基于ARM的滑模無感驅動伺服系統*

徐麗琴，羅先喜，邵華梅

（1.東華理工大學研究生院，南昌 330013；2.東華理工大學300實驗室，南昌 330013）

0 引言

隨著伺服控制系統在工業、農業、航空航天等領域不斷被廣泛應用，人們對其產品的技術含量和性價比等方面有著越來越高的期待和需求，尤其我國工業機器人的制造業在經濟市場中占據了很大比例，這直接成為了國家整體綜合實力的重要指標[1－7]。本文設計的交流伺服系統中，因PMSM結構簡單、體積小、無需勵磁電流等優點作為電機首選對象，建立基于改進型滑模觀測器伺服系統模型，實驗分析新型滑模算法是否滿足控制系統的技術要求。

1 PMSM電機滑模無感驅動原理

整個伺服系統的控制策略是矢量控制，選取了id＝0的方式控制永磁同步電機轉速。啟動電機后，AD模塊采集三相定子的實際相電流和相電壓，在新型滑模觀測器的估算下得到轉子實際位置和速度信息，經過矢量控制和PI算法對速度誤差的處理得到給定矢量合成電壓，再結合SVPWM運算來控制定時器輸出六路PWM信號波，驅動三相逆變橋中MOS導通閉合的持續時間，進而驅動電機精確跟蹤給定信號。

2 總體方案設計

伺服系統控制性能是否良好絕大部分取決于處理器對MIMO信號系統的吞吐能力。為了提高調速系統的精確度，本文選取STM32F103作為主控芯片來處理電流、電壓以及內部運算等。該芯片內核是Cortex－M3，處理器最高主頻72 MHz，處理能力高達90 MIPS，定時精度達13.9 ns，具備12 bit精度的ADC，滿足高性能、低功耗、低成本的嵌入式系統開發要求[8－11]。整體的硬件系統框架如圖1所示。

圖1 滑模控制伺服系統結構

當接收到上位機位置伺服指令時，雙閉環中的電流環起主導作用，以最大加速度啟動電機，電流檢測模塊和電壓檢測模塊通過ADC實時反饋新信息到芯片中，芯片內部的控制器結合反饋的實際電流值、滑模觀測器估算的轉子位置量和角速度信息，產生新的六路PWM信號，經過GPIO接口送入驅動模塊；MAX232串口連接PC和控制板，JTAG接口可下載程序以及實時調試。由主控模塊的GPIO口輸出信號微弱的六路PWM波后，需要經過驅動電路放大PWM信號波的電壓來驅動電壓控制型半導體器件IRF540NS，這款場效應管具有功耗低、輸入電阻高、噪聲小等特點，完全滿足實驗要求，如圖2所示。

圖2 逆變模塊電路

由于在逆變模塊中，3個采樣電阻所采集的定子相電流是交流信號，不能被主控芯片的ADC通道完全接收，所以，采樣電流需要經過偏移和運放電路，再輸入芯片的AD端口。在主控芯片為3.3 V的供電情況下，將定子相電流信號提高1.65 V來滿足AD的輸入信號標準，如圖3所示。

圖3 三電阻電流采樣電路

由于實驗中需要多種電源供電，比如15 V的驅動模塊、24 V的逆變電路和母線電壓檢測電路、3.3 V的控制板模塊等，因此，本文采用24 V直流源經過XL2576S－ADJ芯片電路，輸出15 V電壓，再經過XL2576S－5.0和ASM1117－3.3芯 片 電 路 輸 出 穩 定 電 源3.3 V，如圖4所示。

圖4 15 V電源模塊電路

圖5 5 V電源模塊電路

圖6 3.3 V電源模塊電路

3 伺服系統軟件設計

3.1 主程序

軟件在Keil5環境下用C語言編譯。系統主程序初始化配置系統時鐘源、ADC模塊、定時器、按鍵模塊、中斷向量表、電機啟動狀態以及新型滑模算法參數等。其流程如圖7所示。

圖7 主程序流程

3.2 中斷服務子程序

通過配置定時器4通道定時特定時間，啟動AD完成1次數據采集，從而觸發中斷更新比較寄存器值，系統滴答定時器每500 ms進入中斷調用滑模觀測器函數算法，估算轉子位移和速度，調用PID算法得到給定電流控制量，退出中斷后等待下次中斷的到來，從而實現電機的調速。其流程如圖8所示。

圖8 軟件中斷子程序流程

4 伺服系統實驗測試及分析

為了更直觀分析基于新型滑模觀測器的無感雙閉環伺服系統性能，在仿真中搭建了有傳感器和無傳感器的PID雙閉環控制系統對比模型，如圖9所示。

圖9 雙閉環伺服系統仿真模型

給定轉子轉速800 r/min，仿真時間0.05 s，如圖10所示。從圖中可以看出，無感轉速相應曲線與有感的完全吻合，并且響應速率與控制精度符合實驗要求。無感角位移響應曲線在0.001 s后也完全貼合有感角位移。

圖10 800 r/min轉子角位移仿真對比圖

為了進一步驗證無感滑模算法在實際工程中的可行性，本文設計了以STM32為核心的實驗平臺，編程語言選用了C來開發，調試無錯誤后再導入硬件設備。其中，給定轉速信號200 r/min，檢測DA端口的信號變化，如圖12～13所示，整機測試的結果顯示電機能快速達到給定信號并保持良好的穩定性。

圖11 800 r/min轉子速度仿真對比

圖12 2 000 r/min轉子速度響應曲線

圖13 2 000 r/min轉子角位移和相電壓響應

5 結束語

本文研究了基于新型滑模控制的無感雙閉環伺服系統，針對電子元件在工業環境存在多種復雜因數的情況以及如何降低設備成本的問題，設計了一款新型滑模觀測器來代替傳統速度傳感器，對電機的轉子位移和速度進行估算預測。新型滑模觀測器在傳統指數趨近率基礎上添加了誤差因子來降低系統到滑模面時的速度，并同時加快了系統狀態點到滑動模態前的速度。

仿真實驗測試結果表明，滑模無感技術系統的仿真響應速度、穩定誤差以及控制精度均能達到有傳感狀態下的效果，估算的電角度與有感反饋回來的角位移接近重合。為了讓理論依據更具有實際工程意義，最后通過程序編寫后燒入控制板進行電機速度控制測試，實驗結果也說明該新型算法對電機雙環控制性能呈現快速響應、穩定控制等優點，這些特性為工業機器人伺服系統在未來更多領域的發展提供了理論與實際支撐。