基于DSP的永磁電機數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的硬件設計

1、 36基于DSP 的永磁電機數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的硬件設計中小型電機2004,31(4 基于DSP 的永磁電機數(shù)字交流伺服3系統(tǒng)的硬件設計蔡春偉, 張東亮, 王風云, 梁興忠(1. 哈爾濱工業(yè)大學(威海 , 威海264209;2. 山東大學, 山東濟南250061本文提出了一種基于DSP 的數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的硬件電路, 包括主摘要回路、驅(qū)動電路、存儲器擴展、電流環(huán)和速度環(huán)的硬件電路設計。本系統(tǒng)采用價格便宜的電阻器來檢測永磁同步電機的三相電流, 功率主回路采用六單元的IG BT 模塊CPV363M4K , 司的T MS320F243。關(guān)鍵詞數(shù)字交流伺服系統(tǒng)DSP 蔡春偉1977年9月生, 哈爾濱工業(yè)

2、大學(威海 , 助1222AC ServoSystems B ased on DSPC ai Chun w ei , Zhang Dongliang , W ang Fengyun , Liang Xingzhong(1. Harbin Institute of T echnology ; 2. Shandong University 1222Abstract :The hardware circuit design of a DSP 2based AC serv o system is given , which includes a power board , a driver , an

3、extended mem ory , a current loop and a speed loop. Cheap resistors are used to sense three 2phase currents of the PMS M and an IG BT m odule CPV363M4K is used to com pose the inverter. The T MS320F243made by TI is chosen to im plement the AC Serv o System.K ey w ords :DigitalAC serv o system DSP PM

4、S M矢量的幅值控制和相位控制。本文的主要內(nèi)容是基于DSP 芯片T MS320F243的永磁電機數(shù)字交流伺服控制器的硬件設計。主要包括功率主回路的設計、控制驅(qū)動電路的設計、存儲器的設計和速度檢測電路以及電流檢測電路的設計。21引言交流伺服系統(tǒng)由交流伺服電機和伺服控制器兩部分組成, 控制器的性能直接影響到伺服電機的運行狀態(tài), 從而在很大程度上決定了整個控制系統(tǒng)的性能。傳統(tǒng)的模擬控制器雖然具有連續(xù)性好、響應速度快、成本低的優(yōu)點, 但也有著本身難以克服的缺點, 如系統(tǒng)調(diào)試困難、易受環(huán)境溫度變化影響產(chǎn)生漂移, 難以實現(xiàn)柔性化設計思想, 缺乏實現(xiàn)復雜計算的能力, 無法實現(xiàn)現(xiàn)代控制理論指導下的控制算法等。

5、因而, 現(xiàn)代伺服控制器均采用全數(shù)字化硬件結(jié)構(gòu), 伺服控制系統(tǒng)的主要控制理論也采用了現(xiàn)代的矢量控制思想, 實現(xiàn)了電流3山東省優(yōu)秀中青年科學家基金項目(編號:02BS077功率主回路的設計功率主回路是進行能量轉(zhuǎn)換、驅(qū)動伺服電機工作的強電電路, 主要由整流電路、中間直流電路和逆變器三個部分組成, 如圖1示。2. 1交2直部分(1 整流電路:采用二極管不可控整流橋 中小型電機2004,31(4 基于DSP 的永磁電機數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的硬件設計371B01將單相交流電整流為固定的直流電。整流電路因變頻輸出功率大小不同而異, 小功率的, 輸入電壓多采用單相220V , 整流電路為單相全波整流橋; 功率較大

6、的, 一般采用3相380V 電源, 整流電路為3相橋式全波整流電路。設電源電壓U 2為220V , 則經(jīng)過整流后的平均直流電壓U d 的大小是:U d =0. 9U 2=198V 。為無功電流返回直流電源提供通道; 在逆變器工作的過程中, 同一橋臂的兩個逆變管處于不停地交替導通和關(guān)斷的狀態(tài)。在交替導通和關(guān)斷的換相過程中, 也不時地需要D 1D 6續(xù)流二極管提供通路。另外, 在逆變器兩個橋臂的下端各有一個電阻, 此電阻是用來檢測相電流的電阻傳感器, 考慮到電阻的損耗以及采樣檢測值大小的問題, 我們。通常取該電阻為40m功率主回路是一“交2直2交”變頻器, 將工頻電源(220V ,50H z 流電

