基于DSP的全數(shù)字永磁交流伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

王尚博

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引言

永磁伺服系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是：能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確、精確且快速的定位。與普通電動(dòng)機(jī)一樣，永磁伺服電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子2部分構(gòu)成。與普通電動(dòng)機(jī)所不同的是，永磁伺服電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部轉(zhuǎn)子是一塊永磁鐵，且在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，編碼器能夠通過反饋信號(hào)把伺服信息反饋給驅(qū)動(dòng)器。因此，利用永磁電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)全數(shù)字永磁交流伺服系統(tǒng)，并以DSP為平臺(tái)，進(jìn)行軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，具有一定的實(shí)踐應(yīng)用意義[1]。

1 基本原理及概念簡(jiǎn)述

1.1 永磁交流伺服系統(tǒng)的基本工作原理

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，伺服電動(dòng)機(jī)作為基本執(zhí)行元件，能夠把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度，并通過永磁交流伺服系統(tǒng)輸出。其主要特點(diǎn)是：(1)當(dāng)數(shù)字信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降(2)無控制信號(hào)時(shí)，它不應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，如果控制信號(hào)消失，它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，針對(duì)全數(shù)字永磁交流伺服結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，需要滿足高速度、高精度的要求，因此，對(duì)控制算法的研究是非常重要的[2]。

1.2 DSP的概念簡(jiǎn)述

DSP具有極強(qiáng)的數(shù)字計(jì)算能力，利用DSP技術(shù)，開發(fā)人員可將很多新型的控制算法應(yīng)用于不同的伺服控制系統(tǒng)之中。DSP可以作為交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的核心，具有功耗小、性能高、運(yùn)算速度快、程序存儲(chǔ)容量大、精度高等特點(diǎn)，符合復(fù)雜控制伺服系統(tǒng)的軟件開發(fā)要求。同時(shí)，DSP能夠應(yīng)用于現(xiàn)代交流伺服技術(shù)，該技術(shù)的工作特點(diǎn)是，采用全數(shù)字的方式，進(jìn)行相關(guān)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。高性能的DSP電子半導(dǎo)體器件中，有大量的元器件都可以被直接用于伺服控制系統(tǒng)。

2 基于DSP的全數(shù)字永磁交流伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 永磁交流伺服系統(tǒng)主程序模塊設(shè)計(jì)

在進(jìn)行全數(shù)字永磁交流伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮在伺服系統(tǒng)內(nèi)，都有哪些工作部件需要用軟件來設(shè)計(jì)。經(jīng)過仔細(xì)分析后，把系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)劃分為2個(gè)大部分，分別為：(1)全數(shù)字永磁交流伺服電機(jī)卡控制軟件設(shè)計(jì)；(2)全數(shù)字永磁交流伺服控制器軟件設(shè)計(jì)。軟件開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，采用當(dāng)前最為流行的Visual C++軟件來進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)。并把全數(shù)字永磁交流伺服系統(tǒng)按照模塊結(jié)構(gòu)的不同，劃分為多個(gè)不同的功能模塊，然后分別以獨(dú)立模塊的形式來編程，并實(shí)現(xiàn)具體的程序功能[3]。

主程序模塊，主要完成的功能是子模塊的調(diào)用。在主程序模塊中，要完成對(duì)子模塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義。以PID控制器的設(shè)計(jì)為例，主程序中，要把PID控制器的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)體定義出來，才能保證PID控制器子模塊能夠在主程序的調(diào)用下，實(shí)現(xiàn)指定的功能。在主模塊中，PID控制器的對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體代碼定義為：

PID控制器模塊本身可以定義為一個(gè)獨(dú)立的功能模塊，并以獨(dú)立的功能形式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，這樣，一旦PID控制器模塊需要功能變動(dòng)時(shí)，主模塊和其他模塊的程序代碼不需要發(fā)生改變。

2.2 基于DSP的全數(shù)字永磁交流伺服系統(tǒng)仿真模型

在MATLAB的設(shè)計(jì)環(huán)境中，DSP微處理器利用永磁交流伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)，把系統(tǒng)進(jìn)行各種模塊功能劃分，建立一種交流伺服系統(tǒng)仿真模型，該模型采用全數(shù)字化的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)是由控制器（CTRL單元）組成的速度環(huán)和電流控制器結(jié)合起來，建立的電流環(huán)永磁交流伺服系統(tǒng)。

