基于DSP的永磁交流伺服控制系统研究

关键词 ： 交流伺服系统；软件；硬件；设计 ／ 永磁同步电动机 中图分类号 ： ＴＭ３５１ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １０００－ １００Ｘ （２００７） ０１－ ００４２－ ０３
Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｐｅｒ ｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ ＡＣ Ｓｅｒ ｖｏ－Ｃｏｎｔｒ ｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ
系统检测到的流入电机的三相定子电流，必须 经 Ｐａｒｋ， Ｃｌａｒｋｅ 变换成转子坐标系上的电流分量， Ｃｌａｒｋｅ 变换为［３］： ｉｓＡ １ － １／２ － １／２ ｉ! （１） ＝ ２ ｉｓＢ ｉ" ３ ０ # ３ ／２ － # ３ ／２ ｉ ｓＣ
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４２
基于 ＤＳＰ 的永磁交流伺服控制系统研究
第 ４１ 卷第 １ 期
电力电子技术
Ｖｏｌ．４１ ， Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ， ２００７
２００７ 年 １ 月
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
图 ４ｂ 为系统空载时 ｎ 响应波形， 经过约 ２００ｍｓ 后 ｎ 迅速由 ０ｒ／ｍｉｎ 上升到 １０００ｒ／ｍｉｎ，系统响应无超调； 图 ４ｃ 为带负载 １５００ｒ／ｍｉｎ 时稳态 ｉＡ 波形，由图可 见， 系统稳态运行性能良好。
图 ４ 实验结果
图 ４ｄ 为系统运行于 ２５ｒ／ｍｉｎ 时，负载由 １Ｎ ・ ｍ 变化为空载时的电流波形， 负载突减时， 电流幅值从 增益大小有很大关系。当电压瞬时值 （ 上 接 第 ３９ 页 ） 环和电流瞬时值环增益较小时， Ｒ９ 输入端的值就较 大， 系统超调量也越大。
２００４． ［５］ 张卫宁 ．Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ． ＴＭＳ３２０Ｃ２８ｘ 系 列 ＤＳＰ 的 ＣＰＵ 与外设 （下） 清华大学出版社， ［Ｍ］． 北京： ２００５．
要实现定子坐标系到转子坐标系的变换必须在 控制中实时检测电机转子的位置，系统中采用增量 式光电编码器作为转子位置检测传感器。
４
系统软件设计
３
系统硬件设计
［４， ５］
图 ２ 示出整个伺服系统硬件框架，硬件电路可 分成三部分， 即主电路、 控制电路、 以及介于主电路 和控制电路之间的检测与驱动电路。控制电路主要 由 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ＤＳＰ 和外围电路组成， 包括上电复 位电路， 键盘显示电路， 两相电流采样电路， 温度检 测电路， 测速电路， 直流母线电压采样电路， 过电流 保护与过电压保护电路， 外部输入输出接口电路等。
摘 要 ： 永磁同步电机 （Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ， 简称 ＰＭＳＭ） 交流伺服系统在工业领域得到了广泛 的应用， 本文在分析永磁交流伺服系统控制原理的基础上， 讨论了基于数字信号处理器 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 的三相永磁同
步电机交流伺服系统， 并详细论述了该系统的硬件电路结构和软件设计。实验结果表明， 基于 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 的三相 永磁同步电机交流伺服系统硬件和软件设计合理， 系统响应迅速， 具有优良的动、 静态特性。
式中
—— ｉｓＡ， ｉｓＢ， ｉｓＣ—电机三相定子电流 —! ， ｉ!， ｉ"—— " 坐标系上定子 电 流 分 量
Ｐａｒｋ 变 换 为 ：
ｉ ｃｏｓ# ＝! ! " ｉ － ｓｉｎ#
ｄ ｑ
ｓｉｎ# ｃｏｓ#
ｉ " （２） "! ｉ
! "
式中 ｉｄ ， ｉｄ —— —ｄ， ｑ 坐标系上定子电流分量 —— Ａ 相定子绕组的夹角 # —转子位置与
第 ４１ 卷第 １ 期
电力电子技术
Ｖｏｌ．４１ ， Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ， ２００７
２００７ 年 １ 月
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
基于 ＤＳＰ 的永磁交流伺服控制系统研究
徐艳平 １， 刘永飘 ２， 钟彦儒 １
（１．西安理工大学，陕西 西安 ７１００４８；２．武汉虹信通信技术有限责任公司，湖北 武汉 ４３００７４）
ＸＵ Ｙａｎ－ｐｉｎｇ１，ＬＩＵ Ｙｏｎｇ－ｐｉａｏ２，ＺＨＯＮＧ Ｙａｎ－ｒｕ１
