基于TMS320F2812的永磁同步直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

鄭 俊，曾岳南，吳一祥

(廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

數(shù)控機(jī)床正在向精密、高速、復(fù)合、智能和環(huán)保的方向發(fā)展并對各種驅(qū)動裝置的性能提出越來越高的要求。直線驅(qū)動裝置是機(jī)床中的一個重要組成部分，許多直線驅(qū)動裝置及系統(tǒng)都是采用旋轉(zhuǎn)電動機(jī)通過中間轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為直線運動的。這些中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生種種不良影響，制約著系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提高。隨著電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了“直接驅(qū)動”的直線電機(jī)，它取消中間傳動環(huán)節(jié)而直接帶動負(fù)載運動，消除了由機(jī)械傳動帶來的間隙、柔度以及與之相關(guān)的其它問題，使得系統(tǒng)效率高、噪聲低、體積小、精度高、造價低［1-2］。

在高精度伺服控制系統(tǒng)中，對于系統(tǒng)的控制速度和精度有很高要求，傳統(tǒng)的電機(jī)控制多采用單片機(jī)，由于受CPU運算速度的限制，難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法。DSP在實現(xiàn)全數(shù)字化電動機(jī)控制系統(tǒng)方面有著無可比擬的優(yōu)勢。TI公司的C28x系列DSP控制器是專門為電動機(jī)控制設(shè)計的系列數(shù)字信號處理器，它不僅把許多在電機(jī)控制中常用的硬件電路固化在芯片中，并且提供了充分的程序空間、外圍接口和強(qiáng)大的運算能力，足以保證各種復(fù)雜控制算法能夠在此平臺上得以實現(xiàn)，滿足電動機(jī)對控制越來越高的性能要求［3］。

本文以美國TI公司的高速電機(jī)控制芯片TMS320F2812為控制核心構(gòu)成直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)硬件實現(xiàn)電路和控制方法，并對直線電機(jī)的初始磁極定位方法進(jìn)行研究。

1 永磁同步直線電機(jī)伺服系統(tǒng)控制策略

本實驗把矢量坐標(biāo)變換的思想運用到永磁直線同步電機(jī)電磁推力的瞬時控制中，將同步坐標(biāo)系選在次級上，取次級勵磁磁勢方向為d軸，而q軸順著磁勢方向超前d軸90度電角度，次級參考坐標(biāo)的行進(jìn)速度即為直線電機(jī)的同步速度。

d-q坐標(biāo)軸系下永磁同步直線電機(jī)動子和定子繞組的電壓方程:

式中 Ud、Uq為 d-q軸電壓;id、iq為 d-q軸電流;ψd、ψq為d-q軸磁鏈;f為下標(biāo)，表示動子勵磁繞組;表示p為微分算子;rs為電樞電阻;ωr為動子電氣角速度。

初級磁鏈方程為:

式中Ld、Lq為d-q軸電感;ma為定、動子之間直軸互感，if為勵磁電流。

將式(3）代入式(4）中并整理得d-q軸電壓、電流方程:

電機(jī)電磁功率為:

則電磁推力為:

電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是實現(xiàn)位置伺服、速度調(diào)節(jié)和推力控制，本實驗采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的三閉環(huán)控制，電流環(huán)采用id=0的動子磁場定向控制實現(xiàn)電流解耦，該方法推力輸出只與動子電流幅值成正比，實現(xiàn)了對直流電機(jī)的嚴(yán)格模擬，電流經(jīng)SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制輸出PWM波驅(qū)動IPM中IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。根據(jù)直線電機(jī)動子運動受到的摩擦干擾建立stribeck摩擦模型及摩擦干擾觀測器，通過低通濾波器的設(shè)計對摩擦干擾進(jìn)行觀測。

2 永磁同步直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)組成

本實驗采用科爾摩根公司PLATINUM直線電機(jī)，動子型號為 IC11-050A1ACTRC1，定子型號為MC050-1280-001。硬件電路分為DSP控制電路、功率驅(qū)動電路及開關(guān)電源等。

控制電路中電流環(huán)通過Honeywell公司型號為CSEN151-100傳感器采集三相電流，經(jīng)過采樣電阻將其轉(zhuǎn)換為成比例的模擬電壓信號，本系統(tǒng)中其幅值在-2.4V到+2.4V之間波動，通過電壓偏置及比例調(diào)整電路，使電壓范圍在0～3.3V之間，進(jìn)入DSP的A/D采樣通道(見圖1、圖2）。

圖1 永磁同步直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)原理框圖

圖2 永磁同步直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

速度和位置由直線光柵尺輸出的A、B脈沖及電機(jī)內(nèi)部霍爾傳感器輸出的U、V、W計算得出。本實驗位置傳感器選用MicroE公司的MercuryII4000直線光柵尺，其分辨率為0.1μm/count。該編碼器可輸出三個增量式位置反饋標(biāo)簽信號，分別為左限位、右限位和參考零點。動子運動時編碼器輸出A、B兩列正交脈沖方波信號。直線光柵尺輸出的A、B、零位脈沖通過事件管理器CAP1、CAP2、CAP3接入F2812的正交編碼脈沖QEP電路。

