基于DSP永磁同步伺服系统速度环的研究

作者：南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室朱广斌孟小利严仰光关键词：交流伺服 DSP PI控制器速度环要获得高性能的交流永磁同步伺服驱动就需要有性能优良的控制系统，80年代以来随着各种相关技术的飞速发展，有关永磁同步电动机矢量控制系统的研究成果不断涌现，为高性能永磁同步伺服系统的研究与应用奠定了基础。

随着微型计算机技术特别是DSP技术的飞速发展，永磁同步伺服系统的数字化正在如火如荼地进行着。

数字控制技术的应用不仅使系统获得高精度高可靠性，还为新型控制理论和方法的应用提供了基础。

DSP和单片机的应用大大简化了系统结构，提高了系统性能，显著提高了永磁同步伺服系统的可靠性柔性和动态性能。

这种高精度快速响应的交流伺服驱动系统被广泛应用在高精度数控机床，机器人，特种加工装备和精细进给系统中[1]。

交流伺服系统是电流、速度、位置三闭环控制系统,需要依靠传感器精确地检测被控对象的瞬时信息,进行误差校正，交流伺服系统的三环结构如图1所示。

图1 交流伺服系统的三环结构各环节性能的优化是整个伺服系统性能提高的基础，外环性能的发挥依赖于系统内环的高性能，尤其是电流环和速度环，它是高性能伺服系统构成的根本。

速度环是伺服系统动态跟踪实现的重要环节，系统需要速度环具有良好的动态响应速度、宽广的调速范围、优异的抗扰特性，从而为伺服系统快速准确的定位与跟踪提供基础与条件。

一个高性能的交流伺服系统不仅要对指令做出快速响应，当外部出现大的扰动或对象特性发生变化时，还应保持良好的响应性能，系统要具备很强的抗干扰性能，使其动态特性不随外部参数的变化而变化。

下面，我们结合实际试验系统的构成、调试，研究永磁同步伺服系统速度环节的结构设计。

永磁同步伺服系统构成原理目前，永磁同步电机电流控制的方案主要有两种:直接转矩控制和矢量控制。

使用矢量控制，电流环很好地处理电机电枢电流响应问题，在实际系统运行范围内，只要系统给定在该转速下所需电流波形，电机电流均能很好地响应，所得电流交轴分量就是电机旋转所需的转矩分量，电机响应性能优异[2]。

而且，磁场定向矢量控制时，电机电枢磁场和转子励磁磁场间成90度恒定不变(交直轴间解耦)，具有转矩控制的线性特性，电流利用率高，调节器的设计容易实现。

坐标变换如式(1)所示:由于面装式永磁同步电机的交、直轴电感相等，比较适合的就是id=0的控制方式[3]。

(1)伺服系统电流环的设计设计多环控制系统的一般原则是:从内环到外环，一环一环地逐步向外扩展。

所以先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再设计转速调节器。

当电机转速较低时，电机反电势也比较小，因此在进行电流环设计的时候，可以先忽略反电势，这样可以得到电流环传递函数结构图如图2所示。

图2 电流环传递函数结构图图2各参数的意义为:Kv为逆变器电压放大倍数，表示逆变器直流侧电压与三角载波幅值之比，τv为逆变器时间常数，它与开关频率有关，Rs为电枢绕组电阻，Lq为交轴电感，Tσi是反馈滤波时间常数，G ACR为电流调节器。

永磁同步伺服系统电流控制采用硬件电路实现。

采用硬件电流控制器具有不占用计算机的运算时间，动态响应速度快，工作可靠，保护电路实现简单、稳定的优点。

电流环控制对象包括PWM 信号形成、延时、隔离驱动及逆变器、电机电枢回路、电流采样和滤波电路。

在伺服系统中，三个电流环是独立的，而伺服系统实现转子磁场定向控制时，严格按照id=0 的矢量控制方法给出电机三相电流，在电流环作用下，电机实际电流便为所给定的转矩电流。

考虑到电流环一般以其跟随性能要求为主，对电网电压的抗干扰作用是次要因素，按照调节器工程设计方法，将电流环校正成典型Ⅰ型系统，电流调节器GACR 选为PI调节器，硬件结构如图3所示。

图3 电流环硬件结构图3，包括信号调理、PI 调节、PWM 信号形成、前后沿延时处理及保护部分组成。

其中i*a是由DS P来的电流给定信号，iaf是电机电流采样信号，分别经过运算放大器调理以后送到调节器，经过调节运算输出误差信号。

该误差信号与三角载波信号比较形成PWM信号来控制逆变桥相应桥臂开关管的开关状态。

同一桥臂的两个管子互补导通，为防止器件在开关过程中直通而损坏，需要对PWM信号的前后沿做适当延时。

电阻R12、R13和电容C1、C2及门电路组成互锁延时电路，实现PWM信号的前后沿延时。

引入保护信号是为了当在系统需要时，或者主开关器件故障时，可关断所有的开关器件。

在实际的电路中，采用GAL(GA L16V8D)来完成对PWM信号的前后延时。

得到电流环的开环传递函数为:(2)其中Km=1/Rs，Tli =Lq/Rs为电机电枢回路时间常数，Ti=Tσi+τv为等效小惯性环节时间常数，τi 为电流调节器积分时间常数，为了使电流环具有较快的响应速度，超调又不至于太大，可以使，转速环的截止频率一般比较低，所以可对Gik进行降阶处理，等效为式(3)所示的一阶惯性环节，其中, 。

