全數(shù)字交流伺服電機控制器的研究與開發(fā)

田 蒼

(黑龍江民族職業(yè)學院，哈爾濱 150066)

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全數(shù)字交流伺服電機控制器的研究與開發(fā)

田 蒼

(黑龍江民族職業(yè)學院，哈爾濱 150066)

基于DSP永磁同步電動機的伺服系統(tǒng)的設計過程，在伺服控制領域內(nèi)，往往需要被控對象能夠?qū)崿F(xiàn)高精度位置控制，然而要實現(xiàn)精確位置控制的一個基本條件是需要有高精度的執(zhí)行機構，稀土永磁體的永磁同步電動機就滿足其要求。交流永磁同步電動機即PMSM以其運行效率高、轉(zhuǎn)矩脈動小，控制簡單等特點，近年來已經(jīng)逐步成為交流伺服系統(tǒng)的主流執(zhí)行機構。

全數(shù)字;伺服；DSP

1 課題研究意義

交流電動機特別是異步電動機具有結構簡單，體積小，重量輕，價格便宜，運行可靠，維護方便，使用環(huán)境局限性小等優(yōu)點，在生產(chǎn)和生活中得到廣泛的應用。隨著計算機的產(chǎn)生和新型快速的電力電子原件的出現(xiàn)使得交流異步電機的調(diào)速成為可能，帶有實時信號處理器的電機控制器件如DSP和集成度很高的智能功率模塊IPM的出現(xiàn)，更使得由變頻器供電的交流電動機控制系統(tǒng)獲得越來越廣泛的應用。新興的空間矢量PWM(SVPWM)技術，先進的智能功率模塊(IPM)，加上具有高性能運行速度的DSP，進一步擴大了變頻調(diào)速系統(tǒng)的應用范圍。

系統(tǒng)以TMS320LF2407A為中央處理器設計控制電路，運用空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術實現(xiàn)電壓源型逆變器驅(qū)動電路設計。

2 國內(nèi)外伺服驅(qū)動發(fā)展狀況

目前國外的永磁交流伺服電動機發(fā)展很成熟，生產(chǎn)商如日本安川電機公司、三菱公司、美國Gettys公司、德國西門子公司Kollmorgen公司等。其中美國Kollmorgen公司ID(Industrial Drives)工業(yè)驅(qū)動部分的Goldline系列代表了當代永磁交流伺服技術的最新水平。國外最新推出的高性能交流伺服系統(tǒng)幾乎全都實現(xiàn)了數(shù)字化，近年來外國公司紛紛推出各自的數(shù)字接口協(xié)議和標準，如日本發(fā)那科公司推出串行伺服總線(FSSB)，德國西門子公司推出Profibus-DP總線，日本三菱推出CC-link總線，德國力施樂推出SERCOS總線。

全數(shù)字化已經(jīng)延伸到測量單元接口的數(shù)字化。德國HEIDENHAIN將各種類型的編碼器，如絕對、增量式和正余弦編碼器的細分功能，都統(tǒng)一到EnDae2.2編碼器連接協(xié)議中。細分過程在編碼器內(nèi)部完成，再通過數(shù)字接口和伺服驅(qū)動連接起來，這才是真正的全數(shù)字化。

國內(nèi)伺服電機及其全數(shù)字伺服驅(qū)動器基本上是自主開發(fā)，已形成商品化和批量生成能力。一些院校和研究所的永磁同步電動機多為特殊設計，應用于航天、國防等特殊場合的特種電動機。華中科技大學是我國自主創(chuàng)新的伺服驅(qū)動技術的發(fā)源地之一，開發(fā)了基于DSP的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動裝置(HSV-16/18/20)并投入大批量生產(chǎn)。北京航天數(shù)控公司生產(chǎn)的DSCU系列全數(shù)字伺服控制單元和DSSU系列全數(shù)字主軸控制單元、北京凱奇數(shù)控設備有限公司生產(chǎn)的全數(shù)字伺服控制單元和全數(shù)字主軸控制單元及電機也已經(jīng)得到了大規(guī)模應用。北京時光科技公司自主研發(fā)的全數(shù)字化交流伺服控制技術采用32位微處理器為基礎的系統(tǒng)級芯片和智能化功率器件，成功實現(xiàn)了對三相交流異步電機(鼠籠式電動機)的高精度伺服控制。從2003年開始，我國的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)從配用步進驅(qū)動裝置，開始大規(guī)模改用伺服驅(qū)動裝置。