在系統(tǒng)內(nèi)部，以電機(jī)為例，通過系統(tǒng)給定的永磁交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速與實(shí)際永磁交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速的比較，計(jì)算出交流伺服電機(jī)運(yùn)作時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生的誤差，然后將可能產(chǎn)生的誤差完全以數(shù)字信號(hào)的方式，送入電機(jī)的CTRL控制器中，再由電機(jī)CTRL控制器傳送，把電機(jī)的數(shù)字信號(hào)送給其所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速控制模塊。最后，把形成的參考電流計(jì)算出來，與PIDS實(shí)際輸出電流Ia進(jìn)行數(shù)據(jù)時(shí)的對(duì)比，生成PIDS的三相電壓，送到PIDS并通過全數(shù)字的形式控制永磁交流伺服系統(tǒng)運(yùn)行[4]。

其中，在本次仿真中，交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制模塊滯環(huán)的寬度設(shè)為0.1，當(dāng)交流伺服系統(tǒng)期望電流與其實(shí)際電流的誤差偏大，即：誤差不小于交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制模塊滯環(huán)帶的最小寬度時(shí)，交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制模塊滯環(huán)控制器發(fā)生作用，呈現(xiàn)開通狀態(tài)，輸出值為1，當(dāng)兩個(gè)數(shù)據(jù)的誤差小于交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制模塊的最小滯環(huán)寬度時(shí)，交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制模塊滯環(huán)控制器再次發(fā)生作用，呈現(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)，輸出為0。

3 基于DSP的全數(shù)字永磁交流伺服系統(tǒng)MATLAB模擬仿真結(jié)果

系統(tǒng)的仿真采用MATLAB軟件，這個(gè)軟件是一個(gè)比較成熟的仿真軟件。為了保證仿真結(jié)果的安全性，采用MATLAB軟件是一項(xiàng)非常好的選擇。

仿真平臺(tái)選擇完畢后，用它的SIMULINK鏈接建立永磁交流伺服系統(tǒng)全數(shù)字的雙閉環(huán)控制的模型。在仿真過程中，PIDS的參數(shù)設(shè)定如下：（1）伺服系統(tǒng)電機(jī)的額定電壓為220V；（2）伺服系統(tǒng)額定電流為3A；（3）伺服系統(tǒng)額定機(jī)械轉(zhuǎn)速為1500rpm；（4）伺服系統(tǒng)極對(duì)數(shù)為2；（5）伺服系統(tǒng)輸出功率為1KW；（6）伺服系統(tǒng)阻抗4.3Ω；（6）伺服系統(tǒng)直、交軸感抗為（0.027H，0.067H）。同時(shí)，為了計(jì)算最優(yōu)情況下的伺服模型，設(shè)置其對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)B=0。

以此方法實(shí)現(xiàn)的模型，是一種新的電壓變、電流控制方法，在此基礎(chǔ)上，對(duì)雙閉環(huán)模型進(jìn)行MATLAB仿真[5]。永磁同步電機(jī)在開環(huán)的運(yùn)行形式下，得到的轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速的波形，通過波形的分析，獲取開環(huán)運(yùn)行的條件下，全數(shù)字永磁交流伺服系統(tǒng)的雙閉環(huán)I電流曲線圖，如圖1所示：

圖1 全數(shù)字永磁交流伺服系統(tǒng)的雙閉環(huán)I 電流曲線圖

4 結(jié)語

要設(shè)計(jì)一款一種基于DSP的全數(shù)字永磁交流伺服系統(tǒng)，首先需要從硬件和軟件兩個(gè)不同的角度來分析系統(tǒng)的功能，然后再進(jìn)行設(shè)計(jì)。與硬件結(jié)構(gòu)相比，軟件的功能強(qiáng)大，且看不到摸不到，必須由專業(yè)的程序設(shè)計(jì)人員來完成。軟件設(shè)計(jì)過程中，目前在設(shè)計(jì)行業(yè)中，采用得最多、也最有效的方法就是模塊化結(jié)構(gòu)劃分方法。在本課題中，把永磁交流伺服系統(tǒng)通過數(shù)字化DSP設(shè)計(jì)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后按照功能的不同，根據(jù)控制功能模塊的控制內(nèi)容進(jìn)行劃分，再把劃分出來的不同模塊分別開來，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真等工作，最終把各個(gè)功能模塊進(jìn)行功能整合，實(shí)現(xiàn)主模塊設(shè)計(jì)，并讓主模塊通過系統(tǒng)MATLAB仿真進(jìn)行測(cè)試，由測(cè)試的結(jié)果證明程序的有效性。