圖3 驅(qū)動電路硬件框圖

驅(qū)動電路整流部分采用二極管整流橋進(jìn)行整流，通過330μF大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。由于電容容量大，突加電源時相當(dāng)于短路，容易產(chǎn)生很大的充電電流進(jìn)而損壞整流二極管，因此在整流橋和濾波電容之間加入限流電阻TR，通電后通過繼電器延時開關(guān)將TR短路。在電機(jī)制動時，通過鎮(zhèn)流電阻Rpd消耗掉部分動能，從而限制電容在電機(jī)制動時的泵升電壓(見圖3）。

逆變部分以IPM為核心。本實驗采用三菱的第五代IPM模塊，型號為PS21867，其耐壓值為600V，額定電流為30A，開通時間為1.2μs，關(guān)斷時間為1.6μs，工作頻率上限為20kHz?？刂齐娐份敵鯬WM信號在進(jìn)入IPM前需要用高速光耦進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離，本實驗采用TLP559光耦，為防止干擾出現(xiàn)上下驅(qū)動信號直通，采用上下橋臂信號互鎖。

主電路有過壓、欠壓、短路、電源掉電、IPM故障和電機(jī)制動等保護(hù)功能(圖4）。過壓保護(hù)的思想是采用電阻分壓，通過對主電路采樣得到的母線電壓與特定的臨界電壓值比較來判斷過壓與否，欠壓保護(hù)通過滯環(huán)比較器實現(xiàn)。

過壓電阻值計算:若視380V為過壓，分壓電阻可按下式選取:

取 R78=470k，則 R89取 7.15k。

欠壓閾值和滯環(huán)寬度計算:由疊加原理得同相端輸入為:

反相端輸入為Un=Vref(臨界電壓值，分別令Up1=Un，Up2=Un，可得比較器的閾值為207V、160V。

2.2 直線電機(jī)伺服系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1 主程序

圖4 欠壓、過壓保護(hù)硬件框圖

主程序是系統(tǒng)軟件的主體框架，主要包含:①系統(tǒng)與各功能模塊的初始化;②中斷程序模塊，包括PMLSM伺服控制算法及電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制子程序;③LED顯示及鍵盤程序;④動子初始磁極檢測程序;⑤動子初始尋零程序。主程序工作流程如圖5所示，系統(tǒng)上電復(fù)位后，依次進(jìn)入片內(nèi)初始化程序，等待中斷，處理完中斷程序后循環(huán)執(zhí)行LED顯示、鍵盤處理和參數(shù)保存。

2.2.2 動子初始尋零子程序

由于本實驗采用增量式光電編碼器，因此在電機(jī)運行之前必須通過動子初始尋零程序搜索參考零點，從而才能利用增量式編碼器獲取的相對位置信息對動子進(jìn)行準(zhǔn)確定位。當(dāng)電機(jī)經(jīng)過光柵尺的零位標(biāo)簽時，光柵尺會輸出零位脈沖，通過DSP的CAP3進(jìn)行捕獲(圖6）。

圖5 控制系統(tǒng)主程序流程圖

圖6 初始尋零子程序流程圖

2.2.3 動子初始磁極檢測子程序

表1 U、V、W與扇區(qū)的對應(yīng)關(guān)系

由于本實驗的控制方法采用id=0的矢量控制策略，因此動子初始磁極檢測是直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵，只有準(zhǔn)確測定動子的初始電角度，才能準(zhǔn)確進(jìn)行電流環(huán)的矢量運算，否則可能導(dǎo)致電機(jī)無法正常運轉(zhuǎn)。本實驗采用逐漸逼近的搜索方法檢測動子的初始磁極。

本實驗的直線電機(jī)為平板式，定子為N、S極交替的永磁體，動子為三相分布繞組。通過坐標(biāo)變換矩陣將靜止磁場三相交流電流ia、ib、ic轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)磁場的id、iq，d軸為定子指向動子方向的軸，動子的初始磁極角度可由旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸相對于靜止坐標(biāo)系α軸的角度得出。首先由電機(jī)內(nèi)部霍爾傳感器輸出U、V、W三路方波信號，通過接口電路傳送到DSP的數(shù)字量通用 I/O。U、V、W三路方波信號互差120°，根據(jù) U、V、W 的排列確定每 60°電角度一個區(qū)間，本實驗直線電機(jī)的極對數(shù)為2，動子機(jī)械角度區(qū)間為電角度的二分之一，每個電角度區(qū)間對應(yīng)的機(jī)械角度為30°，通過U、V、W可以確定動子初始磁極位置區(qū)間，見表1。

