基于DSP的永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)設計

摘要：目前，在數控機床、自動化生產線、工業(yè)機器人等小功率應用場合，以永磁同步電機(PMSM)為控制對象的全數字交流伺服系統(tǒng)正逐步取代直流伺服系統(tǒng)。介紹了PMSM的數學模型和磁場定向控制原理，并以TMS320F2808型DSP為核心，結合伺服控制特點，設計了一套功能完善、實時性好的PMSM交流伺服系統(tǒng)。實驗結果表明電流環(huán)響應迅速、速度和位置閉環(huán)控制無穩(wěn)態(tài)誤差，證明所設計的硬件系統(tǒng)工作可靠，控制速度快。
關鍵詞：永磁同步電動機；數字信號處理器；伺服控制

1 引言
    隨著高效率的逆變器、數字信號控制器、高性能伺服電機和控制理論的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)成為必然的趨勢。
    PMSM轉子無勵磁繞組，電機運行效率高，采用高效的稀土永磁材料勵磁可以有效地減少電機體積重量，實現(xiàn)高力矩輸出，轉子轉動慣量明顯降低。因而PMSM廣泛應用于高性能的交流伺服驅動系統(tǒng)中。
    此處設計了一種以TMS320F2808型DSP為核心的全數字PMSM伺服控制硬件平臺，在此平臺上采用矢量控制算法控制PMSM，實現(xiàn)了位置、速度和電流三閉環(huán)控制。

2 位置伺服控制策略簡介
    沿用理想電機模型的一系列假設，經過一系列推導可得PMSM在轉子同步旋轉d，q坐標系下的數學模型。

    如果不考慮磁路的凸極效應，那么Ld=Lq。由式(2)可知，當is與d軸的夾角為90°時，可獲得最大轉矩。此時，Te=3npψfsisq／2，由此可得，只要保持is與d軸垂直，可像控制直流電機那樣，通過控制isq來控制轉矩，實現(xiàn)PMSM轉矩的線性化控制。圖1示出基于轉子磁場定向的PMSM伺服控制系統(tǒng)的結構圖。

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3 硬件系統(tǒng)設計
    此處以F2808DSP為核心，結合多種外圍擴展，構成一套功能完善、驅動簡單的PMSM驅動系統(tǒng)，其結構框圖如圖2所示。

    由圖可知，本系統(tǒng)的硬件結構主要由以下6部分構成：①PMSM；②DSP主控單元；③速度和位置檢測電路；④主功率部分和驅動電路；⑤電流檢測電路；⑥D／A轉換電路；⑦保護電路。
3．1 逆變電路設計
    主電路由三相橋式逆變電路組成。根據控制對象的額定參數，選用MOSFET功率管IRF540N作為逆變電路的功率開關器件?？紤]到功率器件的發(fā)熱問題，MOSFET功率管采用壁貼的安裝方法，解決了功率管的散熱問題。這種結構保證了系統(tǒng)有足夠的電壓、電流裕量，提高了系統(tǒng)的可靠性。
3．2 MOSFET驅動
    功率管的驅動芯片采用半橋驅動集成芯片IR2106。該芯片內部集成了互相獨立的驅動輸出電路。由于IR2130內部的6個驅動器輸出阻抗較低，直接應用其驅動功率MOSFET器件會引起MOSFET器件的快速開通與關斷，這樣會造成MOSFET器件漏-源極間的振蕩，將引起射頻干擾和造成MOSFET器件由于承受過高的du／dt而擊穿。所以在本設計中在MOSFET管的柵極與IR2106的輸出之間串聯(lián)一個4．7Ω的無感電阻。
3．3 采樣通道
    電流檢測的方法很多，在本伺服系統(tǒng)中采用電磁隔離霍爾電流傳感器CS040G進行電流檢測。CS040G的初級電流測量范圍為-20～20 A，對應的次級輸出電壓是-1～1 V。由于DSP A／D輸入端只能接收直流信號(0～3．3 V)，故由傳感器輸出來的信號還要經過電平抬升電路。
    采樣通道電壓抬升電路采用運算放大器LM324與外圍器件構成加法器，其輸入信號有：①霍爾元件的輸出電壓Uis；②電平抬升參考電壓信號Uref。輸出為電壓信號Uino，Uiso=1．5(Uin+Uref)。
    Uis信號幅值在±1 V內，Uref=1 V，因此可保證Uiso為正值。通過RC阻容構成低通濾波電路，消除開關干擾。DSP A／D輸入端通過二極管與3．3 V相連實現(xiàn)筘位保護。
3．4 D／A轉換電路
    為方便觀測電機調試過程中出現(xiàn)的中間變量，硬件系統(tǒng)增加了D／A輸出電路。目前D／A輸出主要有兩種方法：①采用軟件PWM方法，將數字量經一個I／O口輸出并接在一個簡單的RC低通濾波器上獲得模擬信號，該方案在高頻時效果不好；②硬件方法，該方案在低頻和高頻時，效果都很好，缺點是成本較高。本系統(tǒng)采用硬件方法實現(xiàn)。
    D／A轉換電路系統(tǒng)采用TLC5620芯片外加雙極性輸出電路，TLC5620是串聯(lián)型8位D／A轉換器。在控制TLC5620時，只要對該芯片的DATA，CLK，LDAC，LOAD端口控制即可。其中DATA為芯片串行數據輸入端，與DSP的SPI從輸入／主輸出引腳相連，CLK為芯片時鐘，接到DSP的SPI時
鐘引腳。數據在每個時鐘下降沿輸入DATA端，數據輸入過程中LOAD始終處于高電平，一旦數據輸入完成，LOAD置低，則轉換輸出，實驗中LDAC一直保持低電平。
3．5 過流故障信號檢測
    此平臺通過電流霍爾傳感器對母線電流進行檢測得到電壓信號MC，再通過跟隨器送入遲滯比較器與閾值電平比較，輸出電壓信號OC送入DSP的錯誤控制子模塊來實現(xiàn)過流信號的檢測。
3．6 脈沖輸入接口電路
    采用高速光耦合器6N137，其內部是由一個光敏二極管、高增益線性運放及一個肖特基箝位的集電極開路的三極管組成。

