基于DSP交流永磁同步數(shù)字伺服系統(tǒng)設計與試驗研究

1、第31卷第01期2010年01月煤礦機械Coal Mine MachineryVol.31No.01Jan. 2010基于DSP 交流永磁同步數(shù)字伺服系統(tǒng)設計與試驗研究*歐陽周全，吳上生（華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州510640）摘要：介紹了一種基于TI 公司的DSP 芯片-TMS320LF24O7的交流永磁同步數(shù)字伺服控制系統(tǒng)。詳細介紹了永磁同步電動機(PMSM數(shù)學模型、矢量控制原理、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計，并且對樣機進行實驗, 結果表明, 該伺服系統(tǒng)相電流能夠基本保持正弦形態(tài)，位置環(huán)響應速度較快，速度跟蹤很穩(wěn)定。關鍵詞：DSP ；TMS320LF24O7；矢量控制；伺服系統(tǒng)中圖分類

2、號：TM383文獻標志碼：A文章編號：10030794（2010）01008104The Design and Experiment Study of Permanent Magnet ACSynchronous Digital Servo System on DSPOUYANG Zhou-quan, WU Shang-sheng(Collegeof Mechanical and Automotive Engineering , South China University of technology , Guangzhou 510640, ChinaAbstract ：Mainly intr

3、oduced the permanent magnet AC synchronous digital servo control system.based on TI s DSP chips -TMS320LF24O7. In this paper, PMSM mathematical model, the principle vector control , hardware and software design are proposed, the experiment results show that the phase current of the servo system main

4、tain the basic form of sine ,the loop of location responds fast ,and the speed tracking is very stable.Key words:DSP ；TMS320LF24O7；vector control ；servo system 0前言永磁同步電動機系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能和高動態(tài)響應，在性能上超過了直流伺服系統(tǒng)，所以已逐步取代傳統(tǒng)的步進伺服、直流伺服系統(tǒng)，成為當代伺服控制系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢，被廣泛應用于高精度數(shù)控機床、機器人、特種加工裝備和精細進給系統(tǒng)中。DSP(數(shù)字信號處理器 有尺寸小、功耗低、處理速度

5、快等特點，是一種高性能的處理器。將*國家自然科學基金資助項目（50605023）DSP 應用于交流伺服系統(tǒng)，使得系統(tǒng)結構簡單、性能可靠、效率得到提高。11.1PMSM 數(shù)學模型及矢量控制原理PMSM 數(shù)學模型PMSM （永磁同步電動機）的定子由三相空間上相差120°的對稱繞組及鐵芯構成，其電壓、電流波形為正弦波形，轉子一般采用稀土永磁材料，減少了體積，提高了效率和可靠性，節(jié)省了能源。通常采用d-q 旋轉坐標系建立數(shù)學模型來分析永磁同步道車輛，2007，45(8：6-13.3李明，繆忠海，王悅明我國鐵路貨車緩沖器的現(xiàn)狀及其發(fā)展中的幾個問題J 中國鐵道科學，1994，15(3：16-26

6、.4謝漢波新型摩擦緩沖器性能研究D 大連：大連交通大學，!型重載貨車緩沖器的虛擬樣機模型。建立了緩沖器的沖擊試驗數(shù)字模型，在不同沖擊速度下進行了沖擊試驗的仿真和試驗分析，沖擊速度越大，緩沖器的行程也隨之增大，同時阻抗力也相應增大。相關分析結果有利于分析緩沖器基本結構參數(shù)和材料參數(shù)對緩沖器動態(tài)特性的影響規(guī)律，為重載貨車緩沖器的設計制造提供理論依據(jù)和實驗參考，同時也可為重載貨車縱向動力學的深入研究提供相應參考依據(jù)，確保我國緩沖器能夠滿足重載運輸要求。參考文獻：1常崇義，王成國，馬大煒國際重載列車緩沖器的應用現(xiàn)況與發(fā)展趨勢J 世界軌道交通，2004(9：50-52.2陳雷，姜巖，孫蕾關于重載鐵路貨車

7、緩沖器技術的研究J 鐵2007.5李增剛ADAMS 入門詳解與實例M 北京：國防工業(yè)出版社，2006.6江伯濤重載貨車橡膠緩沖器參數(shù)和性能研究D 北京：北京交通大學，2006.7王雪軍重載貨車緩沖器數(shù)字試驗研究D 南昌：華東交通大學，2008.作者簡介：龍銘（1963），江西吉安人，副教授，主要從事虛擬樣機技術、機械制造等方面的教學與研究工作，發(fā)表論文多篇，電話電子信箱：minglong1963.責任編輯：盧盛春收稿日期：2009062281Vol. 31No.01基于DSP 交流永磁同步數(shù)字伺服系統(tǒng)設計與試驗研究歐陽周全，等變器，再對電動機進行控制。第31卷第01

