摘 要： 提出了一種基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的電動(dòng)履行器把持系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路，給出了該把持系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)計(jì)劃。實(shí)驗(yàn)表明：以TMS320LF2407A為核心的電動(dòng)履行器把持系統(tǒng)不僅能夠滿足實(shí)時(shí)把持的請(qǐng)求，易于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的把持策略，而且設(shè)計(jì)計(jì)劃電路簡(jiǎn)略、可靠性強(qiáng)，具有較高的利用價(jià)值。
1 把持系統(tǒng)原理
電動(dòng)履行器把持系統(tǒng)原理如圖1所示，其中包含主控電路、地位檢測(cè)和電流檢測(cè)電路、串行通信電路、液晶顯示電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及報(bào)警與保護(hù)電路等。
圖1 電動(dòng)履行器把持系統(tǒng)原理圖
TMS320LF2407數(shù)字信號(hào)處理器是TMS320C2000平臺(tái)下的一種定點(diǎn)DSP芯片，它供給了低本錢、低功耗、高性能的處理才能。設(shè)計(jì)采用TMS320LF2407作為把持器的核心，充分利用了芯片中的2個(gè)事件治理器，完成了地位檢測(cè)、電流把持、速度把持、電機(jī)運(yùn)行把持、串行通信、液晶顯示、故障報(bào)警等功效。
其把持原理是：通過地位檢測(cè)電路獲取當(dāng)前伺服電機(jī)的地位信息，DSP通過對(duì)地位信息的處理實(shí)時(shí)盤算電機(jī)的運(yùn)行速度；由DSP輸出的相觸發(fā)脈沖信號(hào)經(jīng)變頻電路驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。假如系統(tǒng)產(chǎn)生短路、過電壓、欠電壓等故障時(shí)，DSP會(huì)及時(shí)捕捉到故障信號(hào)，報(bào)警并及時(shí)處理故障標(biāo)題；履行器工作過程中，外接于DSP的I/O口線的EEPROM會(huì)定時(shí)接收到DSP發(fā)送的電動(dòng)履行器確當(dāng)前地位，以便檢測(cè)到不同的地位設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)當(dāng)前地位信息來(lái)決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向。
2 硬件設(shè)計(jì)
2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
設(shè)計(jì)中，伺服電機(jī)是三相異步電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)芯片選用電動(dòng)機(jī)把持專用芯片IR2130，如圖2所示。它帶有3個(gè)獨(dú)立的高壓側(cè)和低壓側(cè)輸出通道，可輸出6路驅(qū)動(dòng)脈沖，只需1個(gè)直流工作電源，工作頻率可達(dá)kHz。邏輯輸進(jìn)與CMOS或LSTTL輸出兼容，最小可達(dá)到15V邏輯電壓。外圍電路中的參考地運(yùn)行放大器通過外部的電流檢測(cè)電位器供給全橋電路電的模仿反饋值，假如超出設(shè)定或調(diào)劑的參考電流值，IR2130驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部電流保護(hù)電路就啟動(dòng)關(guān)斷輸出通道，實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)功效。浮動(dòng)通道能夠用來(lái)驅(qū)動(dòng)N溝道功率MOSFET和IGBT，最高電壓可達(dá)到600V。功率器件選用IRF630型功率放大器，最大工作電流42A，最大工作電壓100V，具有高效性和高可靠性。
圖2 把持系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路原理圖
2.2 地位檢測(cè)電路
