伺服系统电流环数字化设计与实现

图4
ADC 模块接口电路
图5
ePWM 模块接口电路
2.7 闭环特性测试
闭环频率特性测试与图 4 所示类似，区别是将 霍尔传感器输出的信号经过 A/D 变换器后接入处 理器，系统在数字闭环状态下进行测试。测试闭环 频率特性可以验证系统的闭环带宽、带内峰值等指 标，也可以通过测试系统的单位阶跃响应验证系统 的时域动态性能指标。
3 基于 TMS320F28335 的数字电流环 硬件
3.1 ADC 模块电源电路
供电是首先要考虑的问题， ADC 模块涉及的电 源包括了数字 1.9V、3.3V 电源，模拟 1.9V、3.3V 电源，为了得到温度稳定性，还需要一个外部参考
3.2 ePWM 模块接口电路 PWM 信号直接由 DSP 产生，如果不经隔离地
将 DSP 输出的 PWM 信号作为与功率电路共地的功 率驱动芯片的输入，会使各种抗干扰措施的效果大 打折扣，故采用光耦对驱动信号进行隔离。选用安 捷伦公司的双通道高速逻辑门光耦 HCPL-2631， 其 速率可达 10MBit/s，电路图如图 5 所示。
图 1 数字电流环示意图
从数字控制器的输出到 PWM 信号的产生（取 代了 D/A 变换器）用零阶保持器近似，零阶保持器 以后，模拟信号经 PWM 功放、执行电机、霍尔传 感器传递，用采样开关示意的数字电流环如图 2 所 示。其中 r * (t ) 、 b * (t ) 、 e * (t ) 分别表示电流环参 考输入信号、反馈信号、误差信号的数字量； D( s ) 为电流环控制器的传递函数（电流环通常采用 PI 控制器设计为 I 型系统） ， K1 、 T1 分别为静态增益 和积分时间常数； G1 ( s ) 为零阶保持器的传递函数， 其中 T 是采样周期； G2 ( s ) 为 PWM 功放的传递函
2.3 软件设计
软件设计要实现的功能包括启动 A/D 变换器、 电流数据读取及处理、误差及控制器的计算、根据 误差控制输出占空比变化的 PWM 信号。 对于 m 位的 A/D 变换器，若电机峰值电流为
A/D 变换器的电路设计， 要考虑处理器与 A/D 变换
器的数字接口，A/D 变换器要求的模拟输入信号为 正电压信号时，要将霍尔传感器输出的正、负信号 经过滤波电路、偏置电路、限幅电路后送入 A/D 变 换器，这就需要设计上述电路。
I ( A) ，则 I ( A) 用 2
传递量纲为 I /(2
m 1
1 码值量化，电流反馈信号
m 1
1) （A/码） ，电流环参考输入
信号的最大码值根据量纲来确定。
CH1, CH2 Source
图 3 频率特性测试示意图
2.4 固有频率特性的测量
利用控制系统分析仪 35670A 对电流环固有频 率特性进行测量的示意图如图 3 所示，输入的正弦 测试信号通过 A/D 变换器送入处理器， 处理器输出 占空比变化的 PWM 信号给功放后引起电机电枢电 流的变化，电流信号被霍尔传感器敏感后反馈给控 制系统分析仪，这样就得到了电流环从 PWM 信号 输出到霍尔传感器输出这部分的固有频率特性测 试结果，这是电流环频率特性设计的前提和基础。
Key words: Digital Current Loop; A/D Converter; DSP

伺服系统多采用电流环、速度环、位置环三环
电流信号对噪声的灵敏度； （5）使全数字伺服系统的实现成为了可能。 电流环数字化的难点在于对电流信号高频率 的采样以及数据处理问题， 这对 A/D 变换器与处理 器均提出了要求，并由此引起了伺服系统时序设计 的复杂化，但少有详细讨论电流环数字化方面的文 献。 DSP TMS320F28335 是目前自动控制领域最先 进的处理器之一，其时钟频率最高达 150MHz，单 指令周期为 6.67ns，以其为核心设计伺服系统，可 以利用该芯片的 ADC （Analog-to-Digital Converter） 模块对电机电枢电流信号进行高频率 A/D 变换， 利 用该芯片快速的运算能力进行电流环误差与数字 控制器的计算以实现电流环数字闭环，利用该芯片 的 ePWM（Enhanced Pulse Modulator）模块直接产 生 PWM 信号送给功放电路以驱动电机及负载。 本文应用 z 变换法建立了数字电流环的数学模
T (z)
G2 ( s )
C ( z) D( z )G ( z ) R( z ) 1 KD( z )G ( z )
G3 ( s )
（1）
e *(t )
K1 T1s 1 ( ) T1 s
b(t )
1 e s
sT
K2 T2 s 1
H ( s)
1/ Ra La s / Ra 1
1 数字电流环数学模型
速度环的误差信号校正后作为电流环的参考 输入信号与电流反馈信号相减产生电流环误差信 号 ， 该 信 号校 正 后 就 决定 了 输 入 给功 放 电 路 的 PWM 信号的占空比。在数字电流环中，电流环误 差的产生、数字校正、PWM 信号的产生均在处理 器内完成。数字电流环示意图如图 1 所示，电流传 感器通常选用霍尔传感器。
收稿日期：2013-03-22。
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型，讨论了数字电流环的设计及工程实现方法，基 于 TMS320F28335 完成了数字电流环的硬件、软件 设计，并对数字电流环与模拟电流环的频域特性、 时域特性进行了对比分析。 也可以选用分立的 A/D 变换器与其它处理器 来实现数字电流环， 只要 A/D 变换器的转换能力与 处理器的运算能力满足要求即可，工程实现的方法 是类似的。
digital current loop is created by the way of z transformation, the design and implementation relative to it are discussed, along with their hardware and software design loop are finished based on DSP TMS320F28335. In the end, the comparison and analysis of frequency domain and time domain features which the digital current loop and the simulated current loop have are presented.
的参数。
2.6 数字闭环
确定了 PID 控制器的参数后就可以数字闭环 了，误差信号容易得到，接下来就是数字控制器的 实现问题。数字控制器的实现需要将控制器的算法 转换为程序代码，需要对积分与微分作离散近似， 微分通常采用后向差分算法近似：
u (kT )
dx dt
t kT

