摘 要: 采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP） 、大規(guī)?？删幊涕T陣列（CPLD） 、智能化功率模塊（ IPM） 器件, 以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制及電壓空間矢量（ SVPWM） 技術(shù)為核心控制算法, 開發(fā)了一款高性能、功能完善的、全數(shù)字的永磁同步電機(jī)（ PMSM） 交流伺服系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該交流伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度快, 剛度高, 達(dá)到了工業(yè)要求。 關(guān)鍵詞: 全數(shù)字; PMSM; 矢量控制; SVPWM [align=center][b]Design of PMSM Digital Servo System AN Jiao , HU Xiehe , HU Haiyan[/b][/align] Abstract: A PMSM digital servo system based on DSP TMS320LF2407, CPLD and IPM was introduced. Field-oriented Control（ FOC） method and Voltage Space Vector PulseWidthModulation method were adop ted in the system. The Experimental result veri2fies that the fast responding and accuracymeet the industrial needs. Keywords: Digital; PMSM; FOC; SVPWM 0　前言 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)的快速提高, 采用全數(shù)字控制的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)已逐步取代傳統(tǒng)的步進(jìn)伺服、直流伺服及采用模擬控制的交流伺服系統(tǒng), 成為當(dāng)代伺服控制的主流,被廣泛應(yīng)用于高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、特種加工裝備和精細(xì)進(jìn)給系統(tǒng)中[ 1 ]。 本文作者采用TI公司專用于電機(jī)控制的DSP芯片TMS320LF2407, 以軟件方式實(shí)現(xiàn)矢量變換控制電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)的PID實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù); 采用三菱公司的智能功率模塊IPM 作為功率變換裝置;加上簡(jiǎn)便的操作面板及其它必要的外圍電路構(gòu)成了一套完整的永磁同步電機(jī)全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)。 1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo) 以DSP為核心的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下: （1） 指令輸入模式: 脈沖列輸入方式、數(shù)字輸入方式、模擬輸入方式; （2） 工作模式: 位置、速度、轉(zhuǎn)矩控制方式; （3） 調(diào)速比: 1∶5 000; （4） 響應(yīng)時(shí)間≤20ms; （5 ） 最高轉(zhuǎn)速: 3 000 r /min, 回轉(zhuǎn)定位精度1 /10 000 r; （6） 保護(hù): 過電流、過電壓、欠電壓、電機(jī)失速、堵轉(zhuǎn)、過載、位置超差等自動(dòng)保護(hù)。 2　調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 交流伺服系統(tǒng)采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制[ 2 ]來保證伺服系統(tǒng)的高性能和高可靠性。伺服系統(tǒng)中所有的控制運(yùn)算都是由DSP完成的。電流調(diào)節(jié)是通過調(diào)整電樞電流, 即調(diào)整IGBT占空比來實(shí)現(xiàn)的。電樞電流與IGBT 占空比的關(guān)系為[ 3 ] [img=127,64]http://www.surachana.com/uploadpic/THESIS/2009/5/2009051112281954491W.jpg[/img] 其中: I0 為平均負(fù)載輸出電流; D為斬波器占空比; R 為電樞電阻; E為電機(jī)反電勢(shì); Ud 為直流電壓。 DSP片內(nèi)的三相PWM電路能夠很方便地產(chǎn)生所需的IGBT占空比調(diào)制信號(hào)[ 4 ] , 它可以通過軟件設(shè)置PWM的開關(guān)頻率、死區(qū)時(shí)間、最小脈沖寬度和補(bǔ)償時(shí)間等來實(shí)現(xiàn)。