8、期電動機性能。在不考慮電樞反應的影響，忽略磁滯、渦流損耗，認為轉子是恒電流矢量的無阻尼繞組等情況下，可以把電動機系統(tǒng)看成線性系統(tǒng)。由電機統(tǒng)一理論，在d-q 旋轉坐標系中，可以得到永磁同步電動機的定子磁鏈方程為22.1系統(tǒng)設計及控制原理系統(tǒng)硬件設計TI 公司的TMS320LF2407DSP ，不僅具有實時信號處理能力，還具有控制器外設功能，比較合適應用于電機控制系統(tǒng)。它具有靈活的指令集；采用高性能靜態(tài)CMOS 技術，減少了控制系統(tǒng)的功耗；具有2個事件管理器模塊EVA 和EVB ，能夠實現(xiàn)三相反向器控制和PWM 的對稱與非對稱波形，可編程的PWM 死區(qū)能觸發(fā)脈沖，事件管理器模塊適用于控制電機和逆變

9、器；能夠捕獲光電編碼器的正交編碼脈沖；可擴展的外部存儲器總共192K 字；另外片上集成ADC 、可編程復用I/O引腳、瑣相環(huán)時鐘發(fā)生器，具有看門狗電路以及可用于與上位機和外設之間通訊的串行通訊接口(SCI和串行外設接口=L iqd =L d i d +rq q（1）式中轉子磁鐵在定子繞組上的耦合磁鏈；r d 、q 軸上的電樞電流分量。i d 、i q 定子電壓方程為d qd 、q 軸上等效電樞電感分量；L d 、L q U =p -+ri U =p -+rid qq qd q（2）式中d 、q 軸上定子電壓分量；U d 、U q 轉子角速度。轉矩方程為(SPI等功能外設。T em =p n （

10、i q U d -i d U q ）（3）系統(tǒng)硬件結構如圖1所示，包括作為數(shù)字處理器的TMS320LF2407DSP ，用于檢測定子電流的霍爾傳感器，用于測量轉子位置和速度的增量式光電編碼器，電壓源逆變器、信號發(fā)生器，光電隔離電路、保護電路以及一些輔助電路，以及X5043存儲器和鍵盤顯示板。下面對系統(tǒng)主要構成部分進行詳細說明。整流電路式中電機極對數(shù)。p n 由式（3）可以看出，定子交軸電流分量和直軸電流分量基本上決定了PMSM 的電磁轉矩。而電磁轉矩決定了電機的動態(tài)特性。由于轉子磁鏈恒定不變，故可采用轉子磁鏈定向方式來控制永磁同步電機。1.2矢量控制原理矢量控制就是對定子電流進行控制而改善電2

11、20V變壓源逆變器光耦隔離電路電路檢測電路PMSM機的轉矩性能。但是，定子的電壓、電流、電動勢、磁動勢都是交流量，其空間矢量以同步轉速旋轉，直接計算、控制都很復雜。所以，通常在磁場定向坐標上，將定子電流矢量分解為勵磁電流分量和轉矩電流分量。矢量控制實際上就是對電流矢量的幅值和空間位置進行控制。而進行矢量控制的時候，電動機定子電流的響應問題可以由電流環(huán)得到解決。在用矢量控制原理對電機調速的時候，給定了一定轉速下的電流波形，電流都可以比較好的響應，所得電流交軸分量就是電機旋轉所需的轉矩分量，電機響應性能優(yōu)異。由于交軸電流和直軸電流間耦，定子電流產生的磁場和永磁轉子的磁場形成固定圖1位置脈信號沖給定

12、發(fā)生器編碼器事件管理器DSPPC 機RS232SCI 模塊A/D模塊捕獲與QEP 單元數(shù)字I/OABZ信號UVW信號鍵盤、顯示板和存儲器系統(tǒng)硬件結構框圖（1）DSP 最小系統(tǒng)設計DSP 最小系統(tǒng)包括TMS320LF2407芯片、3.3V電源、20MHZ 的晶振、外擴X5043存儲器和一些接線引腳。通過JTAG 調試接口，系統(tǒng)可以和仿真器連接，進行在線調試。DSP 系統(tǒng)在整個范圍內調節(jié)電機速度，可以實現(xiàn)各種先進算法降低轉矩波動和噪聲，產生高分辨率的PWM 脈沖，控制逆變器。DSP 最小系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的核心，它決定整個伺服系統(tǒng)的性能。（2）電壓源逆變器電壓源逆變器由整流電路、阻容吸收電路、三相逆變