7、壓, 然后利用由IG BT , PW M 信, 3圖1功率主回路電路圖(2 濾波電容F :, F 的作用是:除了穩(wěn)壓和濾除整流后的電壓紋波外, 還在整流電路和逆變電路之間起去耦作用, 以消除相互干擾, 為感性負載的電動機提供必要的無功功率。因此, 中間直流電路電容的容量必須較大, 起儲能作用, 所以該電容器又稱為儲能電容器。另外,50K 的電阻在系統(tǒng)停止時為電容提供放電回路。(3 限流電阻R L 與開關(guān)S L :由于儲能電容大, 加之在接入電源時電容器兩端的電壓為零, 故當變頻器剛合上電源的瞬間, 濾波電容器C F 的充電電流很大, 過大的沖擊電流將可能使整流橋的二極管損壞。為了保護整流橋,

8、在變頻器剛接通電源的一段時間里, 在電路內(nèi)串入限流電阻, 作用是將電容器C F 的充電電流限制在允許的范圍內(nèi)。開關(guān)S L 的功能是, 當C F 充電到一定程度時, 令S L 接通, 將R L 短路掉。2. 2直2交部分(1 逆變橋:采用六單元的IG BT CPV363M4K 模塊來組成三相逆變橋, 它把二極管整流橋整流后的直流電再“逆變”成頻率和幅值都可調(diào)的交流電, 這是實現(xiàn)變頻的執(zhí)行環(huán)節(jié), 是整個主電路的核心部分。當前常采用的逆變管有絕緣柵雙極晶體管(IG BT 、大功率晶體管(G TR 、可關(guān)斷晶閘管(G T O 以及大功率場效應晶體管(MOSFET 等。(2 續(xù)流二極管:在IG BT 模

9、塊中, 與每個逆控制驅(qū)動電路的設計控制驅(qū)動電路主要完成對PW M (Pulse WidthM odulation 信號的功率放大, 以及對逆變器功率管的驅(qū)動功能。本文中分別采用SPW M 技術(shù)和S VPW M 技術(shù)來實現(xiàn)功率逆變, 將由T MS320F243DSP 芯片產(chǎn)生的PW M 信號經(jīng)過功率驅(qū)動模塊IR2132S 進行功率放大、然后驅(qū)動三相逆變器的六個功率管。3. 1功率驅(qū)動模塊IR 2132IR2132是一高電壓、高速度, 用來驅(qū)動MOS 2FET 、IG BT 的功率驅(qū)動模塊, 具有三個獨立的高電平、低電平輸出通道; 特有的H VIC 技術(shù)使得它堅固耐用; 輸入邏輯與5V 的C MO

10、S 或LSTT L 兼容; 以地為參考的運算放大器通過外部的電流傳感器提供模擬反饋。該功率模塊特點如下:(1 輸出門極驅(qū)動電壓信號為1020V ; (2 低電壓時封鎖所有的輸出通道;(3 過電流時封鎖六個驅(qū)動信號; (4 具有獨立的半橋臂驅(qū)動能力; (5 各通道的傳輸延時是匹配的。IR2132的引腳定義由表1給出。變管反并接的續(xù)流二極管D 1D 6的主要功能是3. 2控制驅(qū)動電路圖2是伺服控制器的功率驅(qū)動電路原理圖, 主要有功率驅(qū)動模塊IR2132和IG BT CPV363M4K 組成的三相逆變器組成。將DSP 芯片所產(chǎn)生的六路PW M 信號直接輸入功率驅(qū)動模塊IR2132對信號進行放大, 然

11、后驅(qū)動三相逆變器的六個功率管。 38基于DSP 的永磁電機數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的硬件設計表1IR 2132的引腳定義引腳 定義門極驅(qū)動信號HO1,2,3對應的輸入信號門極驅(qū)動信號LO1,2,3對應的輸入信號過電流、低電壓指示信號, 低電平有效上半橋臂門極驅(qū)動信號下半橋臂門極驅(qū)動信號電源邏輯地電流放大器輸出過電流封鎖輸入信號中小型電機2004,31(4 DSP 控制器內(nèi)部有一A D 模塊, 該模塊是一偽雙ADC 模塊, 雖然只有一個轉(zhuǎn)換器, 但可以作為兩HIN1,2,3LIN1,2,3EIT HO1,2,3LO1,2,3Vcc Vss CAO ITRIP個轉(zhuǎn)換器ADC #1和ADC #2來使用。這一