隨著控制理論、電力電子技術、微電子技術的近一步發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)會日趨成熟。

3 軟件程序

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

TI公司為DSP的開發(fā)提供了功能齊全的集成編譯環(huán)境CCS(Code Composer Studio)，即可以用匯編語言編程，也可以C語言來編程，也可以匯編語言和C語言混合編程。通過它開發(fā)人員可以充分應用DSP的強大功能。

在本設計中采用C語言和匯編語言混合編程的方法，利用CCS2000集成開發(fā)環(huán)境以及仿真器進行程序調(diào)試。程序結構清晰簡單，易于調(diào)試。

3.2 電流采樣子程序

TMS320F2812的ADC模塊共有16個輸入通道，12位ADC核，內(nèi)含采用/保持電路，模擬輸入范圍0～3V。本系統(tǒng)的電流采樣就是利用DSP本身的ADC模塊。用一個定時器事件啟動A/D轉(zhuǎn)換，完成電流的采樣。在檢測中，霍爾電流傳感器只得到兩相電流值和，將該電流值送入ADC模塊的兩路輸入ADCINA0和ADCINA1端口，經(jīng)過轉(zhuǎn)換成為12位的數(shù)字量，范圍是0--4095，輸入模擬電壓和采樣結果的關系為：數(shù)字結果=4095*(輸入模擬電壓-ADCLO)/3，其中ADCLO為模擬輸入的公共地，接到模擬地。電流檢測子程序:

void interrupt ad_int1()

{

unsigned int ia0,ib0;

ia0= AdcRegs.ADCRESULT0;

ib0= AdcRegs.ADCRESULT1;

ad flag=1;

AdcRegs.ADCTRL2.all= AdcRegs.ADCTRL2.all|0X4200;

asm(" clrc intm ");

}

3.3 速度檢測

下面給出 M法測速子程序，程序中用到的資源有EVA的定時器和，以及捕獲單元CAP3。

interrupt void adc_isr(void)

{

T2k=EvaRegs.T2CNT;

DT2=T2k-T2k_1;

T2k_1=T2k;

SPEED=6000L*DT2;

T2abs=T2k-Zero_k

}

3.4 位置給定計算子程序

3.4.1 位置計算子程序

void pos_calc(POS_Handle p)

{

unsigned long m10,m20;

p->r_p=(unsigned long)p->rp*N_R;

p->r_v=(int)p->rv*N_TP;

p->r_a=(unsigned int)(unsigned long)((unsigned)p->ra*N_TP*N_TP);

r_pos=p->r_p;

r_spd=p->r_v;

r_acc=p->r_a;

if(p->r_v<0) r_spd_absolute=-p->r_v;

elser_spd_absolute=p->r_v;

m10=(unsignedlong)(((unsignedlong)r_spd_absolute<<12)/r_acc);

m20=(unsigned long)((unsigned long)r_pos/r_spd_absolute);

if(m20<=m10)//速度曲線為三角形

{

P>t1=(unsignedlong)qsqrt((unsignedlong)(((unsignedlong)r_pos/r_acc)<<12));

p->t2=0;

p->t3=p->t1;

}

else //速度曲線為梯形

{

p->t1=m10;

p->t2=m20-m10;

p->t3=p->t1;

}

m1=(unsigned long)p->t1;

m2=(unsigned long)p->t2;

m3=(unsigned long)p->t3;

