永磁同步電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)實驗平臺設(shè)計

沈震++張成德++劉巧棣

摘要：近些年來，交流伺服系統(tǒng)在工控、軍工、民用、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。對于永磁同步電機伺服系統(tǒng)，除了要求具有動態(tài)響應(yīng)迅速、穩(wěn)態(tài)運行可靠的特性外，還要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位和快速跟蹤。本文從硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分分析永磁同步電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案，結(jié)合永磁同步電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)硬件實驗平臺開發(fā)了電機驅(qū)動系統(tǒng)測試軟件，并進行了電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的調(diào)試實驗。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機；DSP芯片；實驗驗證

中圖分類號：TM351 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0016-01

1 引言

近些年來，交流伺服系統(tǒng)在工控、軍工、民用、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。對于永磁同步電機伺服系統(tǒng)，除了要求具有動態(tài)響應(yīng)迅速、穩(wěn)態(tài)運行可靠的特性外，還要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位和快速跟蹤。本文結(jié)合永磁同步電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)實驗平臺開發(fā)設(shè)計，將模糊控制和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，使系統(tǒng)既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強的優(yōu)點，又具有PI控制精度高的特點。

2 實驗平臺硬件設(shè)計

永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)實驗平臺硬件由驅(qū)動電源電壓的整流和逆變模塊、反饋信號（位置、電流）檢測模塊以及相應(yīng)的硬件保護等模塊組成。本設(shè)計采用的DSP芯片為TI公司的TMS320F28335，這是一款浮點類型的處理器，主頻高能高效率運行負載控制算法，尤其是矢量控制算法以及高頻率電流環(huán)處理的采集運算，大量傳感器模擬和數(shù)字信號濾波計算等實時控制。

2.1 主電路

主電路是驅(qū)動系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的通路，用來將電能直接轉(zhuǎn)化為驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩的機械能。采用交流直流交流方式將電能轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)方式，對三相220V交流供電進行全橋不可控整流。逆變部分采用IPM智能功率模塊，將母線直流電轉(zhuǎn)化為交流電，其IPM內(nèi)部集成了IGBT驅(qū)動電路，性能穩(wěn)定，避免在外部搭建PWM驅(qū)動電路而造成的控制系統(tǒng)繁瑣，縮短了PWM信號在PCB板上的走線長度，避免了周邊電路帶來的干擾。在由DSP發(fā)出的SVPWM信號采用光耦隔離后由系統(tǒng)提供的驅(qū)動DC15V電源直接驅(qū)動IPM。根據(jù)系統(tǒng)功率要求，考慮了系統(tǒng)的布局和干擾條件，本設(shè)計采用了Agilentg公司生產(chǎn)的光耦HCPL3120，具有500ns的開關(guān)時間和15KV的絕緣耐壓等優(yōu)良特點，在IGBT驅(qū)動中具有廣泛的應(yīng)用，其性能滿足系統(tǒng)的要求。

2.2 控制電源電路

一般情況下，控制電源單獨工作時，其輸出電壓紋波大小均可以滿足控制系統(tǒng)要求，但控制電源帶上負載后，在電源輸出電壓上會疊加上較高的紋波電壓，如輸出紋波太大，會影響到控制電路和檢測電路工作的可靠性。因此，合理配置和設(shè)計穩(wěn)定的開關(guān)電源對整個系統(tǒng)的實現(xiàn)至關(guān)重要。針對控制電源穩(wěn)定性的需求，本設(shè)計采用了PI公司生產(chǎn)的三端離線PWM復(fù)合開關(guān)TOPSwitch以及光耦和基準(zhǔn)源組成的反激式開關(guān)電源，輸入額定電壓為220V，經(jīng)過反饋及鉗位電路分別得到5V，-5V及15V的控制電源。采用5V電源為控制基準(zhǔn)反饋回路。

2.3 轉(zhuǎn)子位置、角速度檢測電路

電機轉(zhuǎn)子外側(cè)安裝有位置傳感器，通常選用正交式光電編碼器。其利用光電元件制作的精密光柵器件檢測光學(xué)信號，在經(jīng)過換算和信號處理輸出具有ABI三種信號的正交編碼信號。輸出的信號能夠直接連接到DSP的碼盤檢測接口，DSP通過內(nèi)置的接口采集到高速的盤脈沖信號進行處理，用于完成矢量控制和位置環(huán)的伺服控制。