13、橋電路以及一些電壓電流傳感器組成。逆變器所用的電子開關采用全控型電力電子器件。整流電路由二極管構成的橋式電路。阻容吸收電路由電90°，這樣就對定子電流的控制得到實現(xiàn)。對d 、q 坐標系上的交軸電流和直軸電流進行變換，可得到i= 姨3d q姨cos cos （23）cos （+23）-sin -sin （23）-sin （+23）姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨i a i b i c 姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨（4）式（4）中的可以由安裝在電動機軸上的增量式光電編碼器檢測出，而變換后的電流可以控制逆82歐陽周全，等第31卷第01期基于DSP 交流永磁同步數(shù)字伺服系統(tǒng)設計與試驗研究阻、電容和二極管并聯(lián)在

14、電路中而實現(xiàn)的。三相逆變橋電路由6只IGBT 管連接而成。逆變器是通過改變晶體管每個周期內的導通與截止時間比, 也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓頻率和幅值的大小。系統(tǒng)TMS320LF2407DSP 的事件管理器產生的PWM 經(jīng)過光電隔離電路輸入電壓源逆變器，逆變器在PWM 的控制下，把直流電轉變成三相交流輸出，從而可以應用于交流電機調速。（3）電流檢測根據(jù)永磁同步電動機的數(shù)學模型，PMSM 的電磁轉矩的取決于定子直軸電流分量和交軸電流分量。對PMSM 進行調速，實質上就是對定子三相繞組中的電流進行控制。系統(tǒng)采用變比1：1000的霍爾傳感器來檢測定子電流，獲得由傳感器輸出的檢測電流信

15、號，再把它轉化為05V 檢測電壓信號，最后把這個電壓信號接入TMS320LF2407片內A/D轉換器。經(jīng)過DSP 程序的運算、處理，對事件管理器產生的PWM 波形進行調節(jié)，從而控制了定子電流。實際上，也就是將這個檢測電流作為整個伺服系統(tǒng)（閉環(huán)系統(tǒng)）的一個反饋支路，從而對電機電流實現(xiàn)了閉環(huán)控制，其實際電路如圖2所示。U refR 2TL082R 2R 1R 4TL082過電流過電壓電機過熱各種故障信號Vol.31No.01QEP1QEP2CLK方向圖3增量式光電編碼器的輸出波形（5）電路保護TMS320LF2407的TNIPDP 引腳可以用來作為電路保護。如圖4所示，過電壓、過電流、各種故障以及

16、電機過熱的信號通過或門和光電隔離后接入TNIPDP 引腳，當上述情況的任何一種發(fā)生時DSP能夠及時控制電機運行停止，并發(fā)出警報，從而達到了對系統(tǒng)的保護作用。V CC R 1IC1IC2APDPINTV CCR 2TMS320LF240774ALS0474ALS30TLP521圖4保護電路2.2系統(tǒng)控制原理控制系統(tǒng)中的速度調節(jié)和位置控制分別采用PID 和PI 控制，具體通過PID_REG1模塊來實現(xiàn)，如圖5所示。Pid_ref_reg是PID 控制器的參考信號，Pid_fb_reg是反饋信號，Pid_out_reg是輸出信號。改變參數(shù)設置，PID_REG1模塊可以實現(xiàn)PID 、PI 和PD 控制

17、。速度控制器和位置控制器的輸入分別為速度反饋值、給定值和位置反饋值、給定值。由于采用轉圖2電流檢測電路子磁鏈定向控制，定子電流決定轉矩。位置和速度反饋值與給定值之間的差值輸入控制器，經(jīng)過控制器調節(jié)后，最后輸出為電流指令值。DSP 的事件管理器輸出6路PWM 信號，送到電壓源逆變器，驅動三相交流電機。這樣就實現(xiàn)了基于磁場定向控制算法的永磁同步電動機伺服系統(tǒng)。Pd_ref_regPID_REG1Pid_fb_regPid_out_reg（4）位置、速度檢測位置、速度檢測采用的是光電式檢測方法，利用光電元件，感應透過旋轉圓盤上的槽口的光線。光電編碼器主要元件是光敏晶體管，其工作原理是：當槽口被物體擋