IGBT占空比調(diào)節(jié)流程圖如圖1所示。 3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于TI公司的TMS320LF2407 （DSP） ,是專為電機(jī)控制而推出的一代微控制器, 它具有高性能的C2XLP內(nèi)核, 采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu), 四級(jí)流水線操作, 片內(nèi)集成的事件管理器EVA、EVB各包括3個(gè)獨(dú)立的雙向定時(shí)器, 支持產(chǎn)生可編程死區(qū)的PWM輸出; 4個(gè)捕獲口中的兩個(gè)可以直接連接來自光電編碼器的正交編碼脈沖; 兩個(gè)獨(dú)立的10位八路A /D轉(zhuǎn)換器可同時(shí)并行完成兩個(gè)模擬輸入的轉(zhuǎn)換, 片內(nèi)集成的串行通訊接口（ SCI） 及串行外設(shè)接口（ SPI） 可用于與上位機(jī)、外設(shè)和多處理器之間的通訊。40 個(gè)可獨(dú)立編程的復(fù)用I/O口可以選配成鍵盤輸入和示波器顯示的輸入輸出口。TMS320LF2407的這些性能為電機(jī)控制提供了可行的解決方案。 3.1　系統(tǒng)板設(shè)計(jì) 伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)板主要由DSP最小系統(tǒng)、位置、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)、電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、通訊模塊等組成。 TMS320LF2407 最小系統(tǒng)由DSP 芯片、313V 電源、20MHZ晶振、外擴(kuò)64K靜態(tài)RAM和外擴(kuò)接線引腳組成。系統(tǒng)通過JTAG接口可以和仿真器連接, 進(jìn)行在線調(diào)試。 采用復(fù)合式增量光電編碼器作為位置檢測(cè)裝置,其輸出為6路信號(hào), 其中兩路為正交的A、B脈沖信號(hào), 一路為零位檢測(cè)脈沖信號(hào)Z, 另三路為相差120°的霍爾位置信號(hào)U、V、W, 從而很好地解決了增量式光電編碼器不能提供初始絕對(duì)位置這一問題。三路霍爾可以有6個(gè)狀態(tài), 每個(gè)狀態(tài)表示60°電角度, 則當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí), 三路霍爾信號(hào)可以提供轉(zhuǎn)子所在60°的位置區(qū)間。為了減小誤差, 取每個(gè)位置中間值作為轉(zhuǎn)子的初始位置, 這樣, 在電機(jī)起動(dòng)時(shí), 導(dǎo)通角與實(shí)際轉(zhuǎn)子位置最多有30°電角度的誤差。經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)證明, 在最壞的情況下, 電機(jī)能夠產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。 正常工作時(shí), 對(duì)正交的A、B脈沖信號(hào)進(jìn)行累積計(jì)算, 可以得到轉(zhuǎn)子的相對(duì)角位移。電機(jī)速度的計(jì)算通過求單位時(shí)間位置變化量而求得。采用4倍頻的方法以提高光電碼盤的定位精度。TMS320F2407的事件管理模塊中的正交脈沖編碼（QEP） 電路可以對(duì)增量式光電碼盤產(chǎn)生的兩路脈沖信號(hào)進(jìn)行4倍頻譯碼和計(jì)算[ 4 ] , 從而實(shí)現(xiàn)讀取處于轉(zhuǎn)動(dòng)工作狀態(tài)下的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息。編碼器信號(hào)A、B經(jīng)由CPLD進(jìn)行去噪處理后直接接到DSP的QEP1、QEP2引腳。 采用變比1∶1 000的霍爾元件檢測(cè)主回路電流信號(hào)。TMS320LF2407內(nèi)部有兩個(gè)10位的A /D轉(zhuǎn)換器,每一個(gè)可以接8 路模擬信號(hào)。TMS320LF2407 的A /D輸入信號(hào)范圍為0～5V, 先將霍爾輸出的小電流信號(hào)變換為電壓信號(hào), 再經(jīng)放大濾波后進(jìn)入DSP內(nèi)部的A /D通道進(jìn)行反饋控制。只需檢測(cè)兩路電流信號(hào)即可對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行控制[ 4 ]。 伺服驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的模擬量控制接口, 容易受到外部信號(hào)干擾, 傳輸距離短。我國(guó)目前伺服驅(qū)動(dòng)裝置上大量采用的脈沖式控制接口, 也不是真正意義上的數(shù)字接口。這種接口受脈沖頻率的限制, 不能滿足高速、高精控制的要求。TMS320F2407A 包含了高速C2XXDSP CPU內(nèi)核及SCI通信模塊, 為實(shí)時(shí)通信提供了方便。本系統(tǒng)采用SCI進(jìn)行控制接口的設(shè)計(jì)[ 4 ]。 