摘 要: 采用數字信號處理器（DSP） 、大規模可編程門陣列（CPLD） 、智能化功率模塊（ IPM） 器件, 以轉子磁場定向矢量控制及電壓空間矢量（ SVPWM） 技術為核心控制算法, 開發了一款高性能、功能完善的、全數字的永磁同步電機（ PMSM） 交流伺服系統。實驗結果表明, 該交流伺服系統響應速度快, 剛度高, 達到了工業要求。 關鍵詞: 全數字; 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、電子技術、通訊技術、控制技術的快速提高, 采用全數字控制的永磁同步電機伺服系統已逐步取代傳統的步進伺服、直流伺服及采用模擬控制的交流伺服系統, 成為當代伺服控制的主流,被廣泛應用于高精度數控機床、機器人、特種加工裝備和精細進給系統中[ 1 ]。 本文作者采用TI公司專用于電機控制的DSP芯片TMS320LF2407, 以軟件方式實現矢量變換控制電流環、速度環及位置環的PID實時跟蹤技術; 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成了一套完整的永磁同步電機全數字交流伺服系統。 1　系統設計指標 以DSP為核心的全數字交流伺服系統主要技術指標如下: （1） 指令輸入模式: 脈沖列輸入方式、數字輸入方式、模擬輸入方式; （2） 工作模式: 位置、速度、轉矩控制方式; （3） 調速比: 1∶5 000; （4） 響應時間≤20ms; （5 ） 最高轉速: 3 000 r /min, 回轉定位精度1 /10 000 r; （6） 保護: 過電流、過電壓、欠電壓、電機失速、堵轉、過載、位置超差等自動保護。 2　調節器設計 交流伺服系統采用位置環、速度環、電流環控制[ 2 ]來保證伺服系統的高性能和高可靠性。伺服系統中所有的控制運算都是由DSP完成的。電流調節是通過調整電樞電流, 即調整IGBT占空比來實現的。電樞電流與IGBT 占空比的關系為[ 3 ] [img=127,64]http://www.siyutn.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片內的三相PWM電路能夠很方便地產生所需的IGBT占空比調制信號[ 4 ] , 它可以通過軟件設置PWM的開關頻率、死區時間、最小脈沖寬度和補償時間等來實現。IGBT占空比調節流程圖如圖1所示。 3　系統硬件設計方案 系統設計基于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內核, 采用改進的哈佛結構, 四級流水線操作, 片內集成的事件管理器EVA、EVB各包括3個獨立的雙向定時器, 支持產生可編程死區的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轉換器可同時并行完成兩個模擬輸入的轉換, 片內集成的串行通訊接口（ SCI） 及串行外設接口（ SPI） 可用于與上位機、外設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　系統板設計 伺服驅動器系統板主要由DSP最小系統、位置、速度檢測環節、電流檢測環節、通訊模塊等組成。 TMS320LF2407 最小系統由DSP 芯片、313V 電源、20MHZ晶振、外擴64K靜態RAM和外擴接線引腳組成。系統通過JTAG接口可以和仿真器連接, 進行在線調試。 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, 每個狀態表示60°電角度, 則當系統上電時, 三路霍爾信號可以提供轉子所在60°的位置區間。為了減小誤差, 取每個位置中間值作為轉子的初始位置, 這樣, 在電機起動時, 導通角與實際轉子位置最多有30°電角度的誤差。經過理論分析和實驗證明, 在最壞的情況下, 電機能夠產生足夠的轉矩起動。 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生的兩路脈沖信號進行4倍頻譯碼和計算[ 4 ] , 從而實現讀取處于轉動工作狀態下的電機轉子位置和轉速信息。編碼器信號A、B經由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內部有兩個10位的A /D轉換器,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, 再經放大濾波后進入DSP內部的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 ]。 伺服驅動傳統的模擬量控制接口, 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內核及SCI通信模塊, 為實時通信提供了方便。本系統采用SCI進行控制接口的設計[ 4 ]。 圖2　通訊硬件接口圖 如圖2 所示, 利用MAX3223 進行電平轉換,TMS320LF2407與PC 的通訊采用三線制, 通訊中,雙方都被看作終端設備, 采用全雙工模式。 3.2　主回路設計 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, 內部有驅動電路,并設計過壓、過流、過熱及欠電流保護電路。DSP輸出PWM信號經光電隔離輸入到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隔離送到DSP。當出現故障信號,DSP立刻封鎖PWM輸出, 從而保證安全運行。主回路設計如圖3所示。 4　系統軟件設計 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試。為提高控制的實時性, 軟件采用中斷服務來實現AD 轉換、QEP捕捉和PI調節。 [align=center] 圖4 [/align] 系統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信號確定轉子磁極初始位置, 然后觸發PWM信號, 使電機旋轉; 得到Z信號后, 系統進入主循環。DSP每個PWM周期采樣相電流, 進行電流調整; 電流環循環計數值與給定值相等時, 進行速度調整, 系統主程序如圖4所示。主循環中進行上位機與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, 穩態誤差小于1% 最大超調量小于5% , 因此該系統具有良好的動態性能; 圖7記錄了系統穩定性試驗的過程, 在115 s時刻系統突加50%負載, 可以看到該系統很快恢復到穩定狀態; 圖8 顯示的是系統跟隨性能試驗的結果,在系統零速狀態下, 輸入對應于額定轉速的階躍指令,可以看出系統響應速度快, 跟隨性能優越; 在位置跟試驗中, 通過輸入不同頻率（ 0 < F <500kHz） 的脈沖指令,通過觀察該系統面板操作器上的位置偏移脈沖監視, 可以看到該系統的定位精度為±1 個脈沖。 6　結論 以永磁同步電機、DSP、CPLD、IPM和光電編碼器構成的交流伺服系統具有硬件結構簡單、可靠性高、控制精度高、動態響應快等優點。電流環采樣頻率可以達到10kHz以上, 可以提供足夠的頻帶寬, 從而實現高精度、快速響應的伺服系統。實驗證明,該矢量控制系統各項指標均滿足工程設計要求, 具有良好的動態性能。 參考文獻 【1】王健. 現代交流伺服系統技術和市場發展綜述[ J ].伺服控制, 2007 （1）. 【2】郭慶鼎, 王成元. 交流伺服系統[M ]. 北京: 機械工業出版社, 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設計[ J ]. 船電技術, 2004 （2）. 【4】劉和平, 嚴利平, 張學鋒, 卓清鋒. TMS320LF240XDSP結構、原理、應用[M ]. 北京: 北京航空航天出版社, 200213.