（１． Ｘｉ’ ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ ａｎ ７１００４８，Ｃｈｉｎａ； ２． Ｗｕｈａｎ Ｈｏｎｇｘｉｎ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏ． Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ ： Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ＡＣ ｓｅｒｖｏ－ｓｙｓｔｅｍｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｐｈａｓｅ ＰＭＳＭ ＡＣ ｓｅｒｖｏ－ ｆｉｅｌｄｓ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ＡＣ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍｓ， ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ＡＣ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２．Ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｆａｓｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｔａｔｅｓ． ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｅｒｖｏ－ｓｙｓｔｅｍ；ｓｏｆｔ ｗａｒｅ；ｈａｒｄ ｗａｒｅ；ｄｅｓｉｇｎ ／ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ Ｋｅｙｗｏｒ ｄｓ：
交流 ＰＭＳＭ 的转矩控制。图 １ 示出整个系统控制原 理图， 该系统采用三闭环控制， 即位置环、 速度环和 电流环。 位置信号指令与检测到的转子位置相比较， 输出速度指令信号，速度指令信号与检测到转子速 度信号相比较， 输出控制转矩的电流分量 ｉｑ＊， 电流 分量给定信号与经过坐标变换的电机实际电流分量 比较， 通过电流控制器计算， 其输出量经反 Ｐａｒｋ 变 换用于生成 ＰＷＭ 波以驱动 ＩＧＢＴ， 产生可变频率和 幅值的三相正弦电流输入电机定子， 驱动电机工作［２］。
护信号。过压保护信号分成两路， 一路接入 ＤＳＰ 的 实现过压的软件保护， 另一路与电流保护信号 Ｉ／Ｏ 口， 接到功率保护中断引脚 （ＰＤＰＩＮＴＡ） ， 控制 ＰＷＭ 驱动。 有 系统采用的光电编码器为每周 ２５００ 脉冲， 提供 ６ 路脉冲信号。脉冲经 ＱＥＰ ２０ 针的标准接口， 电路 ４ 倍频， 用来计算转子位置和转速。
图 ３ 主程序流程图
在位置环、速度环运算中插入指令平滑化处理 程序，使产生的位置和速度在单位时间内的变化值 较小， 避免因输入指令急剧变化， 产生过大的加速度 微分， 引起机械结构的振动与噪音。 在进行指令平滑处 理后， 再引入微分前馈， 可使系统响应迅速， 降低系统 动态跟踪误差， 定位精度高。 在程序中多处采用数字 滤波器， 能有效防止干扰和抑制机械结构共振现象。
１
引
言
随着电力电子技术和微电子技术的快速发展以 及电动机制造工艺水平的逐步提高，永磁同步电机 交流伺服系统在工业领域的应用也越来越 （ＰＭＳＭ） 广泛。ＰＭＳＭ 采用了高能永磁体， 具有低惯性、 快响 应、 高功率密度、 低损耗、 高效率等优点， 成为高精 ［１］ 度、 微进给伺服系统的最佳执行机构之一 。ＴＩ 公司 最新的高性能的电机控制处理器 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２， 是 目前国际市场上最先进、功能最强大的 ３２ 位定点 它具有功耗小、 性能高， 运算速度快， 数据 ＤＳＰ 芯片， 和程序存储器容量大， 采样和处理精度高等特 ＡＤ 点， 能满足伺服系统复杂控制算法要求。 本文论述了永磁交流伺服系统控制原理，详细 介绍了基于 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ＤＳＰ 的永磁交流伺服控 制系统的硬件和软件组成， 对实验结果的分析证明， 所设计伺服系统是可行和有效的。
ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 的程序和数据空间资源非常丰 富， 指令周期只有 ６．６７ｎｓ， 能满足复杂的控制算法需 求， 在一片 ＤＳＰ 内即可实现多种算法。软件算法采 用 Ｃ 语言编程， 模块化设计思想大大缩短了开发周 期， 增强了代码的可维护性和移植性。 伺服控制系统 软件部分的设计由主程序、 ＰＷＭ 中断即定时器 Ｔ１ 下溢中断、 过压保护中断 ＸＩＮＴ２ 等组 ＰＤＰＩＮＴＡ 保护、 成。在主程序中完成变量初始化、 键盘处理、 显示处 理、 故障检测及处理等。图 ３ 示出主程序流程图。
约 ２Ａ 明显减小到约 ０．３Ａ， ｎ 经微小调整后又稳定 到给定值。由实验波形可见，所设计的基于 ＰＭＳＭ 的交流伺服系统响应迅速， 稳态运行时性能良好。
６
结
论
本文介绍了永磁交流伺服控制系统的控制原 理， 采用 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ ＤＳＰ 设计了交流永磁同步电 机伺服系统的硬件电路和软件编程。 实验结果证明， 所设计的伺服系统硬件和软件可行，控制系统动静 态性能良好。
５
实验结果
根据上述硬件电路和软件编程， 对 ＰＭＳＭ 伺服 系统进行了实验验证， 实验参数为： 额定电压 ２００Ｖ， 额 定 电 流 ９．４Ａ， 额 定 转 矩 ７．１５Ｎ・ 额定转速 ｍ， 极对数 ４ 对， 转子惯量 １２．３０ × ・ ２０００ｒ／ｍｉｎ， １０ － ４ｋｇ ｍ２。 在软件程序中设定 ＰＷＭ 频率为 ５ｋＨｚ， 死区时间为 图 ４ 示出实验波形。 图 ４ａ 为给定阶跃信号、 ５．３３!ｓ， 带 ３Ｎ ・ 可见， ｍ 负载时的起动电流 ｉＡ 与转速 ｎ 波形。 带 载 起 动 时 间 约 为 ８００ｍｓ， 系统带载起动平稳； ４３