摘 要: 采用數(shù)字信號處理器（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（ PMSM） 交流伺服系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明, 該交流伺服系統(tǒng)響應速度快, 剛度高, 達到了工業(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 隨著計算機技術(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伺服系統(tǒng)已逐步取代傳統(tǒng)的步進伺服、直流伺服及采用模擬控制的交流伺服系統(tǒng), 成為當代伺服控制的主流,被廣泛應用于高精度數(shù)控機床、機器人、特種加工裝備和精細進給系統(tǒng)中[ 1 ]。 本文作者采用TI公司專用于電機控制的DSP芯片TMS320LF2407, 以軟件方式實現(xiàn)矢量變換控制電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)的PID實時跟蹤技術(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全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)。 1　系統(tǒng)設(shè)計指標 以DSP為核心的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)主要技術(shù)指標如下: （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） 響應時間≤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: 過電流、過電壓、欠電壓、電機失速、堵轉(zhuǎn)、過載、位置超差等自動保護。 2　調(diào)節(jié)器設(shè)計 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 為平均負載輸出電流; D為斬波器占空比; R 為電樞電阻; E為電機反電勢; 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[ 4 ] , 它可以通過軟件設(shè)置PWM的開關(guān)頻率、死區(qū)時間、最小脈沖寬度和補償時間等來實現(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)計方案 系統(tǒng)設(shè)計基于TI公司的TMS320LF2407 （DSP） ,是專為電機控制而推出的一代微控制器, 它具有高性能的C2XLP內(nèi)核, 采用改進的哈佛結(jié)構(gòu), 四級流水線操作, 片內(nèi)集成的事件管理器EVA、EVB各包括3個獨立的雙向定時器, 支持產(chǎn)生可編程死區(qū)的PWM輸出; 4個捕獲口中的兩個可以直接連接來自光電編碼器的正交編碼脈沖; 兩個獨立的10位八路A /D轉(zhuǎn)換器可同時并行完成兩個模擬輸入的轉(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、外設(shè)和多處理器之間的通訊。40 個可獨立編程的復用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的這些性能為電機控制提供了可行的解決方案。 3.1　系統(tǒng)板設(shè)計 伺服驅(qū)動器系統(tǒng)板主要由DSP最小系統(tǒng)、位置、速度檢測環(huán)節(jié)、電流檢測環(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64K靜態(tài)RAM和外擴接線引腳組成。系統(tǒng)通過JTAG接口可以和仿真器連接, 進行在線調(diào)試。 采用復合式增量光電編碼器作為位置檢測裝置,其輸出為6路信號, 其中兩路為正交的A、B脈沖信號, 一路為零位檢測脈沖信號Z, 另三路為相差120°的霍爾位置信號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位置這一問題。三路霍爾可以有6個狀態(tài), 每個狀態(tài)表示60°電角度, 則當系統(tǒng)上電時, 三路霍爾信號可以提供轉(zhuǎn)子所在60°的位置區(qū)間。為了減小誤差, 取每個位置中間值作為轉(zhuǎn)子的初始位置, 這樣, 在電機起動時, 導通角與實際轉(zhuǎn)子位置最多有30°電角度的誤差。經(jīng)過理論分析和實驗證明, 在最壞的情況下, 電機能夠產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩起動。 正常工作時, 對正交的A、B脈沖信號進行累積計算, 可以得到轉(zhuǎn)子的相對角位移。電機速度的計算通過求單位時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） 電路可以對增量式光電碼盤產(chǎn)生的兩路脈沖信號進行4倍頻譯碼和計算[ 4 ] , 從而實現(xiàn)讀取處于轉(zhuǎn)動工作狀態(tài)下的電機轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信息。編碼器信號A、B經(jīng)由CPLD進行去噪處理后直接接到DSP的QEP1、QEP2引腳。 采用變比1∶1 000的霍爾元件檢測主回路電流信號。TMS320LF2407內(nèi)部有兩個10位的A /D轉(zhuǎn)換器,每一個可以接8 路模擬信號。TMS320LF2407 的A /D輸入信號范圍為0～5V, 先將霍爾輸出的小電流信號變換為電壓信號, 再經(jīng)放大濾波后進入DSP內(nèi)部的A /D通道進行反饋控制。只需檢測兩路電流信號即可對電機電流進行控制[ 4 ]。 伺服驅(qū)動傳統(tǒng)的模擬量控制接口, 容易受到外部信號干擾, 傳輸距離短。我國目前伺服驅(qū)動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, 為實時通信提供了方便。本系統(tǒng)采用SCI進行控制接口的設(shè)計[ 4 ]。 圖2　通訊硬件接口圖 如圖2 所示, 利用MAX3223 進行電平轉(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 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)動電路,并設(shè)計過壓、過流、過熱及欠電流保護電路。DSP輸出PWM信號經(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也經(jīng)隔離送到DSP。當出現(xiàn)故障信號,DSP立刻封鎖PWM輸出, 從而保證安全運行。主回路設(shè)計如圖3所示。 4　系統(tǒng)軟件設(shè)計 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所編寫的程序進行調(diào)試。為提高控制的實時性, 軟件采用中斷服務來實現(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信號確定轉(zhuǎn)子磁極初始位置, 然后觸發(fā)PWM信號, 使電機旋轉(zhuǎn); 得到Z信號后, 系統(tǒng)進入主循環(huán)。DSP每個PWM周期采樣相電流, 進行電流調(diào)整; 電流環(huán)循環(huán)計數(shù)值與給定值相等時, 進行速度調(diào)整, 系統(tǒng)主程序如圖4所示。主循環(huán)中進行上位機與DSP的通訊,如圖5所示。 5　實物實驗 實驗用電機參數(shù)如表1所列, 圖6給出了空載情況下目標速度為200 r /min 時的速度階躍響應特性,由圖6可以看出其響應時間為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)具有良好的動態(tài)性能; 圖7記錄了系統(tǒng)穩(wěn)定性試驗的過程, 在115 s時刻系統(tǒng)突加50%負載, 可以看到該系統(tǒng)很快恢復到穩(wěn)定狀態(tài); 圖8 顯示的是系統(tǒng)跟隨性能試驗的結(jié)果,在系統(tǒng)零速狀態(tài)下, 輸入對應于額定轉(zhuǎn)速的階躍指令,可以看出系統(tǒng)響應速度快, 跟隨性能優(yōu)越; 在位置跟試驗中, 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 個脈沖。 6　結(jié)論 以永磁同步電機、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)簡單、可靠性高、控制精度高、動態(tài)響應快等優(yōu)點。電流環(huán)采樣頻率可以達到10kHz以上, 可以提供足夠的頻帶寬, 從而實現(xiàn)高精度、快速響應的伺服系統(tǒng)。實驗證明,該矢量控制系統(tǒng)各項指標均滿足工程設(shè)計要求, 具有良好的動態(tài)性能。 參考文獻 【1】王健. 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)技術(shù)和市場發(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: 機械工業(yè)出版社, 1994. 【3】劉念洲, 劉曉林, 王堅強. 基于DSP的永磁同步電機控制系統(tǒng)設(shè)計[ J ]. 船電技術(shù), 2004 （2）. 【4】劉和平, 嚴利平, 張學鋒, 卓清鋒. TMS320LF240XDSP結(jié)構(gòu)、原理、應用[M ]. 北京: 北京航空航天出版社, 200213.