圖2　通訊硬件接口圖 如圖2 所示, 利用MAX3223 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,TMS320LF2407與PC 的通訊采用三線制, 通訊中,雙方都被看作終端設(shè)備, 采用全雙工模式。 3.2　主回路設(shè)計(jì) 圖3　主回路 主回路主要由整流、濾波電路及三菱公司的智能功率模塊IPM（ PS212552E） 、開關(guān)電源、保護(hù)電路等組成。IPM模塊將6 只IGBT封裝在一起, 組成三相全橋逆變電路, 體積小, 重量輕, 內(nèi)部有驅(qū)動(dòng)電路,并設(shè)計(jì)過壓、過流、過熱及欠電流保護(hù)電路。DSP輸出PWM信號(hào)經(jīng)光電隔離輸入到IPM 的輸入端; 過流、過壓、過熱、過載、編碼器反饋斷線、通訊失敗等故障信號(hào)也經(jīng)隔離送到DSP。當(dāng)出現(xiàn)故障信號(hào),DSP立刻封鎖PWM輸出, 從而保證安全運(yùn)行。主回路設(shè)計(jì)如圖3所示。 4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) TMS320LF2407型DSP支持C語言編程及混合編程, 具有JTAG接口。利用仿真器和TI公司CC2000仿真軟件就能方便地對(duì)所編寫的程序進(jìn)行調(diào)試。為提高控制的實(shí)時(shí)性, 軟件采用中斷服務(wù)來實(shí)現(xiàn)AD 轉(zhuǎn)換、QEP捕捉和PI調(diào)節(jié)。 [align=center] 圖4 [/align] 系統(tǒng)軟件按下述方式工作: DSP 初始化, 包括GPIO、ADC、EV, 然后開核中斷; 利用U、V、W信號(hào)確定轉(zhuǎn)子磁極初始位置, 然后觸發(fā)PWM信號(hào), 使電機(jī)旋轉(zhuǎn); 得到Z信號(hào)后, 系統(tǒng)進(jìn)入主循環(huán)。DSP每個(gè)PWM周期采樣相電流, 進(jìn)行電流調(diào)整; 電流環(huán)循環(huán)計(jì)數(shù)值與給定值相等時(shí), 進(jìn)行速度調(diào)整, 系統(tǒng)主程序如圖4所示。主循環(huán)中進(jìn)行上位機(jī)與DSP的通訊,如圖5所示。 5　實(shí)物實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)用電機(jī)參數(shù)如表1所列, 圖6給出了空載情況下目標(biāo)速度為200 r /min 時(shí)的速度階躍響應(yīng)特性,由圖6可以看出其響應(yīng)時(shí)間為10ms, 穩(wěn)態(tài)誤差小于1% 最大超調(diào)量小于5% , 因此該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能; 圖7記錄了系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗(yàn)的過程, 在115 s時(shí)刻系統(tǒng)突加50%負(fù)載, 可以看到該系統(tǒng)很快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài); 圖8 顯示的是系統(tǒng)跟隨性能試驗(yàn)的結(jié)果,在系統(tǒng)零速狀態(tài)下, 輸入對(duì)應(yīng)于額定轉(zhuǎn)速的階躍指令,可以看出系統(tǒng)響應(yīng)速度快, 跟隨性能優(yōu)越; 在位置跟試驗(yàn)中, 通過輸入不同頻率（ 0 < F <500kHz） 的脈沖指令,通過觀察該系統(tǒng)面板操作器上的位置偏移脈沖監(jiān)視, 可以看到該系統(tǒng)的定位精度為±1 個(gè)脈沖。 6　結(jié)論 以永磁同步電機(jī)、DSP、CPLD、IPM和光電編碼器構(gòu)成的交流伺服系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。電流環(huán)采樣頻率可以達(dá)到10kHz以上, 可以提供足夠的頻帶寬, 從而實(shí)現(xiàn)高精度、快速響應(yīng)的伺服系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明,該矢量控制系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足工程設(shè)計(jì)要求, 具有良好的動(dòng)態(tài)性能。 參考文獻(xiàn) 【1】王健. 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展綜述[ J ].伺服控制, 2007 （1）. 【2】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. 【3】劉念洲, 劉曉林, 王堅(jiān)強(qiáng). 基于DSP的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[ J ]. 船電技術(shù), 2004 （2）. 【4】劉和平, 嚴(yán)利平, 張學(xué)鋒, 卓清鋒. 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