1 x(kT ) x(k 1)T （2） T
到的 ADC 模块的输入引脚要接模拟地，这些管脚 被定义为输入，被悬空的管脚有高的输入阻抗，从 管脚引入的噪声会影响其它的输入通道。 所以霍尔 ADC 模块的输入电压必须为 0～3V， 传感器输出的电流信号经采样电阻得到电压信号 后，还要经过信号调理电路才能接到 ADC 模块， 图 4 所示的信号调理电路由滤波电路、 电压跟随器、 偏置电路所组成，两个二极管对电压起限压保护作 用。
控制结构，其中位置环、速度环已实现了数字化， 而电流环仍以模拟电路为主。 与模拟电流环相比，数字电流环在技术上具有 以下的优势： （1）电流环的数字校正策略更加灵活，如采 用 P、I 分离的 PI 控制器，且控制器参数易调整； （2）电流环误差信号是容易处理的数字量， 这对于特殊情况下电机及功放的保护具有实际意 义； （3）为新体制脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation） 功放在电流环的应用的创造了条件 （新 体制 PWM 功放不再有方波发生电路，PWM 信号 直接由处理器产生，该种功放应用时，若伺服系统 具有电流环，则电流环必须数字化） ； （4）提高了电流信号测量的灵敏度，降低了
其中 K1 、 K 2 、 K 3 分别表示比例增益、积分增益和
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根据该差分方程就可以编写计算机程序实现 预期的控制规律，这就是直接型实现，对于一阶或 二阶控制器通常采用直接型实现。
电压源，可以选用参考电压基准 REF3020 产生
2.048V 电压作为 ADC 模块外部参考电压，没有用
c(t )
b *(t )
K
图 2 数字电流源自文库模型
2 数字电流环设计
2.1 采样周期的选择
采样周期选得越小，控制效果会越好，但采样 周期选得过小，将增加不必要的计算负担，造成实 现较复杂控制规律的困难，采样周期小到一定程度 后，再减小就没有多大实际意义了。反之，采样周
期选得过大，又会给系统带来较大的误差，降低系 统的动态性能，甚至可能导致整个系统不稳定。通 常伺服系统的采样周期近似取为 T 1 / 10 f B ，其中
D( s)
r (t )
r *(t )
G1 ( s )
数， K 2 表示电压放大倍数， T2 1 / f ， f 为功率 管开关频率； G3 ( s ) 为电机的传递函数， Ra 、 La 分 别表示电枢电阻、 电枢电感；H ( s ) 为霍尔传感器的 传递函数，近似为比例环节 K 。 设 G ( s ) G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s) ， G ( z ) 表示 G ( s) 对应 的 z 变换形式， D( z ) 表示 D( s ) 对应的 z 变换形式， 则根据图 2，电流环闭环脉冲传递函数为：
2.5 确定控制器参数
根据系统开环增益、截止频率以及稳定裕度指 标，确定期望的系统开环频率特性，依据该特性与 得到的固有频率特性的区别，就确定了 PID 控制器
积分通常采用前向矩形求和近似：
u ( kT ) u[( k 1)T ] Tx( kT )
数字 PID 控制器的差分方程可以表示为：
（3）
u (k ) K1 x(k ) K 2 u (k 1) Tx(k ) ( K 3 / T )x(k ) x(k 1) K1 K 2T ( K 3 / T )x(k ) K 3Tx(k 1) K 2u (k 1)
微分增益。
（4）
f B B / 2 ， B 是连续系统的闭环带宽[1]，因此
应根据电流环的带宽来确定采样周期。
2.2 硬件设计
根据电流环采样周期选用处理器及 A/D 变换
第3期
段继岗：伺服系统电流环数字化设计与实现
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器，对处理器运算能力的要求是在电流环采样周期 内能完电流数据读取与处理、电流环误差的计算、 数字控制器的执行以及计算输出 PWM 信号，并且 要留有余量； A/D 变换器要能满足采样周期的要求， 并且转换时间应尽可能短。硬件设计包括处理器、
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伺服系统电流环数字化设计与实现
段继岗
（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）
摘
要：电流环数字化是实现全数字伺服系统的必要条件。本文应用 z 变换法建立了数字电
流环的数学模型，讨论了数字电流环的设计及工程实现方法，基于 DSP TMS320F28335 完成了数 字电流环的硬件、软件设计，并对数字电流环与模拟电流环的频域特性、时域特性进行了对比分 析。 关键词：数字电流环；A/D 变换器；DSP 中图分类号：TN954 文献标识码：A 文章编号：1674-7976-(2013)03-225-06
Design and Implementation of Digital Current Loop for Servo System
DUAN Jigang
Abstract: Current loop digitization is a requisite for realizing the full-digital servo system. The mathematical model of the