}

3.4.2 位置調(diào)節(jié)子程序

位置參考值以脈沖形式給定，實際反饋的位置是相鄰兩個采樣周期內(nèi)脈沖數(shù)增量的累積值。位置調(diào)節(jié)采用經(jīng)典的比例調(diào)節(jié)算法，可以對偏差瞬間作出快速反應。比例系數(shù)越大，控制作用越強，但過大的比例系數(shù)會導致系統(tǒng)振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時，要對輸出值進行限幅處理。調(diào)節(jié)子程序如下：

void ppi()

{

int ek_pos;

//第k次采樣偏差值int un_pos;

if(r_spd<0)pos_ref=-pos_ref_absolute;

else pos_ref=pos_ref_absolute;

ek_pos=(int)((long)(pos_ref-position));

//位置偏差，un_pos=(int)(((long)Kp_pos*(ek_pos-ek_pos0))>>12);

pos_out=(int)(((long)Kspeed*un_pos)>>8);

N_REF=N_REF0+pos_out;

if(N_REF

else if(N_REF>max_pos) N_REF=max_pos;

ek_pos0=ek_pos;

//更新N_REF0=N_REF; Np=Np+1;

}

3.5 速度調(diào)節(jié)子程序

3.5.1 速度調(diào)節(jié)子程序

void spi()

{

int ek_spd;

int un_spd;

int el_spd;

ek_spd=N_REF-n_fdb;

un_spd=xi_spd+(int)((long)Kp_spd*ek_spd);

if(un_spd>max_spd) spd_out=max_spd;

else if(un_spd

else spd_out=un_spd;

el_spd=spd_out-un_spd;

xi_spd=xi_spd+(int)((long)Ki_spd*ek_spd)+(int)(((long)Kc_spd*el_spd);

}

3.6 SVPWM程序流程圖(圖1)

圖1 SVPWM程序流程

在程序中特別注意的是死區(qū)時間的設置，本系統(tǒng)死區(qū)時間為4.3。

3.6.1 SVPWM實現(xiàn)子程序

void sv_pwm( )

{

int anticlk[6]={0x1666,0x3666,0x2666,0x6666,0x4666,0x5666};

int x,y,z;

unsigned int a,b,c;

unsigned int t1,tm;

unsignedintt1_q0,tm_q0;

unsignedinttaon,tbon,tcon;x=ubeta;

y=(int)(((long)28377*ualfa)>>15)+(int)(((long)16384*ubeta)>>15);

z=-(int)(((long)28377*ualfa)>>15)+(int)(((long)16384*ubeta)>>15);

if(x>=0) a=1;

else a=0;

if(-z>=0) b=1;

else b=0;

if(-y>=0) c=1;

else c=0;

p->sector=4*c+2*b+a;

switch(p->sector)

{

case 1: t1=(unsigned)(((unsigned long)z*32768)>>15), tm=(unsigned)(((unsigned long)y*32768)>>15);

break;

case 2: t1=(unsigned)(((unsigned long)y*32768)>>15), tm=(unsigned)(((unsigned long)-x*32768)>>15);

break;case3:t1=(unsigned)(((unsignedlong)-z*32768)>>15),tm=(unsigned)(((unsigned long)x*32768)>>15);

break;

case4:t1=(unsigned)(((unsignedlong)-x*32768)>>15),tm=(unsigned)(((unsignedlong)z*32768)>>15);

break;

case5:t1=(unsigned)(((unsignedlong)x*32768)>>15),tm=(unsigned)(((unsigned long)-y*32768)>>15);

break;

case6:t1=(unsigned)(((unsignedlong)-y*32768)>>15),tm=(unsigned)(((unsignedlong)-z*32768)>>15);

break;

default:break;

}

EvaRegs.ACTRB.all=anticlk[p->sector-1];

//重新裝配ACTRBt1_q0=(unsigned)(((unsigned long)t1*TP)>>12);

tm_q0=(unsigned)(((unsigned long)tm*TP)>>12);

f(t1_q0+tm_q0>TP)