12、特點使該模塊的軟件和C240的ADC 模塊的軟件相兼容, 而且使得它幾乎可以同時對兩個值(電壓、電流 進行轉(zhuǎn)換。本文采用兩個電阻器作為傳感器進行相電流的測量。具體做法是在逆變器的兩個橋臂上串接兩個電阻器作為傳感器, 將電阻上的電壓信號作為采樣信號, 在電流環(huán)周期到的時候?qū)υ撔盘栠M行采樣, 然后經(jīng)過有偏置電路和鉗位電路的功率, 使得到的電0圖2系統(tǒng)的控制電路由于DSP 本身通過軟件編程可直接產(chǎn)生SP 2W M 信號和S VPW M 信號來驅(qū)動三相逆變器, 所以, 大大簡化了系統(tǒng)的外圍硬件電路結(jié)構(gòu), 提高了系統(tǒng)的可靠性。4圖3相電流的測量電路圖每一測量電路有測量電阻、運放、偏置電路和鉗位二極管組成

13、。工作過程為, 運放通過將電阻器上的電壓進行放大, 并通過偏置電路和鉗位二極管使輸出電壓AD input 為05V 。輸出電壓AD input 的表達式為AD input =R (V shunt +2. 5R 1伺服控制器電流環(huán)的硬件設計在三相電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)中, 為了得到更好的控制性能, 很多控制策略, 如矢量控制等高性能控制都需要知道電動機定子的三相相電流。獲取三相電流最簡單的方法是直接檢測, 一般檢測三相電流中的兩相, 并利用三相相電流的和為零(I a +I b +I c =0 來獲取另一相的值。由于電流(1檢測需要隔離的原因, 這種檢測方法成本很高。另一種測量相電流的方法是使用簡單

14、的、便宜的嵌入光電編碼器用來進行速度和位置的測量。其電阻器來進行測量, 當然, 這種測量方法比較復工作原理是:光電碼盤(如圖4所示 一側(cè)的兩個雜。然而, 在一定的條件下, 這種測量方法變得很光敏管受另一側(cè)發(fā)光二極管的控制。困難, 甚至由于硬件的限制是不可能進行測量的,在光電碼盤上均勻分布著500個光電孔, 當如當采用智能功率模塊(IPM 組成逆變橋時, 就光透過光電孔的時候, 光敏管產(chǎn)生邏輯“1”的信沒法使用電阻器進行相電流的測量。號; 當發(fā)光二極管被遮住的時候, 光敏管產(chǎn)生邏輯由于電流在時間上和數(shù)值上都是連續(xù)變化的“0”的信號。這樣, 兩個光敏管會產(chǎn)生A 、B 兩路物理量, 即模擬量, 所以

15、, 當用微處理器參與測量相位相差90°的正交信號。并實施電流環(huán)控制時, 必須將它們轉(zhuǎn)化為數(shù)字量T MS320F243DSP 控制器內(nèi)部的正交編碼脈才能進行處理。將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的器件稱沖電路(QEP , 可實現(xiàn)鑒相和4倍頻功能, 能自動為模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 簡稱ADC 或A D 。T MS320F2434. 1位置、速度檢測許多運動控制系統(tǒng)都需要有正、反兩個方向的運動, 為了對位置、速度進行控制, 必須測試出當前的運動方向、位置和速度。對于交流永磁伺服電機來說, 通常在電機內(nèi) 中小型電機2004,31(4 基于DSP 的永磁電機數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的硬件設計395實驗結(jié)果永磁同步伺服電機的

16、規(guī)格參數(shù)為:額定轉(zhuǎn)矩T n =28mN m ; 額定電壓19V ; 額定電流I n =1. 2A ; ; 相電感L =0. 46mH ; 電器時間相電阻R =5. 25常數(shù)T e =90us ; 反電動勢常數(shù)K e =2. 62V kr min圖4增量式光電編碼器和正交編碼脈沖(QEP 電路原理圖-1; 轉(zhuǎn)矩常數(shù)K t =25mN m A ; 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量J-7=9. 9×10kg m ; 機械時間常數(shù)T m =8us ; 電機2極對數(shù)P n =2。先后進行了速度控制與位置控制實驗。PW M , 本系統(tǒng)PW M 20kH z 軸與d 軸電:K p =, K J =:T =p , K

17、I =9. 6×10-6識別由外部引腳C AP1QEP0、C AP2QEP1上輸入的正交編碼脈沖的方向, 記錄脈沖的個數(shù), 并可以得到輸入信號4倍頻的脈沖信號, 這為伺服控制的實現(xiàn)提供了方便。具體的說,QEP 單元能對輸入到C AP1QEP0、C AP2QEP1, 即電機的角位移和轉(zhuǎn)向; 電機的速度可由計數(shù)脈沖的頻率獲得。這樣, 將光電編碼器產(chǎn)生的A 、B 兩路信號分別接入QEP 的兩個輸入端, 經(jīng)過適當?shù)呐渲? 就可以對電機的轉(zhuǎn)速和位置信息進行測量。事實上, 經(jīng)過配置,F243的通用寄存器T imer 2可自動地對QEP 的脈沖個數(shù)進行計數(shù) 。為速度控制時電流與速度響應曲線圖7所示

