【導(dǎo)讀】本文介紹一套基于DSP和IRMCK201的雙CPUPMSM位置伺服系統(tǒng),重點(diǎn)介紹該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及軟硬件的設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,軟硬件設(shè)計(jì)合理、實(shí)時(shí)性好,控制精度高,有較好的動(dòng)態(tài)性能;同時(shí),這種交流伺服方案,性能優(yōu)越,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,編程任務(wù)小,開發(fā)周期短,也可用于其他交流伺服控制系統(tǒng),具有很好的推廣意義。

由于永磁伺服電機(jī)具有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、響應(yīng)速度快、效率高、功率密度大、電機(jī)體積小、消除電刷而降低噪聲和減少維護(hù)等其他電機(jī)難以比擬的優(yōu)點(diǎn),在高性能位置伺服領(lǐng)域,由其為伺服電機(jī)組成的伺服系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。永磁無刷電機(jī)有兩種形式:方波式和正弦波式。本文主要研究以PMSM為伺服電機(jī)的伺服系統(tǒng)目前實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制主要采用DSP、DSP+FPGA和DSP+ASIC三種途徑。前兩種方式實(shí)現(xiàn)位置控制編程量較大,美國國際整流器件公司針對(duì)高性能交流伺服驅(qū)動(dòng)要求,基于FPGA技術(shù)開發(fā)出了完整的閉環(huán)電流控制和速度控制的伺服系統(tǒng)單片解決方案———IRMCK201。筆者基于這種數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制芯片,設(shè)計(jì)了DSP和IRMCK201的交流伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)同樣具有性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、編程任務(wù)小、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn),也具有很好的推廣意義。

1IRMCK201芯片簡(jiǎn)介

美國國際整流器件(IR)公司針對(duì)高性能交流伺服驅(qū)動(dòng)的需求,設(shè)計(jì)出了基于FPGA技術(shù)的完整的伺服驅(qū)動(dòng)控制解決方案———IRMCK201芯片。與傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制專用DSP芯片不同的是,IRMCK201不僅包含運(yùn)動(dòng)控制的外圍功能(如PWM、編碼計(jì)數(shù)電路、電流傳感接口等),而且還包含通過硬件實(shí)現(xiàn)的FOC算法和速度控制算法,從而省略了編程任務(wù),簡(jiǎn)化了高性能交流伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此外,它還適用于不同類型的永磁電機(jī)或感應(yīng)電機(jī),因而有很好的應(yīng)用前景。

IRMCK201芯片的主要特點(diǎn)如下:①完整的電流閉環(huán)控制和速度閉環(huán)控制;②帶死區(qū)的空間矢量PWM;③最大時(shí)鐘輸入33.3MHz,最高PWM載波頻率83.3kHz,電流環(huán)帶寬5.5kHz,速度環(huán)更新率5/10kHz;④具有與高壓線性電流傳感器IR2175、高壓驅(qū)動(dòng)芯片IR213x、霍爾A/B/C信號(hào)、光電編碼器、RS232或RS422、快速SPI的接口;⑤配置光電碼盤的線數(shù)范圍為200PPR～10000PPR;⑥可以監(jiān)視直流母線電壓;⑦可以配置模擬參考輸入;⑧2MHz的計(jì)數(shù)器改善低速性能;⑨具有4路采樣/保持的A/D轉(zhuǎn)換接口;⑩通過主機(jī)寄存器接口,AT24C01A可對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)/參數(shù)進(jìn)行初始化;11智能IGBT保護(hù)封鎖控制。從上面可以看出,作為運(yùn)動(dòng)控制芯片,IRMCK201在硬件上具備了伺服控制所必需的控制單元,如帶死區(qū)時(shí)間設(shè)置的空間矢量PWM、PARK變換和Clark變換、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器、速度測(cè)量單元等。這樣用戶就省去了編寫代碼任務(wù),簡(jiǎn)化了復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該交流伺服系統(tǒng)控制電路主要由TMS320LF2407、IRMCK201和少量的外圍電路組成。采用TI公司的DSPTMS320LF2407作為主控芯片,負(fù)責(zé)伺服電機(jī)位置環(huán)的處理,同時(shí)負(fù)責(zé)電機(jī)的啟動(dòng)、停止以及鍵盤響應(yīng)和顯示的操作,并完成IRMCK201的初始化。IRMCK201內(nèi)部硬件電路完成系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)控制,最終產(chǎn)生SVPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào),以完成對(duì)功率模塊的開關(guān)控制,同時(shí)通過A/D接口對(duì)母線電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),以實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能。系統(tǒng)采用2000PPR的增量式光電碼盤和霍爾傳感器測(cè)量電機(jī)位置和速度信號(hào),采用IR2175電流傳感器對(duì)相電流采樣。由于IRMCK201提供了IR2175接口,所以采樣的電流信號(hào)可直接送到IRMCK201作為控制部分的電流反饋。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性,采用高速光耦將系統(tǒng)的控制部分和功率部分進(jìn)行隔離。主電路由三相橋式全波整流電路、濾波器和逆變器等組成。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1位置環(huán)設(shè)計(jì)

