基于DSP的永磁同步電機(jī)軟件式交流伺服系統(tǒng)

系統(tǒng)1充分利用TM SF243 DSP外設(shè)接口豐富、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，采用坐標(biāo)變換磁場定向控制、空間矢量PWM與數(shù)字PI控制策略，以光電脈沖編碼器作為位置和速度傳感器，實(shí)現(xiàn)軟件式交流伺服系統(tǒng)的位置與速度控制1介紹軟件交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制軟件體系，并進(jìn)一步給出了實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果1引言伺服系統(tǒng)廣泛用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、印刷、包裝、食品、輸送、紡織等自動化機(jī)械設(shè)備1近年來，隨著計(jì)算機(jī)、電力電子、控制理論、永磁電機(jī)材料等技術(shù)的發(fā)展，伺服技術(shù)已迎來了新的發(fā)展機(jī)遇1伺服系統(tǒng)由傳統(tǒng)的步進(jìn)伺服、直流伺服發(fā)展到以永磁電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)為伺服電機(jī)的新一代交流伺服系統(tǒng)由于永磁伺服電機(jī)具有轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，響應(yīng)速度快，效率高，功率密度高，電機(jī)體積小，消除電刷而減少噪音和維護(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1永磁無刷電機(jī)有兩種形式：方波式和正弦波式1這兩種電機(jī)結(jié)構(gòu)基本一樣，即定子為對稱三相繞組，轉(zhuǎn)子為永久磁體勵磁1對于方波反電勢電機(jī)即永磁無刷直流電機(jī)，其控制原理由直流電機(jī)發(fā)展而來，采用兩組接通控制策略，作原理由交流電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速發(fā)展而來，它采用三相接通控制策略，由正弦電流驅(qū)動以獲得更好的性能如無轉(zhuǎn)矩波動等1本文主要研究以PMSM為伺服電機(jī)的伺服系統(tǒng)1通常伺服系統(tǒng)的組成如圖1，其核心為伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)。交流電機(jī)的控制采用坐標(biāo)變換磁場定向矢量控制，其控制算法較為復(fù)雜1伺服控制器可以由模擬電路實(shí)現(xiàn)模擬控制，也可以由數(shù)字電路、十六位單片機(jī)如80C196實(shí)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)字控制1新一代先進(jìn)處理器的出現(xiàn)，進(jìn)一步發(fā)展到伺服系統(tǒng)的全數(shù)字、全軟件控制1先進(jìn)處理器是指近來推出的幾類高速控制、制造業(yè)自動化1艾興，中國工程院院士，教授，博導(dǎo)1許傳俊，教授1張承瑞，教授，博導(dǎo)1張東亮等：基于DSP的永磁同步電機(jī)軟件式交流伺服系統(tǒng)性能處理器如數(shù)字信號處理器DSP（ Digital Signal Processor）、精簡指令系統(tǒng)微處理器（ RISC）、并行處理器等1軟件伺服控制是將伺服系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)與位置環(huán)全部用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，為進(jìn)一步采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊控制等智能控制理論，并采用高速網(wǎng)絡(luò)通訊接口，實(shí)現(xiàn)開放式運(yùn)動控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ)1控制系統(tǒng)采用美國德州儀器公司T I最新推出的F243 DSP為控制核心，組成的伺服系統(tǒng)只需要很少的系統(tǒng)元件，其性能高，成本較低1本文探討PM SM軟件式交流伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制策略與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步給出其軟件體系和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果1伺服系統(tǒng)控制理論分析永磁同步伺服電機(jī)矢量控制矢量控制的思想是將交流電機(jī)定子三相靜止坐標(biāo)物理量變換到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的解耦控制1對于三相永磁同步伺服電動機(jī)對稱接法，通常無中線，三相電流之和為零，三個變量只有兩個是獨(dú)立的，即這時坐標(biāo)變換的公式可以得以簡化，三相到兩相靜止坐標(biāo)變換即A、B變換的關(guān)系式為兩相靜止坐標(biāo)變換到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)即d、q變換，其中， H為轉(zhuǎn)子d軸領(lǐng)先定子a相的電氣角度1坐標(biāo)變換后，定子電壓方程可以大為簡化，相應(yīng)的d、q坐標(biāo)電壓方程即Park方程為其中， R為定子相電阻 