2.4 電流檢測電路

矢量控制依賴于準(zhǔn)確的電流采樣信號，其信號的波動干擾都會直接造成系統(tǒng)控制偏差和控制性能下降，直接影響整個電流環(huán)的控制以及系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此我們需要選用的霍爾電流傳感器應(yīng)該滿足高采樣精度和低溫漂的要求。本設(shè)計選用了ALLegro公司生產(chǎn)的ACS712ELC系列的電流傳感器。該傳感器具有2.1 kVRMS電壓絕緣及低電阻電流導(dǎo)體的全集成、極穩(wěn)定的輸出偏置電壓和近零的磁滯。同時在DSP中的12位轉(zhuǎn)換器模塊提供了高效的采集頻率對電流信號進行采集和反饋控制，可以滿足對系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的要求。

3 實驗平臺軟件設(shè)計

DSP作為系統(tǒng)軟件算法實現(xiàn)的載體，軟件實現(xiàn)的功能主要有：矢量控制算法、PID調(diào)節(jié)器算法、伺服驅(qū)動的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)算法的實現(xiàn)，模糊控制器算法實現(xiàn)。本設(shè)計伺服電機數(shù)字控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)模塊是系統(tǒng)初始化的過程。主要包括兩個模塊：系統(tǒng)初始化和中斷配置。系統(tǒng)初始化主要包括：配置系統(tǒng)時鐘、IO接口初始化、通訊模塊的初始化、模擬量接口的初始化、在ROM中設(shè)置用戶參數(shù)與電機參數(shù)的配置。

3.2 電機控制模塊

電機控制模塊主要由DSP完成。其主要包括兩個部分：矢量控制模塊和SVPWM產(chǎn)生模塊。矢量控制算法是永磁同步電機伺服驅(qū)動控制的基礎(chǔ)，算法的實現(xiàn)需要實時對電流信號解耦運算，每個控制周期都有需要運算的程序，因此可以利用DSP對數(shù)字信號的高速處理的能力來解決大量運算的工作。

3.3 外部接口模塊

外部接口模塊實現(xiàn)對DSP內(nèi)部控制算法和片外系統(tǒng)的信息交互接口。有控制算法需要的實時電機電流和碼盤位置信號和用于存儲信息的ROM之間的SCI通訊裝置接口。控制器運行狀態(tài)信息的反饋，包括通過IO接口采集進入DSP內(nèi)部的數(shù)字量信號和驅(qū)動器散熱系統(tǒng)溫度信號的處理。

3.4 通訊模塊

通訊模塊是實現(xiàn)上位機和驅(qū)動器控制本身信息交互的功能。DSP集成了CAN2.0B的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，供用戶在此物理層的基礎(chǔ)上進行應(yīng)用層協(xié)議的開發(fā)。應(yīng)用該協(xié)議上位機能夠?qū)崿F(xiàn)對一臺或多臺驅(qū)動器組成主從結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)控制，其傳輸速度能滿足上位機對系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)控制的實時性要求。

4 實驗驗證

矢量控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中包含有速度和電流兩個閉環(huán)結(jié)構(gòu)，有多個PI調(diào)節(jié)器需要進行參數(shù)整合，因此一次性將整個系統(tǒng)搭建并調(diào)試的方案不具有可行性。電流環(huán)的參數(shù)主要取決于電機的電氣特性，因此要先進行電流環(huán)參數(shù)調(diào)整，當(dāng)電流環(huán)穩(wěn)定后在進行速度環(huán)和位置環(huán)調(diào)試。系統(tǒng)實驗位置曲線如圖1所示。

5 結(jié)語

本文通過分析交流永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件、軟件相關(guān)模塊的設(shè)計，構(gòu)建了交流永磁同步電機伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)。采用分級調(diào)試思想，調(diào)試了系統(tǒng)開環(huán)、電流環(huán)以及速度環(huán)，驗證了電機驅(qū)動系統(tǒng)的電流環(huán)與速度環(huán)驅(qū)動控制可行性；最后在實際作業(yè)環(huán)境下測試了位置環(huán)，驗證了模糊算法并給出了相關(guān)調(diào)試曲線，說明模糊自適應(yīng)PID在位置環(huán)中的應(yīng)用具有改善控制性能的作用，且驅(qū)動系統(tǒng)滿足系統(tǒng)控制精度要求。

參考文獻

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