具有比前两者更快的通讯速率和更长的通讯距离，并且该标准解决了通信确定性和实时性、总线供电、互可操作、可靠性与抗干扰性、网络安全等关键技术，更好地适应了日益复杂的工业现场控制需求。

该研究中运用EPA 实现直流伺服模块与上位机之间通讯的过程为：上位机首先将控制指令发送给EPA 模块，EPA 模块对接收到的指令进行解析，解析完成之后产生一个触发信号，DSP 收到该触发信号后通过SPI 接口接收解析之后的数据包并执行相应的数据计算与处理过程，同时返回给上位机一个报警状态显示驱动器是否处于正常工作状态。

2.系统软件设计系统软件架构由主程序和中断服务子程序组成。

主程序主要完成系统的初始化，包括控制寄存器（系统时钟、系统状态寄存器）初始化，I/O 端口初始化，中断设置（中断源和中断类别）初始化以及变量初始化。

中断服务子程序是整个系统控制功能实现的核心组成部分，由控制算法和通信子程序构成。

2.1控制结构图3系统控制框图系统控制框图如图3所示，实现了位置环、速度环、电流环三环闭环控制，三环相扣，最终实现对电机速度和位置的精确控制。

位置环主基金项目：本文系湖南省自然科学基金（No.K071174821），2010年度湖南省教育厅科学研究项目《构架电阻炉模糊控制系统的设计与实现》（课题编号：10C0232）。

作者简介：唐春林（1974-），男，湖南株洲人，讲师/工程师，中南大学硕士生，主要研究方向为智能控制。

一种全数字控制的直流伺服驱动器的设计湖南铁道职业技术学院唐春林［摘要］针对机器人一体化关节的运动控制为背景，提出了一种先进的低压直流伺服的设计方法，在硬件设计上，既可驱动直流有刷电机又可驱动直流无刷电机，拓宽了该直流伺服驱动器的应用范围；配备EPA（Ethernet for Plant Automation ）实时以太网通讯接口，通讯速率高且数据传输的确定性和实时性好。

在软件设计上，采用三环闭环控制，其中速度环的控制采用先进的单神经元自适应控制，稳定性好，鲁棒性强，实验结果证明该算法有效解决了负载扰动给系统造成的不稳定性。

［关键词］EPA 低压大功率全数字控制单神经元自适应控制44——=131，显然，该电路有选频放大功能。

图5高频小信号谐振电路图6谐振电路的输入输出信号波形4.结束语通过上面的实例看到，通过M ultisim 仿真电路演示，学生对高频小信号谐振放大器的作用一目了然，克服了传统教学的不足。

M ultisim 仿真为教学提供了一个良好的平台，利用这个平台可以把抽象复杂的概念和理论简单化、形象化。

学生可以更好的对教学内容进行类比、总结，从而加深对电路原理、元器件参数及电路性能的理解，使复杂的电路分析变得简单易懂。

尤其是可以很好地激发学生对实验的兴趣，从而提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。

参考文献［1］曾兴雯,刘乃安,陈健.高频电子线路［M ］.第二版.北京:高等教育出版社,2009.［2］黄培根,任清褒.Multisim10计算机虚拟仿真实验室［M ］.北京:电子工业出版社,2008.［3］沈伟慈.通信电路［M ］.第二版西安:西安电子科技大学出版社,2007.［4］康华光.电子技术基础模拟部分(第五版)［M ］.北京:高等教育出版社,2005.［5］张肃文.高频电子线路［M ］.第五版.北京:高等教育出版社,2009.88-398.（上接第43页）还专门开设了6个课时的讨论课，分别安排在不同的授课内容完成之后开展，在讨论课之前先把学生分成5～6个人一个小组，将讨论的课题布置给学生，让他们课后查找资料，以组为单位做好准备工作，讨论课时每组推选一个代表，提出本组方案，展开讨论。