{

t1_q0=(unsigned)(((unsignedlong)t1_q0*TP)/(t1_q0+tm_q0));

tm_q0=(unsigned)(((unsignedlong)tm_q0*TP)/(t1_q0+tm_q0));

}

taon=(unsigned)((TP-t1_q0-tm_q0)/2);

tbon=taon+t1_q0;tcon=tbon+tm_q0;

switch(p->sector)

{

case 1: p->tcm1=tbon, p->tcm2=taon, p->tcm3=tcon;

break;

case 2: p->tcm1=taon, p->tcm2=tcon, p->tcm3=tbon;

break;

case 3: p->tcm1=taon, p->tcm2=tbon, p->tcm3=tcon;

break;

case 4: p->tcm1=tcon, p->tcm2=tbon, p->tcm3=taon;

break;

case 5: p->tcm1=tcon, p->tcm2=taon, p->tcm3=tbon;

break;

case 6: p->tcm1=tbon, p->tcm2=tcon, p->tcm3=taon;

break;

default:break;

}

4 總結

永磁同步電動機伺服系統(tǒng)在性能和結構設計上有其獨特之處，以永磁同步電機為執(zhí)行單元的交流伺服系統(tǒng)逐漸地成為伺服系統(tǒng)發(fā)展的主流。本文基于以上的背景，對數(shù)字永磁同步電動機伺服驅(qū)動控系統(tǒng)作了以下幾個方面的研究工作:

(l)通過討論永磁同步電動機的數(shù)學模型和矢量控制策略，確定了以轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方案，并確定通過空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)提高電機快速響應性和電壓利用。

(2)對轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制、空間矢量PWM波形的產(chǎn)生、電流回路和速度回路的調(diào)節(jié)等控制方法進行了MATLAB仿真研究。

(3)進行了以TMS320LF2407為控制核心的整套永磁同步電機伺服系統(tǒng)的硬件設計,對系統(tǒng)主回路、檢測、保護、驅(qū)動電路給出了具體設計方案。

(4)在CCS集成開發(fā)環(huán)境中完成了永磁同步電機伺服系統(tǒng)的軟件設計,詳細介紹了系統(tǒng)軟件設計的原理及實現(xiàn)，包括DSP初始化，PWM中斷服務程序，并給出相應程序流程圖。

5 展望

高性能永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)是一個多學科交叉的研究領域。為了進一步提高永磁同步電機伺服系統(tǒng)的性能，應從以下幾個方面陸續(xù)進行深入研究，比如：采用直接轉(zhuǎn)矩控制控制策略、采用模糊控制技術，人工神經(jīng)網(wǎng)技術、采用絕對值的編碼器等等，這些需要在以后的工作中進一步地完善。由于本文作者時間精力與知識水平有限，論文中難免存在一些不足之處，需要做進一步的研究與改進。

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[責任編輯 李順子]

小知識·學術論文的七個要點之一·選題

選題是學術論文關鍵的第一步，直接關系論文的質(zhì)量。常言道：“題好文一半”。對于作者來說，選擇論文題目要注意以下幾點：一要結合學習與工作實際，根據(jù)自己所熟悉的專業(yè)和研究興趣，適當選擇有理論和實踐意義的課題；二要論文選題宜小不宜大，只要在學術的某一領域或某一點上，有自己的一得之見，或成功的經(jīng)驗或失敗的教訓，或新的觀點和認識，言之有物，讀之有益，就可以作為選題；三要論文選題時要查看文獻資料，既可了解別人對這個問題的研究達到什么程度，也可以借鑒人家對這個問題的研究成果。

需要指出的是，學術論文選題與論文的標題既有關系又不是一回事。標題是在選題基礎上擬定的，是選題的高度概括，但選題及不應受標題的限制，有時在過程中，選題未變，標題卻幾經(jīng)修改變動。

2017-02-20

科研項目：黑龍江省教育廳2011年科學技術研究(12515177)

田蒼，1978-，男，蒙古族，內(nèi)蒙古哲里木盟人，副教授，教學管理、電子與通信工程研究。