永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)需要精確的轉(zhuǎn)子磁極位置和速度信息,以進(jìn)行控制電壓的調(diào)整。為了提高控制系統(tǒng)的精度,轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器可采用混合式光電編碼器。本系統(tǒng)采用混合式光電編碼器,輸出的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-六路信號(hào),經(jīng)過濾波以后,為提高反饋信號(hào)的抗干擾能力,送入正交線性接受器DS3486,最后輸出有關(guān)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、原點(diǎn)位置及相對(duì)角位移的數(shù)字信號(hào)A+、B+、Z+。輸出的HALLA/B/C三路信號(hào),給出了電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始精確定位和初始的絕對(duì)位置。采用混合式光電碼盤對(duì)伺服電機(jī)的位置進(jìn)行采樣,獲得位置反饋信號(hào)。將位置反饋信號(hào)送入TMS320F2407A的事件管理模塊中進(jìn)行后處理。事件管理模塊具有正交解碼脈沖電路(QEP電路),當(dāng)QEP電路被使能時(shí),會(huì)對(duì)引腳QEP1和QEP2上的正交編碼輸入脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)。這樣對(duì)位置的檢測(cè)不需要其他外圍電路,電路簡(jiǎn)單可靠。從上述可以看出,位置環(huán)的有關(guān)硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠。在這個(gè)系統(tǒng)中,位置環(huán)的設(shè)計(jì)主要是在DSP中用簡(jiǎn)單的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的,該部分將在軟件設(shè)計(jì)中具體介紹。

3.2速度環(huán)設(shè)計(jì)

從光電編碼器中輸出的A、B信號(hào)是2個(gè)互差90°的脈沖序列,從這2個(gè)信號(hào)能計(jì)算出電動(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向。采用混合式光電碼盤對(duì)伺服電機(jī)的速度進(jìn)行采樣,獲得速度反饋信號(hào)。將速度反饋直接送入IRMCK201芯片中,進(jìn)行速度閉環(huán)的處理。速度環(huán)主要由IRMCK201來解決,只要設(shè)定IRMCK201速度環(huán)寄存器相應(yīng)的值,就可實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)。由此可以看出,速度環(huán)的設(shè)計(jì)完全是靠硬件實(shí)現(xiàn)的,不需要任何軟件設(shè)計(jì),省去了很大的一部分工作。

3.3IR2175與霍爾電流傳感器實(shí)現(xiàn)電流環(huán)

IR2175是一個(gè)單片式線性電流傳感器,是針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。使用IRMCK201芯片實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)時(shí),電流反饋用采樣電阻結(jié)合IR2175作為電流的反饋回路。采樣電阻對(duì)伺服電機(jī)的相電流進(jìn)行采樣,輸出260mV以內(nèi)的采樣電壓信號(hào),將該信號(hào)輸入到電流傳感器IR2175中,通過它的內(nèi)部處理后輸出一個(gè)占空比隨電流幅值大小改變的脈沖信號(hào)。該脈沖信號(hào)經(jīng)過光電隔離后送入IRMCK201中,作為伺服電機(jī)的電流反饋信號(hào)。由于IR2175的輸入電壓限制在±260mV之間,當(dāng)采樣電阻一定時(shí),主回路的最大電流就被限制,即系統(tǒng)的功率等級(jí)被限制,很難實(shí)現(xiàn)功率型伺服系統(tǒng)。在本方案中,采用霍爾電流傳感器加取樣電阻和IR2175的方法來解決功率等級(jí)受限的問題,最終可實(shí)現(xiàn)功率型的位置伺服系統(tǒng)。用霍爾電流傳感器(可以根據(jù)功率等級(jí)的需要進(jìn)行選型)對(duì)電機(jī)相電流進(jìn)行采樣,輸出接一個(gè)取樣電阻獲得一個(gè)±260mV之間的電壓。將該電壓作為IR2175的輸入,IR2175的輸出通過光耦送入IRMCK201中進(jìn)行計(jì)算。一路電流反饋的示意圖如圖2所示。