例如，在第一、二章讲完之后，给学生提出讨论课题———为什么说“城市交通问题是一个系统工程问题”，要求学生运用系统工程的特点进行分析；在讲授系统工程方法论时，进行课堂讨论：企业困难时裁员的利与弊；在讲授系统评价指标体系时，进行课堂讨论：评选优秀班集体时，如何建立一套评价指标体系等。

通过讨论，使学生弄清概念，熟悉步骤，掌握方法。

课堂讨论法能加深学生对知识的理解，拓宽学生的知识面，激发学生的兴趣、发挥学生的主观能动性，让学生学会分析问题和解决问题，这对培养学生创新能力具有重要作用。

4.结语通过对系统工程课程特点和教学目的的分析,提出了适用于系统工程课程的理论讲授+案例分析+课堂实例讨论的教学模式,该模式突破传统的单纯教师讲授的课堂教学模式，将教师和学生引向一个更为广阔的教与学的空间，把教的任务由传授知识为主转变为以启发和引导学生为主，有利于培养学生自主学习能力和解决问题的能力。

当然，教育模式的改革是一个需要在实践中反复摸索和检验的过程，对系统工程教学模式的探索还有待于进一步深入。

参考文献［1］陈宏民.系统工程导论.北京：高等教育出版社，2006［2］汪应络.系统工程.北京：机械工业出版社，2003［3］慈铁军.关于《系统工程》课程教学的几点思考.中国电力教育，2004.4［4］李振福.系统工程课程教考模式探讨.航海教育研究，2006.4（上接第42页）要进行P 调节，其输出作为速度环的给定参考值；速度环引进单神经元自适应PI 控制，极大地改进了速度环的控制效果，其输出最后作为电流环的给定值，经过电流环的PI 调节，输出一个控制当量来调节PWM 波形的占空比，进而实现了对电机的运动控制。

图4单神经元自适应PI 控制结构图2.2单神经元自适应控制算法当前的直流伺服系统普遍存在的问题包括诸如未知的非线性摩擦、参数变化以及负载扰动等，因此，应用自适应控制来改善电机的抗干扰能力显得尤为重要。

该研究中速度环控制器采用的单神经元自适应PI 控制就很好地适应了该要求，其结构如图4所示。

如图所示，r(k)、y(k)分别表示直流电机的速度参考值和反馈值，x 1(k)、x 2(k)表示的是神经元学习所需要的状态量，其值由下式计算可得：x 1(k)=e(k)-e(k-1)x 2(k)=e(k)(1)学习速率用ηi （i=1，2）表示，则w 1(k)、w 2(k)分别是对应于状态量x 1(k)、x 2(k)的加权系数。

K 为神经元比例系数，经过调节之后的控制率输出u(k)为：u(k)=u(k-1)+K 2i=1Σw i (k)x i (k)(2)普遍使用的学习规则包括无监督的Hebb 学习规则，有监督的Hebb 学习规则，有监督的Delta 学习规则等。

本文采用的学习规则为有监督的Hebb 学习规则。

其算法表达式为：w i (k+1)=w i (k)+ηi e(k)u(k)x i (k),i=1,2(3)比较可知，Kw 1(k)、Kw 2(k)分别对应于k p 和k i ，则通过w 1(k)的在线自学习自调整，控制输出最终能收敛于一个良好的稳定值。

3.实验仿真及结果分析使用MATLAB 软件的SIMULINK 功能对系统进行建模仿真，使用M 函数设计速度环控制器，被控对象为MAXSON 公司生产的RE30直流有刷电机，主要参数为额定电压=48V ，额定电流=1.72A ，额定转速=7750r/m ，每相电阻=2.52Ω，每相电感=0.513mH ，反电动势系数=0.12Vs/rad ，转矩系数=53.8mNm/A ，转动惯量=34.5gcm 。

主要验证速度环的控制效果，控制器参数配置为：η1=0.4，η2=0.4，w 1(0)=0.1，w 2(0)=0.1，K=60。