地位檢測(cè)是地位把持的核心，它不僅能夠向把持器供給電機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)，而且能夠反應(yīng)出電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度等信息。更重要的是，把持器需要根據(jù)地位檢測(cè)所反應(yīng)出的電機(jī)轉(zhuǎn)子地位來(lái)把持主電流的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而把持電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
設(shè)計(jì)的地位檢測(cè)元件是一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)略、精度高、可靠性高的導(dǎo)電塑料電位器，將履行機(jī)構(gòu)的直線或角位移轉(zhuǎn)換為電阻信號(hào)。如圖3所示，采用LOC210模仿線性光隔將采集來(lái)的信號(hào)
轉(zhuǎn)換成模仿電流信號(hào)，最后經(jīng)過電壓追隨器輸進(jìn)到把持器，因而可以準(zhǔn)確地檢測(cè)地位并且可以方便地對(duì)閥門進(jìn)行零位、滿度及閥門流量特征曲線的定位。
圖3 地位采集電路圖
2.3 電流檢測(cè)電路
由于電動(dòng)機(jī)采用電壓PWM斬波工作方法，要通過速度把持天生電流參考值，與電流反饋形成閉環(huán)把持，靠調(diào)節(jié)PWM的占空比把持電流。因此首先要檢測(cè)電流值。
霍爾電傳播感器的最大長(zhǎng)處是丈量精度高、線性度高、響應(yīng)快速，可以做到電隔離檢測(cè)。目前，利用霍爾效應(yīng)檢測(cè)電流有直接檢測(cè)式和磁場(chǎng)平衡式2種方法。系統(tǒng)采用的是磁場(chǎng)平衡式霍爾電流檢測(cè)器（LEM模塊）。這種電傳播感器把互感器、磁放大器、霍爾元件和電子線路集成在一起，具有丈量、反饋、保護(hù)三重功效。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，關(guān)斷某一相而開通相鄰相的瞬間，關(guān)斷相繞組內(nèi)的電流不會(huì)馬上減小到零，所以相鄰相可能同時(shí)存在繞組電流。所以要想達(dá)到最佳把持后果，應(yīng)在每一相繞組中應(yīng)用一個(gè)霍爾電傳播感器，保證每次只能采樣到一相繞組電流?；魻栯妭鞑ジ衅麟娐愤B接如圖4所示。
圖4 電流采集電路圖
2.4 顯示電路
顯示電路是電動(dòng)履行器把持系統(tǒng)中人機(jī)交互部分的重要內(nèi)容之一，以MG12232液晶顯示模塊作為顯示電路的核心元件，其內(nèi)部集成SED1520DAA液晶顯示驅(qū)動(dòng)芯片。SED1520DAA是屬于行列驅(qū)動(dòng)及把持合一的小范圍液晶顯示驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)含振蕩器，只需外接振蕩電阻即可工作，模塊工作的穩(wěn)固性好。MG12232模塊與DSP的硬件接口電路見圖5。
圖5 DSP與MG12232模塊的接口電路
圖5中，SLA為背光電源，SLK為背光電源地，D0～D7為8位數(shù)據(jù)線，AO為寫進(jìn)數(shù)據(jù)/寫進(jìn)命令字選擇端口，R/W為讀寫選擇端，CS1、CS2為液晶顯示屏邊選擇信號(hào)，VDD為邏輯電源正端，VSS為邏輯電源負(fù)端。由于DSP的邏輯電源為313V，而液晶顯示模塊的邏輯電源為5V，所以采用SN74LVC4245作為連接DSP與液晶顯示模塊的中間環(huán)節(jié)，起到電平轉(zhuǎn)換的作用。
2.5 串行通信接口電路
采用RS-485接口，利用MAX485作為TMS320LF2407的接口驅(qū)動(dòng)芯片，電路圖見圖6。由于RS-485為半雙工通信結(jié)構(gòu)，因此用一個(gè)I/O口來(lái)把持器件處于接收或發(fā)送狀態(tài)。
圖6 MAX485 通信接口電路
3 軟件設(shè)計(jì)
軟件重要分為2部分：一部分在主程序中實(shí)現(xiàn)，包含DSP的系統(tǒng)設(shè)置、事件治理器初始化、常量初始化、使能DSP中斷、電動(dòng)履行器系統(tǒng)初始化以及啟動(dòng)后臺(tái)服務(wù)程序等功效；另一部分是后臺(tái)服務(wù)程序，它是一個(gè)簡(jiǎn)略的無(wú)限循環(huán)程序，一些低優(yōu)先級(jí)的過程包含速度盤算、地位更新和液晶顯示等在后臺(tái)服務(wù)程序中以查詢狀態(tài)標(biāo)記的方法被履行。主程序流程見圖7。
圖7 電動(dòng)履行器把持系統(tǒng)主程序流程圖
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