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        基于DSP的永磁同步電機軟件式交流伺服系統

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        發布日期:2022/6/20點擊次數:406

        系統1充分利用TM SF243 DSP外設接口豐富、運算速度快的特點,采用坐標變換磁場定向控制、空間矢量PWM與數字PI控制策略,以光電脈沖編碼器作為位置和速度傳感器,實現軟件式交流伺服系統的位置與速度控制1介紹軟件交流伺服系統結構與控制軟件體系,并進一步給出了實驗研究結果1引言伺服系統廣泛用于數控機床、機器人、印刷、包裝、食品、輸送、紡織等自動化機械設備1近年來,隨著計算機、電力電子、控制理論、永磁電機材料等技術的發展,伺服技術已迎來了新的發展機遇1伺服系統由傳統的步進伺服、直流伺服發展到以永磁電機、感應電機為伺服電機的新一代交流伺服系統由于永磁伺服電機具有轉子轉動慣量小,響應速度快,效率高,功率密度高,電機體積小,消除電刷而減少噪音和維護等其他電機難以比擬的優點,在高性能位置伺服領域,由其為伺服電機組成的伺服系統應用越來越廣泛1永磁無刷電機有兩種形式:方波式和正弦波式1這兩種電機結構基本一樣,即定子為對稱三相繞組,轉子為永久磁體勵磁1對于方波反電勢電機即永磁無刷直流電機,其控制原理由直流電機發展而來,采用兩組接通控制策略,作原理由交流電機矢量控制變頻調速發展而來,它采用三相接通控制策略,由正弦電流驅動以獲得更好的性能如無轉矩波動等1本文主要研究以PMSM為伺服電機的伺服系統1通常伺服系統的組成如圖1,其核心為伺服電機的控制系統。交流電機的控制采用坐標變換磁場定向矢量控制,其控制算法較為復雜1伺服控制器可以由模擬電路實現模擬控制,也可以由數字電路、十六位單片機如80C196實現部分數字控制1新一代先進處理器的出現,進一步發展到伺服系統的全數字、全軟件控制1先進處理器是指近來推出的幾類高速控制、制造業自動化1艾興,中國工程院院士,教授,博導1許傳俊,教授1張承瑞,教授,博導1張東亮等:基于DSP的永磁同步電機軟件式交流伺服系統性能處理器如數字信號處理器DSP( Digital Signal Processor)、精簡指令系統微處理器( RISC)、并行處理器等1軟件伺服控制是將伺服系統的電流環、速度環與位置環全部用計算機軟件實現,為進一步采用神經網絡、專家系統、模糊控制等智能控制理論,并采用高速網絡通訊接口,實現開放式運動控制系統打下基礎1控制系統采用美國德州儀器公司T I最新推出的F243 DSP為控制核心,組成的伺服系統只需要很少的系統元件,其性能高,成本較低1本文探討PM SM軟件式交流伺服系統的數學模型、控制策略與系統結構,并進一步給出其軟件體系和實驗研究結果1伺服系統控制理論分析永磁同步伺服電機矢量控制矢量控制的思想是將交流電機定子三相靜止坐標物理量變換到轉子旋轉坐標,從而實現交流電機的解耦控制1對于三相永磁同步伺服電動機對稱接法,通常無中線,三相電流之和為零,三個變量只有兩個是獨立的,即這時坐標變換的公式可以得以簡化,三相到兩相靜止坐標變換即A、B變換的關系式為兩相靜止坐標變換到轉子旋轉坐標即d、q變換,其中, H為轉子d軸領先定子a相的電氣角度1坐標變換后,定子電壓方程可以大為簡化,相應的d、q坐標電壓方程即Park方程為其中, R為定子相電阻 p= d/ dt為微分算子 X為電氣角度速度, X= p H= d H/ dt 7為d、q軸磁鏈, 7為轉子永磁體磁鏈,為一常數1L為d、q軸電感1)電磁轉矩方程為其中, p為電機極對數1可見電磁轉矩由兩項組成,第一項為基本轉矩,與交軸電流i成正比第二項為磁阻轉矩,是由d、q軸同步電感不同造成的,且與d、q軸電流的乘積成正比1如不考慮凸極效應,即L a,則該項為零1而機械運動方程為其中, T為機械負載轉矩 8 = X/ p為機械角速度 J為轉動慣量 B為阻尼系數1山東工業大學學報由上述電壓方程和運動方程可得到以i、8為狀態變量的同步伺服電機狀態方程1它是多變量非線性狀態方程,即包含d、q軸坐標電樞電流i的乘積項,且i之間有耦合關系1由于存在這一耦合,電磁轉矩不能實現線性化控制1交軸電流i為轉矩電流分量,對電磁轉矩的產生起主要作用1通常勵磁電流分量i對電磁轉矩的產生貢獻不大,且存在使永磁體去磁的可能,故控制i = 0,則電磁轉矩方程和d軸電壓方程分別為電磁轉矩與交軸電流i成正比,這類似于傳統直流電機,則能夠實現電磁轉矩的線性化控制1因此,采用i = 0的矢量控制,可以得到優良的轉速控制特性1電壓空間矢量PWM方法脈寬調制( PWM)是利用半導體開關器件的導通與關斷把直流電壓變成電壓脈沖序列,并通過控制脈沖寬度和脈沖序列的周期以達到調壓、調頻、控制諧波等目的1PWM控制技術從電壓波形正弦到電流波形正弦,再進一步發展到磁通正弦即空間電壓矢量法( SVPWM )1SVPWM是從電機的角度出發,著眼于如何使電機獲得幅值恒定的圓形磁場即正弦磁通1它以三相正弦波電壓供電時交流電機的理想磁通軌跡為基準,用逆變器不同的開關模式產生的實際磁通去逼近基準磁通圓,從而達到較高的控制性能,即可以獲得更小的電流諧波含量與更大的電源電壓利用率逆變器主回路(如圖2)的6個開關管Q可以形成8個開關量,分別對應8個空間矢量,以Q和Q的開關狀態來表截止,而Q的狀態與對應的Q和Q正好相反1其中6種狀態( 001 )為非零矢量16種非零矢量輸出電壓,并在電機中形成6個工作磁鏈矢量,以6種不同工作矢量所形成的實際磁鏈來追蹤三相對稱正弦波供電時定子上的理想磁鏈圓,即可得到PWM調制時的等效基準磁鏈圓,矢量圖如圖31當輸出電壓矢量U旋轉到某扇區時,由組成該扇區的兩個非零矢量U分別作用T時間,時間分解如圖3所示1為補償U的旋轉頻率,插入零矢量O或O 000,時間為T或O其中, T為PWM周期1數字PI調節器PI控制器的控制規律為張東亮等:基于DSP的永磁同步電機軟件式交流伺服系統其中, u( t )為輸出信號, e 為輸入偏差信號, K為比例系數, T為積分時間常數1若采樣周期T取得足夠短,則離散化的PI表達式為其中, k為采樣序號 u ( k )為第k次采樣時刻的控制器輸出值 e( k)為第k次采樣時刻的輸入值積分系數K這種PI算法的局限在于,由于運行時較大的給定值變化及負載變化會導致控制器變量及輸出的飽和與溢出,這種非線性可能增加系統的超調量和調整時間,導致系統動態性能變差1為解決這一問題,可以增加一個積分校正環節1當控制量進入飽和區后,進行積分校正,執行削弱積分的運算,這樣可以避免控制量長期停留在飽和區1帶輸出限幅與積分校正環節的數字PI算法如下:而積分項此處積分校正系數K控制原理綜上所述,位置伺服系統的控制原理如圖4所示1系統的位置環、速度環與電流環全部山東工業大學學報由軟件實現,均采用數字PI調節器1坐標變換矢量控制、空間矢量PWM等均由軟件完成1位置檢測采用增量式光電編碼器,轉速n由機械位置H微分求得1去掉外面的位置環可以實現速度伺服系統的控制1伺服控制系統硬件與軟件實現系統硬件構成及DSP基本特性伺服系統主要由用于控制的MSK243 DSP板、PM50逆變器功率放大板和永磁同步伺服電機及其同軸光電編碼器等組成1功放板包括MOSFET功率場效應管逆變橋及其驅動電路( IR2S) ,還包括電流檢測電路等1本系統采用逆變器橋臂串接電阻并結合軟件的方法,可以實現低成本的電流檢測1 M SK243 DSP板的核心為TM SF243 DSP1這種DSP是T I公司為數字電機控制和運動控制優化設計的DSP控制器TM SX24X的一種1主要由CPU、片內544字RAM與8K字Flash EPROM、事件管理器、片內外設接口等幾部分組成F243 CPU具有16位定點DSP內核,指令系統豐富靈活1運算速度為20M IPS,即指令周期為50 ns1它采用先進的改進型哈佛結構,程序存儲器和數據存儲器具有各自獨立的數據總線和地址總線,分開的程序與數據存儲空間使得CPU可以并行訪問程序與數據1用于數據讀和寫的地址總線各自分開,使得在一個指令周期內可以完成數據的存入取出操作1這種高速運算能力使得一些復雜控制算法如智能控制能得以實現實時運算1事件管理器對運動控制提供了一些非常有用的功能11)兩個16位通用定時器T1、T2,可用于產生采樣周期、作為比較單元產生PWM輸出的時間基準、作為QEP電路的時間基準(只能用T2)等12)比較單元與CMP/ PWM輸出1共有3個全比較單元,每個全比較單元以定時器T1為時間基準,可輸出2路帶可編程死區的CMP/ PWM信號, 3個全比較單元可輸出6路互補的PWM信號1通過設置T 1為不同工作方式,可選擇輸出非對稱PWM波形、對稱PWM波形和空間矢量PWM波形13)正交編碼脈沖( QEP)接口單元1對光電編碼器輸出的相差90b的A、B兩路脈沖信號可進行鑒相和4倍頻1外設接口單元提供了方便的輸入輸出控制電路11)一個準雙10位A/ D電路,包含內部采樣保持電路,共8個A/ D通道1每個通道的****轉換時間僅為0. 