(3)伺服系统速度环的设计在设置转速调节器的时候，可以把已设计好的电流环看成是转速调节器的一个环节，得到如图4所示的闭环传递函数，其中GASR为电流调节器，KΦ为电机电势系数，Tm为电机机电时间常数，Ton为速度反馈滤波时间常数，所以速度调节器控制对象传递函数为:(4)对小惯性环节进行近似处理，小时间常数Tl和Ton合并成时间常数为TΣn=Tl+Ton的惯性环节，速度环控制对象为一个惯性环节和一个积分环节串联。

在负载扰动作用点以后已经有了一个积分环节，基于稳态无静差的要求，必须在扰动作用点之前设置一个积分环节，因此需要Ⅱ型系统，再从动态性能上看，调速系统首先需要有较好的抗扰性能，典型Ⅱ型系统正好满足这个要求。

速度调节器选择PI调节器，传递函数为:(5)其中，Kpn，τn分别称为速度调节器比例系数、积分时间常数。

经过校正后，速度环变成为典型Ⅱ型系统，开环传递函数为:(6)该系统需要确定两个未知参数，为分析方便，引入变量h，定义h=τn/TΣn，h为Ⅱ型系统中频宽，当对象参数TΣn一定时，改变τn就改变中频宽。

在τn确定后，再改变KN，使幅频特性上下平移，从而改变截止频率ωcn。

因此，在设计时，选择h和ωcn，就选择了τn和KN，参见典型二型系统波德图如图5所示[4,5]。

图4 速度环传递函数结构图图5 典型二型系统波德图确定好h和ωcn后，可得τn和。

一般情况下，中频宽h=5～6时，Ⅱ型系统具有较好的跟随和抗扰性能。

本系统速度调节器由DSP微控制器实现，我们采用“离散PI调节＋PI分时调节”的算法来实现。

速度P I 调节运算表达式为:(7)式中，T、e(k)、un(k)分别采样周期、第k次采样偏差值、第k次采样时输出。

速度环的调节为PI调节器，但为了提高速度环的阶跃响应速度，抑制PI调节器的饱和，在速度调节控制中引入Bang-Bang控制机制，将速度调节器设计成这样的形式，在速度变化较小，或者是仅在负载的扰动过程中，按照速度范围分段设定不同的比例积分系数。

而当速度变化量超过规定值，使系统按照最大或者最小电枢电流进行加减速，充分发挥了电机潜力。

其控制算法为:(9)其中Kp和Ki为速度环比例积分系数，em为速度误差阀值，um为Bang-Bang控制输出电流限幅给定。

采用以上的Bang-Bang控制方法以后，系统的速度环的动态响应性能无疑得到了很大的改善，但由于PI调节器的作用，转速超调必然无可避免，解决这个问题的一个简单有效的办法就是在转速调节器上引入转速微分负反馈，使得转速调节器的退饱和时间提前了。

采用带微分负反馈的PI型调节器在结构上符合现代控制理论中的“全状态反馈的最优控制”，因而可以获得实际可行的最优动态性能。

系统软件的设计主控电路采用TI公司的高性能DSP控制器TMS320LF2407A作为控制核心,它将一个高性能DSP核、大容量的片上存储器和专用的运动控制外设电路以及其它功能的外设电路集成在单个芯片上,具有可编程、集成度高、灵活性、适应性好及升级方便等优点[6]。

永磁同步电机转速控制器软件包括DSP主程序和DSP伺服控制程序。

主程序主要完成控制寄存器的初始化，使能中断的功能和相关参数变量的初始值的设置。

DSP伺服控制程序由定时中断程序、光电编码器零脉冲捕获中断程序、功率驱动保护中断程序和通讯中断程序4个部分组成。

在中断程序中设有位置计算、速度计算、速度调节等子程序，由于采用了高性能DSP器件确保了控制系统复杂矢量控制运算的执行，同时也提高了系统的响应时间。

电流检测采用霍尔电流传感器和DSP内部集成的A /D转换模块完成。

只要检测电机定子三相绕组中的两相即可,另外一相可以由三相平衡计算得出。

从两路A D采样可计算转子位置角和转速，转子位置检测采用增量式光电编码器。

光电编码器检测的位置脉冲信号两路正交脉冲信号(A)和(B)，一路零位脉冲信号(Z)和三路相差120度的初始位置脉冲信号(U、V、W)，实现初始位置的定位。

A，B，Z，U，V及W均为差分形式的信号,先经4线接收器AM26LS32转换为单路信号,再分别送到DSP的捕获端口(A,B,Z)和通用I/O端口(U、V、W)。

其中断周期设定为0.1 ms完成一次速度环和位置环的控制，控制器的PWM频率设置为18kHz。

通讯中断程序主要用来接收并刷新控制参数，同时设置运行模式;功率驱动保护中断程序则用于检测智能功率模块的故障输出，当出现故障时，DSP的输出通道将被封锁，从而使输出变成高阻态，控制软件的结构如图6所示。