18、住光線的時候，光敏晶體管不導通，而當光線穿過槽口時，光敏晶體管導通。采用增量式光電編碼器對交流永磁同步電動機進行位置、速度檢測。將編碼器固定在電機轉軸上，電機轉動時，由編碼器產生兩路脈沖信號，經(jīng)過濾波處理后，接入TMS320LF2407的QEP 單元。通過DSP 的事件管理器對這兩路信號進行4倍頻譯碼，形成正交編碼脈沖，并且作為定時器的輸入，也就是用定時器來計數(shù)脈沖。根據(jù)脈沖的數(shù)量和頻率可以計算出電動機的位置和速度。位置、速度檢測電路中，增量式光電編碼器的輸出波形如圖3所示。圖5PID_REG1模塊3系統(tǒng)軟件設計DSP 作為系統(tǒng)的數(shù)字處理器，而由于它可實現(xiàn)PWM 控制、三相電流控制、Clark

19、e 變換、Park 變換、PID 控制以及卡爾曼濾波。所以用DSP 來控制電機不僅簡化了硬件電路，提高了效率，減少了系統(tǒng)噪聲，便于軟件設計。采用匯編語言編寫程序，具有指令執(zhí)行速度快，可以直接對端口進行操作，占用儲83Vol. 31No.01基于DSP 交流永磁同步數(shù)字伺服系統(tǒng)設計與試驗研究歐陽周全，等第31卷第01期存空間少等特點，本系統(tǒng)程序由匯編語言進行編寫。系統(tǒng)程序由主程序、各功能子程序、中斷服務程序3個模塊組成。首先，主程序初始化DSP 及外圍器件，然后設置允許中斷，再響應中斷調用PID 控制子程序和設置一些參數(shù)和標記，最后，進入等待狀態(tài)。各功能子程序包括電流檢測程序、增量式光電編碼器脈

20、沖計數(shù)程序、坐標變換程序、PID 控制程序和PWM 波形產生程序。中斷服務程序由處理外部、處理計數(shù)器溢出和串行中斷子程序組成。下面給出調用PID 控制程序的部分關鍵代碼。系統(tǒng)初始化時，指定PID 參數(shù)如下：由圖6可以看出，電流的波形基本保持正弦形態(tài)，幅值和頻率都保持不變。電機運行速度給定為400r/min時，在空載的條件下速度環(huán)試驗波形如圖7所示。電機速度為400r/min時，位置指令由模擬量給定，通過輸入±5V 直流電壓，控制電機轉子在±360°機械角度內運行，位置環(huán)實驗波形如圖8所示。400轉速n /r ·m i n -130020010001002

21、00300400時間t /ms500600LDP #Kp_reg1; 設置DP SPLK #Kp_REG1_,Kp_reg1SPLK #Ki_LO_REG1_,Ki_low_reg1SPLK #Ki_HI_REG1_,Ki_high_reg1SPLK #Kd_REG1_,Kd_reg1SPLK #PID_OUT_MAX_,pid_out_maxSPLK #PID_OUT_MIN_,pid_out_min在中斷子程序內調用PID 模塊并讀出結果：LDP #pid_fb_reg1; 設置DP BLDD #input_var1,pid_fb_reg1; 傳遞輸入變量到模塊中BLDD #input_v

22、ar2,pid_ref_reg1CALL PID_REG1LDP #output_var1BLDD #pid_out_reg1,output_var1;傳遞輸出變量到模塊中圖7速度400r ·m i n 1（d i v ）位置2048脈沖（d i v ）速度環(huán)試驗波形時間20ms （div ）圖8位置環(huán)實驗波形通過對電流、速度以及位置跟蹤的系統(tǒng)運行波形的分析可以看出，系統(tǒng)的電流能夠基本保持正弦形態(tài)，速度有比較好的運行效果；位置環(huán)響應速度較快，速度跟蹤很穩(wěn)定，達到伺服系統(tǒng)的基本要求。參考文獻:1王健. 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)技術和市場發(fā)展綜述J . 伺服控制,4實驗及結果為了驗證本全數(shù)字交流伺服驅動器的性能, 采2007(1：16-21.2王雪丹，孫少杰. 基于TMS320F2812的永磁同步電機矢量控制研究J . 煤礦機械，2008，29（9）：69-71.3陳伯時，陳敏遜. 交流調速系統(tǒng)M . 北京：機械工業(yè)出版社,用華中數(shù)控的HNC-22MD 數(shù)控系統(tǒng)來連接所設計的驅動器, 當電機速度為120r/min、負載為2