基于ARM+CPLD全數字伺服驅動器的設計與實現

沈陽，舒志兵，吳晨軍，高春寶

(1.南京工業大學自動化與電氣工程學院，江蘇南京211816;2.南京冠騰自動化科技有限公司，江蘇南京 211100)

近年來，電力電子和計算機控制技術發展十分迅速，伺服驅動技術也得到了迅猛發展。伺服驅動器在經歷了模擬式、模數混合式階段之后，現在已進入了全數字化時代。全數字伺服不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺點，還充分發揮了數字控制在控制精度上的優勢和控制方法的靈活性，使伺服驅動器結構簡單、性能更加可靠［1］。全數字伺服驅動器已經廣泛應用于數控加工、工業機器人、航空航天等領域，這也就對全數字伺服驅動器的速度、精度等有了更高的要求，也對驅動器的其他性能指標有了特殊的要求。

設計了一款基于ARM+CPLD的伺服驅動器，簡要介紹了其硬件和軟件的設計，通過實驗證明了該驅動器的性能良好。實現了驅動器的高性能，同時也降低了成本。

1 伺服驅動器的控制原理

1.1 矢量控制

矢量控制 (Vector Control)的基本思想是檢測和控制電樞電流，分別對ids和iqs進行控制，從而控制轉矩。dq軸下的永磁同步電機的狀態方程為式 (1):

對應的轉矩方程為式 (2):

其中:Ψfa為轉子磁極與d軸繞組之間的磁鏈。

為了達到和直流電機一樣的控制性能，通常采用ida=0的控制策略，這樣不會產生由它引起的銅耗，實現電機的最大效率。

1.2 電流控制器設計

永磁同步電機控制系統要求電機的轉矩能夠響應迅速，因此要對電流進行反饋，電流控制器的設計就極為重要。文中依舊采用經典的PI控制器，其中:比例系數可以提高開環穿越角頻率，從而提高系統響應速度;積分時間常數可以減小穩態誤差。

1.3 速度控制器設計

速度控制器默認采用PI調節器，其比例增益直接關系到電機的響應速度，積分時間常數則會對系統的穩態誤差和整個速度環的穩定性有著較大影響。當速度環PDFF控制系數偏大時，系統的響應頻率會較高，其值偏小，則系統剛度較大，即抵抗偏差的能力大;中等數值則可以兼顧頻率響應和剛度。可通過修改P018號參數切換為IP控制器或者PDFF控制器。

1.4 位置控制器設計

位置控制器采用了速度前饋。增大比例增益可以減小位置滯后量，但是如果比例增益過大則會導致系統發生位置超差，即發生過沖，而采用速度前饋控制可以不增加位置環的增益，同時可以較大地減少跟蹤誤差，并且速度前饋可以縮短定位時間。位置環前饋濾波時間常數可以提高位置控制響應，過大則會造成系統不穩定，產生振蕩。

2 硬件設計

全數字伺服驅動器的硬件主要由功率板、控制板和顯示板3個部分組成，其整體框架如圖1所示。

圖1 硬件整體構架

2.1 功率板

伺服驅動器的主回路主要分為整流器、濾波電路、IPM等模塊。驅動外接三相220 V的交流電，經過三相整流器和濾波電路后，送入IPM逆變器。逆變器經過交直交輸出三相交流電控制電機。設計的IPM采用IM13400，該IPM具有損耗低、短路承受能力強、抑制噪聲能力強等特點。在功率板中設置了高低壓報警、電流反饋異常報警、超速報警等報警功能，保護驅動器的正常工作。

2.2 控制板

伺服驅動器的控制板以意法半導體公司的STM32F205Z為控制核心，輔以CPLD，共同完成整個驅動器的控制部分。STM32F205Z是ST公司的32位微控制器，其內核是Cortex-M3。該芯片集成了ADC、CAN、SPI、定時器等功能，最高工作頻率可達120MHz，具有功耗低、成本低等特點。STM32F205Z主要完成矢量變換，電流環、速度環、位置環控制，產生PWM信號等。CPLD采用了Altera公司的EPM570T144C，該芯片屬于Altera公司MAX II系列產品，相較于其他CPLD，其成本減半，功耗降為其他CPLD的1/10，但性能卻翻了1倍。CPLD主要完成外部按鍵、數碼管顯示、報警等。

2.3 顯示板

顯示板主要由按鍵和數碼管以及LED組成，用于參數代碼、報警代碼、工作狀態的顯示與調整等。

3 軟件設計

當系統上電后，主程序先進行參數初始化，然后開始循環等待。主程序的流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

整個伺服驅動的控制部分主要由中斷服務程序完成，包括了位置環、速度環、電流環的參數計算，以及SVPWM波生成。中斷服務程序的具體流程如圖3所示。

圖3 中斷服務程序流程圖

4 實驗分析

為了驗證該伺服驅動器的性能，按照圖4所示方法，采用安川5代電機及安川驅動SGDV-120A01A進行對拖，數控系統采用華興WA-99T。安川驅動SGDV-120A01A自帶模擬量監視接口，只需連接其CN5接口至示波器便可觀察轉速波形。

圖4 實驗平臺接線圖

系統給定轉速2 000 r/min，安川驅動不給使能，待測電機空載時，轉速響應曲線如圖5所示;穩定運行時A相電流如圖6所示;將安川驅動的CW內部轉矩限制 (pn402)從0設為10，負載突變時的電流和轉速曲線如圖7所示。

圖5 速度響應曲線

圖6 A相電流波形

圖7 負載突變時電流和轉速

由圖5可知:待測伺服驅動的速度響應時間約為30 ms，啟動和制動時的加減速非常迅速，且運行平穩，超調量很小;由圖6可知:電機穩定運行時，A相電流的正弦波較為平滑;由圖7可以看出:安川驅動的CW內部轉矩限制從0突變為10，相當于給待測電機突加10%的額定負載，當負載突變時，電機的A相電流迅速增大且穩定，轉速在負載突變時略微有所波動，很快地又恢復到指令值。

5 結論

由實驗結果可見，該款基于ARM+CPLD的全數字交流伺服驅動器具有較好的動態響應能力，能夠準確迅速地跟蹤指令，性能較好。該驅動不僅達到了伺服系統的控制要求，同時也降低了一定成本。綜上所述，該設計是合理的。

［1］邢杰.基于DSP的全數字交流伺服驅動器設計［J］.機械管理開發，2005(2):59－60.

［2］李國珍.交流電機控制基礎［M］.北京:化學工業出版社，2009.

［3］于樂華.永磁同步電機伺服系統控制器參數自整定技術的研究［D］.濟南:山東大學，2012.

［4］劉日寶，王愛祥.基于DSP+FPGA的交流伺服驅動器設計［J］.微特電機，2011(11):21－23.

［5］王成元.現代電機控制技術［M］.北京:機械工業出版社，2013.

［6］劉日寶.全數字永磁交流伺服驅動系統的研究［D］.南京:南京航空航天大學，2004.

［7］GU Bon-Gwan，NAM Kwanghee.A Vector Control Scheme for a PM Linear Synchronous Motor in Extended Region［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2003，39(5):1280－1287.

［8］姚文詳.ARM Cortex-M3權威指南［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2009.

［9］彭剛，秦志強.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器應用實踐［M］.北京:電子工業出版社，2011.

［10］SHARMA R，SANADHYA V，BEHERA L，et al.Vector Control of a Permanent Magnet Synchronous Motor［C］//IEEE India Conference，2008.

［11］胡壽松.自動控制原理［M］.4版.北京:科學出版社，2001.