p= d/ dt為微分算子 X為電氣角度速度， X= p H= d H/ dt 7為d、q軸磁鏈， 7為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈，為一常數(shù)1L為d、q軸電感1）電磁轉(zhuǎn)矩方程為其中， p為電機(jī)極對數(shù)1可見電磁轉(zhuǎn)矩由兩項(xiàng)組成，第一項(xiàng)為基本轉(zhuǎn)矩，與交軸電流i成正比第二項(xiàng)為磁阻轉(zhuǎn)矩，是由d、q軸同步電感不同造成的，且與d、q軸電流的乘積成正比1如不考慮凸極效應(yīng)，即L a，則該項(xiàng)為零1而機(jī)械運(yùn)動方程為其中， T為機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 8 = X/ p為機(jī)械角速度 J為轉(zhuǎn)動慣量 B為阻尼系數(shù)1山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報由上述電壓方程和運(yùn)動方程可得到以i、8為狀態(tài)變量的同步伺服電機(jī)狀態(tài)方程1它是多變量非線性狀態(tài)方程，即包含d、q軸坐標(biāo)電樞電流i的乘積項(xiàng)，且i之間有耦合關(guān)系1由于存在這一耦合，電磁轉(zhuǎn)矩不能實(shí)現(xiàn)線性化控制1交軸電流i為轉(zhuǎn)矩電流分量，對電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生起主要作用1通常勵磁電流分量i對電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生貢獻(xiàn)不大，且存在使永磁體去磁的可能，故控制i = 0，則電磁轉(zhuǎn)矩方程和d軸電壓方程分別為電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電流i成正比，這類似于傳統(tǒng)直流電機(jī)，則能夠?qū)崿F(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩的線性化控制1因此，采用i = 0的矢量控制，可以得到優(yōu)良的轉(zhuǎn)速控制特性1電壓空間矢量PWM方法脈寬調(diào)制（ PWM）是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖序列，并通過控制脈沖寬度和脈沖序列的周期以達(dá)到調(diào)壓、調(diào)頻、控制諧波等目的1PWM控制技術(shù)從電壓波形正弦到電流波形正弦，再進(jìn)一步發(fā)展到磁通正弦即空間電壓矢量法（ SVPWM ）1SVPWM是從電機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場即正弦磁通1它以三相正弦波電壓供電時交流電機(jī)的理想磁通軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，從而達(dá)到較高的控制性能，即可以獲得更小的電流諧波含量與更大的電源電壓利用率逆變器主回路（如圖2）的6個開關(guān)管Q可以形成8個開關(guān)量，分別對應(yīng)8個空間矢量，以Q和Q的開關(guān)狀態(tài)來表截止，而Q的狀態(tài)與對應(yīng)的Q和Q正好相反1其中6種狀態(tài)（ 001 ）為非零矢量16種非零矢量輸出電壓，并在電機(jī)中形成6個工作磁鏈?zhǔn)噶?，?種不同工作矢量所形成的實(shí)際磁鏈來追蹤三相對稱正弦波供電時定子上的理想磁鏈圓，即可得到PWM調(diào)制時的等效基準(zhǔn)磁鏈圓，矢量圖如圖31當(dāng)輸出電壓矢量U旋轉(zhuǎn)到某扇區(qū)時，由組成該扇區(qū)的兩個非零矢量U分別作用T時間，時間分解如圖3所示1為補(bǔ)償U(kuò)的旋轉(zhuǎn)頻率，插入零矢量O或O 000，時間為T或O其中， T為PWM周期1數(shù)字PI調(diào)節(jié)器PI控制器的控制規(guī)律為張東亮等：基于DSP的永磁同步電機(jī)軟件式交流伺服系統(tǒng)其中， u（ t ）為輸出信號， e 為輸入偏差信號， K為比例系數(shù)， T為積分時間常數(shù)1若采樣周期T取得足夠短，則離散化的PI表達(dá)式為其中， k為采樣序號 u （ k ）為第k次采樣時刻的控制器輸出值 e（ k）為第k次采樣時刻的輸入值積分系數(shù)K這種PI算法的局限在于，由于運(yùn)行時較大的給定值變化及負(fù)載變化會導(dǎo)致控制器變量及輸出的飽和與溢出，這種非線性可能增加系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時間，導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)性能變差1為解決這一問題，可以增加一個積分校正環(huán)節(jié)1當(dāng)控制量進(jìn)入飽和區(qū)后，進(jìn)行積分校正，執(zhí)行削弱積分的運(yùn)算，這樣可以避免控制量長期停留在飽和區(qū)1帶輸出限幅與積分校正環(huán)節(jié)的數(shù)字PI算法如下：而積分項(xiàng)此處積分校正系數(shù)K控制原理綜上所述，位置伺服系統(tǒng)的控制原理如圖4所示1系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)與電流環(huán)全部山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報由軟件實(shí)現(xiàn)，均采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)器1坐標(biāo)變換矢量控制、空間矢量PWM等均由軟件完成1位置檢測采用增量式光電編碼器，轉(zhuǎn)速n由機(jī)械位置H微分求得1去掉外面的位置環(huán)可以實(shí)現(xiàn)速度伺服系統(tǒng)的控制1伺服控制系統(tǒng)硬件與軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件構(gòu)成及DSP基本特性伺服系統(tǒng)主要由用于控制的MSK243 DSP板、PM50逆變器功率放大板和永磁同步伺服電機(jī)及其同軸光電編碼器等組成1功放板包括MOSFET功率場效應(yīng)管逆變橋及其驅(qū)動電路（ IR2S） ，還包括電流檢測電路等1本系統(tǒng)采用逆變器橋臂串接電阻并結(jié)合軟件的方法，可以實(shí)現(xiàn)低成本的電流檢測1 M SK243 DSP板的核心為TM SF243 DSP1這種DSP是T I公司為數(shù)字電機(jī)控制和運(yùn)動控制優(yōu)化設(shè)計(jì)的DSP控制器TM SX24X的一種1主要由CPU、片內(nèi)544字RAM與8K字Flash EPROM、事件管理器、片內(nèi)外設(shè)接口等幾部分組成F243 CPU具有16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核，指令系統(tǒng)豐富靈活1運(yùn)算速度為20M IPS，即指令周期為50 ns1它采用先進(jìn)的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器具有各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，分開的程序與數(shù)據(jù)存儲空間使得CPU可以并行訪問程序與數(shù)據(jù)1用于數(shù)據(jù)讀和寫的地址總線各自分開，使得在一個指令周期內(nèi)可以完成數(shù)據(jù)的存入取出操作1這種高速運(yùn)算能力使得一些復(fù)雜控制算法如智能控制能得以實(shí)現(xiàn)實(shí)時運(yùn)算1事件管理器對運(yùn)動控制提供了一些非常有用的功能11）兩個16位通用定時器T1、T2，可用于產(chǎn)生采樣周期、作為比較單元產(chǎn)生PWM輸出的時間基準(zhǔn)、作為QEP電路的時間基準(zhǔn)（只能用T2）等12）比較單元與CMP/ PWM輸出1共有3個全比較單元，每個全比較單元以定時器T1為時間基準(zhǔn)，可輸出2路帶可編程死區(qū)的CMP/ PWM信號， 3個全比較單元可輸出6路互補(bǔ)的PWM信號1通過設(shè)置T 1為不同工作方式，可選擇輸出非對稱PWM波形、對稱PWM波形和空間矢量PWM波形13）正交編碼脈沖（ QEP）接口單元1對光電編碼器輸出的相差90b的A、B兩路脈沖信號可進(jìn)行鑒相和4倍頻1外設(shè)接口單元提供了方便的輸入輸出控制電路11）一個準(zhǔn)雙10位A/ D電路，包含內(nèi)部采樣保持電路，共8個A/ D通道1每個通道的****轉(zhuǎn)換時間僅為0. 85 Ls，完成兩相電流的檢測只需1. 7 Ls12）一個異步串行接口SCI和一個同步串行接口SPI1SCI為通用異步收發(fā)器（ UART） ，可用于與PC機(jī)進(jìn)行串行通訊13）監(jiān)視定時器（ WD）與實(shí)時定時器中斷（ RT I） ，監(jiān)控系統(tǒng)軟件及硬件工作，在CPU工作混亂時，產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位15） CAN現(xiàn)場總線模塊1基于DSP的軟件式伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示1伺服系統(tǒng)的電流、速度和位置反饋信號分別由TMSF243 DSP的A/ D轉(zhuǎn)換接口和QEP單元輸入，控制器輸出直接控制比較單元的比較值，從而控制輸出PWM脈沖的寬度， PWM信號經(jīng)功率場效應(yīng)管MOSFET構(gòu)成的橋式逆變電路驅(qū)動伺服電機(jī)1用SCI接口完成與上位機(jī)的串行通訊功能1通過上位機(jī)可以設(shè)定參考給定位置、速度、電流，也可將位置、速度、電流反饋檢測量實(shí)時傳送到上位機(jī)顯示，也可以通過數(shù)字I/ O擴(kuò)展的鍵盤設(shè)定給定量，由SPI接口完成串行驅(qū)動數(shù)碼管顯示功能1伺服系統(tǒng)與CNC數(shù)控系統(tǒng)的接口除了通常的模擬速度接口外，還增加了脈沖數(shù)字量接口和張東亮等：基于DSP的永磁同步電機(jī)軟件式交流伺服系統(tǒng)串行通訊網(wǎng)絡(luò)接口1軟件結(jié)構(gòu)伺服系統(tǒng)軟件包括PC上位主機(jī)部分和DSP控制部分1軟件實(shí)現(xiàn)上述的控制原理及系統(tǒng)功能1上位機(jī)軟件為用戶圖形界面，采編程設(shè)計(jì)，通過串行通訊實(shí)現(xiàn)圖形界面下控制器參數(shù)調(diào)整、標(biāo)志設(shè)置、變量設(shè)定與狀態(tài)顯示等功能1 DSP方控制軟件采用匯編語言與C語言結(jié)合編程，利用集成開發(fā)環(huán)境Code Com poser進(jìn)行開發(fā)調(diào)試1軟件可分為以下邏輯層： I/ O接口層、實(shí)時中斷層、I/ O數(shù)據(jù)層和管理層1I/ O接口層包括： （ 1） SCI接口串行通訊 （ 2） ADC接口用于電流檢測 （ 3） PWM接口用于產(chǎn)生逆變器命令（定時器T1產(chǎn)生PWM周期）　（ 4）定時器T1用于產(chǎn)生電流、速度與位置采樣周期 （ 5） QEP單元和定時器T2用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)子位置1實(shí)時中斷層包括定時器T 1實(shí)時中斷、A/ D轉(zhuǎn)換中斷和串行通訊實(shí)時中斷1在定時器T1實(shí)時中斷程序中，進(jìn)行正弦函數(shù)查表、坐標(biāo)變換、數(shù)字PI控制等1I/ O數(shù)據(jù)交換層包括串行接收與發(fā)送數(shù)據(jù)交換，電流、速度、位置給定值與測量值數(shù)據(jù)交換1管理層包括上位機(jī)命令解釋、參考給定生成、運(yùn)動語言解釋程序、鍵盤顯示人機(jī)接口等1實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)裝置由永磁同步伺服電機(jī)、DSP板、逆變器功放板和一臺奔騰óPC計(jì)算機(jī)組成1伺服電機(jī)內(nèi)裝分辨率為500線/ r的光電脈沖編碼器，四倍頻后為2000脈沖/ r，用于速度控制與位置控制的反饋1永磁同步伺服電機(jī)的規(guī)格參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)矩T壓U = 19V額定電流I = 90 Ls反電勢常數(shù)K轉(zhuǎn)矩常數(shù)K = 25 mNm/ A轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量機(jī)械時間常數(shù)T = 8 ms電機(jī)極對數(shù)P先后進(jìn)行了速度控制與位置控制實(shí)驗(yàn)1PWM頻率的選擇取決于電氣時間常數(shù)，本系統(tǒng)PWM頻率選為20 kHz1位置控制時q軸與d軸電流控制參數(shù)：采樣周期T = 100 Ls，比例系數(shù)K = 20位置控轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線和位置響應(yīng)曲線分別如圖6， 7所示，性能曲線由T echnosoft運(yùn)動控制實(shí)驗(yàn)記錄1實(shí)驗(yàn)表明，采用TM SF243 DSP為核心組成的軟件伺服系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)快速和高精度的速度與位置伺服控制1山東工業(yè)大學(xué)學(xué)報結(jié)論（ 1）理論與實(shí)驗(yàn)表明，矢量控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)永磁同步電機(jī)的無脈動轉(zhuǎn)矩實(shí)時控制，定子電流的幅值無論是瞬態(tài)還是穩(wěn)態(tài)總是可以控制的1空間矢量PWM算法適合于與矢量控制算法配合產(chǎn)生永磁同步電機(jī)參考給定電壓1（ 2）采用F243 DSP為核心組成的伺服控制系統(tǒng)，只需很少的系統(tǒng)元件，其性能高，成本較低1所選定點(diǎn)DSP是目前用于運(yùn)動控制方面比較理想的選擇，其價格低于通常模擬電路的價格，系統(tǒng)有很高的性能價格比1DSP的高速性能為實(shí)時智能控制策略的實(shí)現(xiàn)提供了現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)1（ 3）伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟件數(shù)字控制后，系統(tǒng)的控制精度、功能和抗干擾性都得到了很大提高1所提出的基于DSP的永磁同步電機(jī)軟件式交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制方法可以用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域