18、(圖中實線為測量值, 虛線為指令給定值 。其控制器實驗參數(shù):q 軸與s , 比例系數(shù)K p d 軸電流控制器采樣周期T =100=0, 積分系數(shù)K I =0. 8, 速度控制器比例系數(shù)K p =200, 積分系數(shù)K I =20。圖6是時間速度響應曲線 。圖5正交編碼脈沖信號圖要使QEP 電路工作必須完成如下的寄存器配置:(1 需要的話, 將期望的值裝入通用定時器T 2的計數(shù)寄存器T 2C NT 、周期寄存器T 2PR 、比較圖6P MS 時間速度響應曲線寄存器T 2C MP 。(2 通過配置T 2C ON 寄存器, 使通用定時器T 2工作在定向增減計數(shù)模式, 時鐘源必須選擇正交編碼脈沖電路QE

19、P , 并啟動定時器T 2。(3 將光電碼盤的兩路信號接至輸入引腳C AP1QEP0和C AP2QEP1上, 配置C APC ON 寄存圖7P MS 伺服系統(tǒng)速度與電流響應曲線器, 啟動QEP 電路。實驗表明, 采用T MS320F243DSP 為核心的伺服系統(tǒng), 可以實現(xiàn)快速和高精度的速度與位置(下轉(zhuǎn)第65頁 中小型電機2004,31(4 嵊州市南山水庫電站增容改造65度和剛度;(4 轉(zhuǎn)子的兩端各裝有風扇, 以產(chǎn)生較高風壓, 保證電機有足夠的冷卻風量。3. 3軸承發(fā)電機采用兩只徑向自循環(huán)水冷卻球面座式軸承, 鑄鋼軸承瓦體內(nèi)表面澆鑄有錫基巴氏合金。為監(jiān)測軸承瓦溫, 每個軸承裝設鉑電阻測溫元件一

20、只。軸承儲油室內(nèi)裝有水冷卻器, 以降低軸瓦溫升。非軸伸端軸承與底架及進出水管均有絕緣措施, 以防止軸電流發(fā)生。3. 4底架底架為整體底架, 即水輪機推力軸承、發(fā)電機定子及兩軸承均裝在同一底架上。整體底架具有很好的機械強度和剛度, 能承受機組重量及發(fā)電機短路故障引起的力的作用, 生。3. 5, 導致磁極線圈匝(上接第39頁間短路的現(xiàn)象, 也為縮短電機底架部分的軸向長度, 利用原基礎尺寸不變, 將集電環(huán)和刷架外置。3. 6端蓋、冷卻器電站原機組運行時不僅噪音很大而且電機自然冷卻, 熱量直接散發(fā)在廠房內(nèi), 嚴重影響電站運行人員的健康。隨著環(huán)保意識的加強, 此次電站改造采用雙層端蓋和空冷器冷卻密閉循環(huán)

21、的運行方式, 有效地解決了噪音和散熱問題。4結(jié)束語按照上述設計方案, 我公司對南山水庫電站, 于次年3, 各項性, 得, 為公司, 創(chuàng)造了良好, 也為今后進行類似電站的增容改造積累了經(jīng)驗。收稿日期:2003208206(上接第63頁伺服控制。6結(jié)論采用T MS320F243DSP 為核心組成的伺服控制系統(tǒng), 只需很少的系統(tǒng)元件, 其性能高, 成本低, 所選定的DSP 是目前用于運動控制方面比較理想的選擇, 其價格比較低, 系統(tǒng)有很高的性能價格比。并且DSP 的高速性能為實時智能控制策略的實現(xiàn)提供了現(xiàn)實基礎。參考文獻1于宏全, 鐘彥儒等. 基于T MS320X 240的交流變頻調(diào)速裝置的設計. 電氣傳動自動化,1999. 2王研, 杜軍紅, 陶偉宜等. 基于DSP 的空間電壓矢量法PW M 的研究. 電機與控制學報,2000(7 . 3章云, 謝梨萍, 熊紅艷等. DSP 控制器及其應用. 機械工業(yè)出版社,1999. 4T exas Instruments. Creating a S ine M odulated PW M S ignalUsing the T MS320F240E VM. January 1999. 5T exas Instruments. S pac