基于DSP+FPGA的交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

劉日寶，王愛祥

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京210013)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，以永磁同步電動(dòng)機(jī)為執(zhí)行元件的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其性能已和直流伺服系統(tǒng)相當(dāng)，而交流電機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力和低維護(hù)成本則成為取代直流伺服的最大優(yōu)勢(shì)。本文研究目的就是為現(xiàn)代雷達(dá)裝備提供一種高可靠性的交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置，取代傳統(tǒng)的直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在滿足雷達(dá)對(duì)惡劣的環(huán)境適應(yīng)性要求的同時(shí)，降低系統(tǒng)的維護(hù)成本。

1 交流伺服驅(qū)動(dòng)器的控制策略分析

1.1 電流控制器設(shè)計(jì)

1.1.1 矢量控制

矢量控制是19世紀(jì)70年代前西德Blaschke等人提出來(lái)的［1］。采用固定于永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，如圖1所示。圖中αs為定子A相軸線，β為定子電流矢量is的空間相角，id和iq就是is在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq軸上的兩個(gè)分量，如果得到了id和iq，也就確定了定子電流矢量的相角和幅值，矢量控制就是通過(guò)對(duì)這兩個(gè)電流分量id和iq的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖1 永磁同步電動(dòng)機(jī)空間矢量圖

1.1.2力矩電流比最大控制

基于矢量控制的永磁同步電動(dòng)機(jī)電流控制方法主要有:(1)id=0控制;(2)力矩電流比最大控制;3)功率因數(shù)等于 1 的控制;(4)恒磁鏈控制［2－3］。功率因數(shù)等于1和恒磁鏈的電流控制方法［4］，其電動(dòng)機(jī)輸出力矩都受到了限制，一般不考慮采用。

1.1.3 仿真計(jì)算

采用如圖1所示的dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式可以表示［1］:

由上式可以看出，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩是定子電流is和定子電流空間相角β的雙元函數(shù)。

設(shè)電機(jī)永磁體磁鏈ψf=0.24 Wb，Ld=8 mH，Lq=9 mH，應(yīng)用Matlab對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算仿真，得到如圖2所示的電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出圖。

由于電機(jī)的定子電流不能無(wú)限制增大，考慮電機(jī)本身的過(guò)載能力，一般不能超過(guò)額定電流的2～3倍，同時(shí)電流輸出還受逆變器容量和直軸去磁電流的限制。假設(shè)定子電流從25%額定值變化到200%，則永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出如圖3所示。

圖2 永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出圖

圖3 不同的定子電流時(shí)永磁同步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩角β的關(guān)系

1.1.4 電流控制器結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速穩(wěn)定地響應(yīng)與發(fā)揮電機(jī)的最大輸出能力，本系統(tǒng)的電流環(huán)節(jié)最終采用PI調(diào)節(jié)結(jié)合力矩電流比最大控制方法。該電流控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2 速度控制器設(shè)計(jì)

速度控制器的設(shè)計(jì)采用了Bang－Bang控制的PI調(diào)節(jié)器，控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。該速度控制器一方面極大地改善了系統(tǒng)速度環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能，另一方面由于引入了轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋［3］，使得超調(diào)明顯地減小甚至消除了。

圖4 交流伺服系統(tǒng)的電流控制器

圖5 交流伺服系統(tǒng)的速度控制器

1.3 位置控制器設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)的位置控制，追求的是快速性、準(zhǔn)確性和無(wú)超調(diào)。一般我們將位置伺服系統(tǒng)定位過(guò)程劃分為加速、恒速、減速和低速趨近定位點(diǎn)四個(gè)階段。在加速、恒速和減速階段，位置控制器采用常系數(shù)比例調(diào)節(jié)器，最大限度地提升系統(tǒng)的快速性能。而最重要的是低速趨近定位點(diǎn)階段，由于該階段電機(jī)速度很低，無(wú)論對(duì)系統(tǒng)的定位時(shí)間，還是對(duì)系統(tǒng)的最終定位精度都有著重要的影響，此時(shí)若采用純比例調(diào)節(jié)器，顯然不能快速而無(wú)超調(diào)的定位，因此本文采用如圖6所示的變結(jié)構(gòu)加速度控制器 VSAC［5－6］。即:

圖6 變結(jié)構(gòu)加速度控制器

于是誤差的狀態(tài)方程:

取切換線:

2 交流伺服驅(qū)動(dòng)器硬件設(shè)計(jì)

交流伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件主要由主控板和功放板組成，其硬件組成如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 主控板

主控板的核心為DSP、FPGA與RDC轉(zhuǎn)換電路。DSP采用的是TMS320LF2407A，該芯片是TI公司專門為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的，它有著豐富的外設(shè)資源，指令周期最低可至25 ns，完全能夠滿足伺服控制的實(shí)時(shí)性要求。FPGA是Altera公司的EP1K50QI208－2，如圖7所示，它實(shí)現(xiàn)了RDC的解算與控制，并且采用并行數(shù)據(jù)總線，實(shí)時(shí)地將位置數(shù)據(jù)傳送給DSP，此外，ADC數(shù)據(jù)采集與處理、故障綜合與保護(hù)也由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 功放板

功放板的核心為IPM和EPLD。IPM是三菱公司的第五代智能功率模塊PM75RLA060，該模塊集成度高，保護(hù)功能完善，采用該模塊能夠極大地提高驅(qū)動(dòng)器的可靠性與維修性。EPLD采用的是Altera公司的EPM7064STI44－7，主要實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器的過(guò)熱、過(guò)流、過(guò)載等保護(hù)功能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

交流伺服系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由電源、伺服驅(qū)動(dòng)器、永磁同步電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、轉(zhuǎn)矩測(cè)量?jī)x、磁粉制動(dòng)器和電流控制器組成，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。電機(jī)為一臺(tái)2.2 kW永磁同步電動(dòng)機(jī)，主要參數(shù):額定轉(zhuǎn)矩7 N·m，額定電流8 A，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定電壓220 V，允許兩倍過(guò)載，減速箱變比為1∶2。應(yīng)用此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了伺服驅(qū)動(dòng)器的一系列實(shí)驗(yàn)。

圖8 交流伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

電流控制器的性能直接決定驅(qū)動(dòng)器的力矩輸出能力，如圖8所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器給定轉(zhuǎn)速等于600 r/min時(shí)，分別采用id=0和力矩電流比最大控制方法，得到波形圖如圖9和圖10所示。圖中上面的曲線為電機(jī)實(shí)際相電流，下面的曲線為速度。在電機(jī)的速度不下降的情況下，電機(jī)負(fù)載端通過(guò)磁粉制動(dòng)器突然施加最大阻力，圖10采用力矩電流比最大控制方法，相比圖9采用id=0的電流控制方法，電機(jī)的實(shí)際電流要大，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩提升了將近7%。

在電機(jī)電流一定，并且限制在兩倍的額定值之內(nèi)時(shí)，得到實(shí)際的電機(jī)空載電流和電機(jī)輸出力矩與轉(zhuǎn)矩角的數(shù)據(jù)，畫成曲線如圖11所示。由圖可以看出，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩角關(guān)系曲線與圖3的計(jì)算仿真曲線類似，同時(shí)電機(jī)的空載電流也隨著轉(zhuǎn)矩角的偏移，在力矩輸出最大點(diǎn)達(dá)到最小。

圖11 兩倍額定電流時(shí)轉(zhuǎn)矩輸出與轉(zhuǎn)矩角關(guān)系曲線

圖12和圖13分別是位置控制環(huán)節(jié)采用純P校正和變結(jié)構(gòu)P校正的系統(tǒng)位置階躍響應(yīng)波形，上面的曲線是速度，下面的曲線是位置。系統(tǒng)的速度環(huán)節(jié)采用了微分負(fù)反饋PI校正結(jié)合Bang－Bang控制，由圖可以看出，系統(tǒng)速度上升曲線平滑快速，基本無(wú)超調(diào)，無(wú)振蕩。圖13相比圖12的位置響應(yīng)快速，而且無(wú)超調(diào)，無(wú)振蕩，證明該位置控制器有著良好的性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，本文研制的基于DSP+FPGA的交流伺服驅(qū)動(dòng)器，具有硬件結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的特點(diǎn)，而采用現(xiàn)代控制理論結(jié)合經(jīng)典控制方法，充分發(fā)揮了靈活的軟件伺服能力，獲得了良好的驅(qū)動(dòng)性能，能夠滿足雷達(dá)對(duì)伺服系統(tǒng)的一般要求，該驅(qū)動(dòng)器目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程應(yīng)用。

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