85 Ls,完成兩相電流的檢測只需1. 7 Ls12)一個異步串行接口SCI和一個同步串行接口SPI1SCI為通用異步收發器( UART) ,可用于與PC機進行串行通訊13)監視定時器( WD)與實時定時器中斷( RT I) ,監控系統軟件及硬件工作,在CPU工作混亂時,產生系統復位15) CAN現場總線模塊1基于DSP的軟件式伺服控制系統結構如圖5所示1伺服系統的電流、速度和位置反饋信號分別由TMSF243 DSP的A/ D轉換接口和QEP單元輸入,控制器輸出直接控制比較單元的比較值,從而控制輸出PWM脈沖的寬度, PWM信號經功率場效應管MOSFET構成的橋式逆變電路驅動伺服電機1用SCI接口完成與上位機的串行通訊功能1通過上位機可以設定參考給定位置、速度、電流,也可將位置、速度、電流反饋檢測量實時傳送到上位機顯示,也可以通過數字I/ O擴展的鍵盤設定給定量,由SPI接口完成串行驅動數碼管顯示功能1伺服系統與CNC數控系統的接口除了通常的模擬速度接口外,還增加了脈沖數字量接口和張東亮等:基于DSP的永磁同步電機軟件式交流伺服系統串行通訊網絡接口1軟件結構伺服系統軟件包括PC上位主機部分和DSP控制部分1軟件實現上述的控制原理及系統功能1上位機軟件為用戶圖形界面,采編程設計,通過串行通訊實現圖形界面下控制器參數調整、標志設置、變量設定與狀態顯示等功能1 DSP方控制軟件采用匯編語言與C語言結合編程,利用集成開發環境Code Com poser進行開發調試1軟件可分為以下邏輯層: I/ O接口層、實時中斷層、I/ O數據層和管理層1I/ O接口層包括: ( 1) SCI接口串行通訊 ( 2) ADC接口用于電流檢測 ( 3) PWM接口用于產生逆變器命令(定時器T1產生PWM周期)?。?4)定時器T1用于產生電流、速度與位置采樣周期 ( 5) QEP單元和定時器T2用于測量電機轉子位置1實時中斷層包括定時器T 1實時中斷、A/ D轉換中斷和串行通訊實時中斷1在定時器T1實時中斷程序中,進行正弦函數查表、坐標變換、數字PI控制等1I/ O數據交換層包括串行接收與發送數據交換,電流、速度、位置給定值與測量值數據交換1管理層包括上位機命令解釋、參考給定生成、運動語言解釋程序、鍵盤顯示人機接口等1實驗結果實驗裝置由永磁同步伺服電機、DSP板、逆變器功放板和一臺奔騰óPC計算機組成1伺服電機內裝分辨率為500線/ r的光電脈沖編碼器,四倍頻后為2000脈沖/ r,用于速度控制與位置控制的反饋1永磁同步伺服電機的規格參數為:額定轉矩T壓U = 19V額定電流I = 90 Ls反電勢常數K轉矩常數K = 25 mNm/ A轉子轉動慣量機械時間常數T = 8 ms電機極對數P先后進行了速度控制與位置控制實驗1PWM頻率的選擇取決于電氣時間常數,本系統PWM頻率選為20 kHz1位置控制時q軸與d軸電流控制參數:采樣周期T = 100 Ls,比例系數K = 20位置控轉速響應曲線和位置響應曲線分別如圖6, 7所示,性能曲線由T echnosoft運動控制實驗記錄1實驗表明,采用TM SF243 DSP為核心組成的軟件伺服系統,可以實現快速和高精度的速度與位置伺服控制1山東工業大學學報結論( 1)理論與實驗表明,矢量控制算法能夠實現永磁同步電機的無脈動轉矩實時控制,定子電流的幅值無論是瞬態還是穩態總是可以控制的1空間矢量PWM算法適合于與矢量控制算法配合產生永磁同步電機參考給定電壓1( 2)采用F243 DSP為核心組成的伺服控制系統,只需很少的系統元件,其性能高,成本較低1所選定點DSP是目前用于運動控制方面比較理想的選擇,其價格低于通常模擬電路的價格,系統有很高的性能價格比1DSP的高速性能為實時智能控制策略的實現提供了現實基礎1( 3)伺服系統實現軟件數字控制后,系統的控制精度、功能和抗干擾性都得到了很大提高1所提出的基于DSP的永磁同步電機軟件式交流伺服系統結構與控制方法可以用于數控機床、工業機器人等領域

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