3.4DSP與IRMCK201之間通信接口設(shè)計(jì)

DSP的低8位數(shù)據(jù)線與IRMCK201的8位并行數(shù)據(jù)線相連,將IRMCK201作為DSP的外圍接口擴(kuò)展芯片,用I/O空間選擇信號(hào)和并口的高三位信號(hào)通過GAL進(jìn)行譯碼作為它的片選信號(hào)。

在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中,DSP要實(shí)時(shí)訪問IRMCK201的寄存器并進(jìn)行配置,因此它們之間的通信對(duì)可靠性和快速性的要求就比較高。本方案采用并口方式,經(jīng)GAL16V8B譯碼實(shí)現(xiàn)DSP與IRMCK201的準(zhǔn)確、可靠通信。圖3為DSP與IRMCK201的通信接口電路。

4系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)控制和過流、過壓、欠壓等保護(hù)功能都由IRMCK201內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn),所以系統(tǒng)軟件主要是用DSP實(shí)現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)位置環(huán)的控制和對(duì)IRMCK201的通信。相比之下,程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。作為位置伺服系統(tǒng),在定位控制中,必須保證以下3個(gè)方面的要求:定位精度,要求系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零;定位速度,要求系統(tǒng)有盡可能高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度;要求系統(tǒng)位置響應(yīng)無超調(diào)。本系統(tǒng)中位置環(huán)采用前饋控制:按照給定變化進(jìn)行控制,當(dāng)給定的變化出現(xiàn)時(shí),調(diào)節(jié)器立刻根據(jù)其性質(zhì)和大小對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行控制,使被控量能及時(shí)跟隨給定值的變化,大大減小控制的滯后。當(dāng)伺服系統(tǒng)引入前饋控制后,永磁交流伺服系統(tǒng)的位置環(huán)控制器傳函結(jié)構(gòu)模型伺服系統(tǒng)的等效結(jié)構(gòu)如圖4所示。為比例調(diào)節(jié)器加一個(gè)前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié),KPP為位置環(huán)比例系數(shù),KPR為前饋系數(shù),TR為前饋濾波時(shí)間常數(shù),這一結(jié)構(gòu)可滿足性能指標(biāo)的要求。在前饋環(huán)節(jié)中加入低階濾波器,可以有效抑制波動(dòng),減小超調(diào)。

當(dāng)把電機(jī)參數(shù)測(cè)定之后,就可以根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要,選取合適的控制器參數(shù)。采用前饋控制后,位置跟蹤滯后誤差可減小至20%左右,從而大幅度提高位置控制精度。位置環(huán)中斷處理子程序如圖5所示。

5實(shí)驗(yàn)波形與結(jié)論

采用的電機(jī)為表面貼裝式永磁同步電動(dòng)機(jī),圖6為無前饋時(shí)的位置跟隨曲線,圖7為前饋控制時(shí)的位置跟隨曲線,圖8為位置給定后電動(dòng)機(jī)的速度響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)表明,采用位置前饋控制系統(tǒng)獲得了快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng),同時(shí)保證了定位高精度和無超調(diào)。

本系統(tǒng)采用了IRMCK201芯片,結(jié)合使用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407,大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期,提高了系統(tǒng)的可靠性,從而實(shí)現(xiàn)了高性能的交流伺服系統(tǒng)。此系統(tǒng)已成功運(yùn)用于電梯門機(jī)伺服系統(tǒng)和功率伺服系統(tǒng)。實(shí)踐證明,這種位置伺服系統(tǒng)是可靠的、高性能的。對(duì)此位置伺服系統(tǒng)作相應(yīng)的改動(dòng),可以應(yīng)用到其他伺服系統(tǒng)中,應(yīng)用場(chǎng)合十分廣泛。

參考文獻(xiàn)

1、郭慶鼎,王成元.交流伺服系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994；

2、ToshioTakahashi.HighPerformanceACDrivebySingleChipMotionControlEngineIC.IRCorporation,2003；

3、IRCorporation.IRMCK201DataSheet,2003；

4、IRCorporation.IR217xDateSheet,2003；

5、韓安太,等.DSP控制器原理及其在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003；

聲明：本文為轉(zhuǎn)載類文章，如涉及版權(quán)問題，請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我們刪除（QQ: 2737591964），不便之處，敬請(qǐng)諒解！