4 實驗研究
    實驗中采用三相PMSM，額定電壓為36 V，額定電流為7．6 A，額定轉速為3 000 r·min-1，額定功率為200 W，極對數為4，直軸電感為0．162 mH，交軸電感為0．142 mH，定子電阻為0．215 Ω，轉子感應到定子側的磁鏈為0．012 405 Wb。為了驗證硬件系統(tǒng)設計的可行性，編制了PMSM伺服控制軟件進行實驗研究，其軟件流程如圖3所示。

    采用C語言編寫伺服控制軟件，系統(tǒng)控制周期為40μs，ePWM事件下溢觸發(fā)A／D轉換，然后進入周期中斷，對采樣信號進行處理得出新的PWM控制信號。編碼器線數為1000。[!--empirenews.page--]
4．1 電流環(huán)實驗
    電流環(huán)是內環(huán)，其動態(tài)響應特性直接關系到矢量控制策略的實現(xiàn)。實驗中，給定電機定子q軸電流分量iqref為±8 A方波信號，給定d軸電流分量idref為零，使電機在電流環(huán)模式下運行，d，q軸電流響應如圖4所示。其中電流控制器比例系數Kp=0．72，積分系數Ki=0．06。
    由圖可知，實際q軸電流快速跟蹤其給定值，電流階躍8 A響應時間約為0．5 ms，且基本無超調；實際d軸電流控制在其給定值零附近，電流脈動僅有±0．4 A。實驗結果達到電流環(huán)的設計目的。

4．2 速度環(huán)實驗
    速度給定決定于外部脈沖頻率，其中Kp=2．14x10-2，Ki=1．62x10-6。其速度階躍響應波形如圖5所示?？芍?，速度階躍響應時間約為250 ms，速度動態(tài)響應較快，穩(wěn)態(tài)時速度跟蹤穩(wěn)定。

4．3 位置環(huán)實驗
    位置給定采用外部脈沖給定。在連續(xù)輸入指令脈沖電機連續(xù)運行時，位置響應及其誤差波形如圖6所示。θref表示位置脈沖給定Pg，θf表示位置反饋Pf。圖6b為位置誤差波形?？梢?，電機連續(xù)運行，位置跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差均值為零；動態(tài)脈動±12個指令脈沖，對應機械角誤差為±1．08°，實驗結果表明位置環(huán)工作穩(wěn)定。

5 結論
    以TMS320F2808 DSP為核心，結合永磁伺服控制特點，設計了一套永磁同步電動機伺服控制系統(tǒng)，實驗結果表明：①單片TMS320F2808型DSP資源即可最大限度地滿足永磁同步電動機伺服控制需要，系統(tǒng)成本低廉；②電流環(huán)響應迅速、速度和位置閉環(huán)控制無穩(wěn)態(tài)誤差，所設計系統(tǒng)工作速度快，且工作可靠。