假定動子的初始磁極位置區(qū)間為［θa，θb］，則令動子初始磁極角度為 θ0=(θb-θa）/2，通過電流環(huán)輸出電流指令給直線電機(jī)。根據(jù)位置環(huán)反饋的位置量判斷電機(jī)的運動方向，當(dāng)電機(jī)往正方向運動，說明當(dāng)前電流環(huán)電流指令產(chǎn)生的行波磁場使動子往正方向運動，則動子的初始磁極角度 θ處于［θ0，θb］，此時再令動子磁極角度 θ01=(θb-θ0）/2，再次通過電流環(huán)輸出電流指令牽引直線電機(jī)并判斷電機(jī)的運動方向。當(dāng)電機(jī)往反方向運動，說明當(dāng)前電流環(huán)電流指令產(chǎn)生的行波磁場使動子往反方向運動，則動子的初始磁極角度θ處于［θa，θ0］之間，此時再令動子磁極角度θ01=(θ0-θa）/2，依次細(xì)分動子初始磁極角度區(qū)間，直到動子不再運動為止，此時得到的動子磁極角度即為動子初始磁極角度。

2.2.4 PWM中斷服務(wù)子程序

圖7所示主程序開定時器1下溢中斷，當(dāng)電流環(huán)A/D采樣時間到時，定時器1中斷服務(wù)程序調(diào)用PWM中斷服務(wù)子程序，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器，得到a，b兩相電流的采樣值ia、ib，讀取光電編碼器的A、B正交脈沖方波信號，計算電流值ic和動子電角度，對電流變量采樣值進(jìn)行標(biāo)幺化處理后用Q12格式表示。本實驗電機(jī)控制采用id=0矢量控制方法，將電機(jī)的三相電流ia、ib、ic經(jīng)過Clarke變換后得到靜止的兩相電流 iα、iβ，iα、iβ經(jīng)過 Park 坐標(biāo)變換后得到直軸電流id、和交軸電流iq。id和iq經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到輸出的Vdref和Vqref，通過SVPWM計算出相應(yīng)的占空比，得到6路PWM脈沖給IPM模塊。

在位置控制模塊中，光柵尺輸出A、B兩列正交脈沖方波信號與事件管理器中QEP模塊的輸入引腳CAP1、CAP2相連，并采用T3CNT計數(shù)寄存器對脈沖邊沿進(jìn)行計數(shù)，并將兩個PWM周期內(nèi)的脈沖數(shù)儲存在變量Encode中。動子在Δt時間內(nèi)的運動距離ΔP=Encode(Δt）×P，P為兩個脈沖間的動子距離。在速度控制模塊中，根據(jù)A、B脈沖數(shù)計算動子運動時間，動子運動速度v用M法計算為:v=ΔP/Δt=(Encode(Δt）/Δt）×P，電機(jī)相應(yīng)的電氣角度θ為:

τ為電機(jī)的磁極距。

圖7 PWM中斷服務(wù)子程序流程圖

3 系統(tǒng)實驗測試

本系統(tǒng)實驗采用的電機(jī)為科爾摩根公司的PLATINUM直接驅(qū)動直線電機(jī)(DDL），如圖8所示，動子型號為 IC11-050A1ACTRC1，定子型號為 MC050-1280-001，動子質(zhì)量 M=3.6Kg，極距 2τ =36mm，推力常數(shù)Kf=62.9N/A。位置環(huán)采用GSI公司的MicroE M-Ⅱ4400直線光柵編碼器，其分辨率為0.1μm/count。

圖8 實驗用直線電機(jī)

系統(tǒng)PWM信號通過死區(qū)設(shè)置，確保IPM模塊的安全工作，見圖9。

為方便用戶監(jiān)控編碼器的運行狀態(tài)、設(shè)置編碼器參數(shù)和顯示運行數(shù)據(jù)，該系列編碼器還配套了PC端監(jiān)控軟件SmartPrecision II Software。只需要通過RJ45接口接到PC機(jī)，就可方便地顯示和記錄編碼器的運行位置、速度及監(jiān)控信息。本系統(tǒng)采用增量式數(shù)字PID控制算法，開環(huán)運行運轉(zhuǎn)正常并驗證電流采樣正常后，進(jìn)行電流閉環(huán)實驗(圖10）。經(jīng)實驗調(diào)試，電流環(huán) PI參數(shù)為:KP=1.41，KI=3550。

圖9 PWM死區(qū)波形及正反相運行時U、V相位關(guān)系

圖10 閉環(huán)電流響應(yīng)波形

進(jìn)行速度閉環(huán)驗證，電機(jī)初始速度為-0.03m/s，給定速度斜坡指令:以0.2m/s2加速度加速到0.03m/s，即換算為經(jīng)過4倍頻后頻率為8e6count/s大小為1.2e6count斜坡信號。利用SmartPrecision II Software記錄速度環(huán)的響應(yīng)波形如圖11，速度響應(yīng)小于0.05s，超調(diào)小于5%。經(jīng)實驗調(diào)試，速度環(huán) PI參數(shù)為:KP=15，KI=850。

圖11 速度響應(yīng)波形

最后進(jìn)行位置環(huán)實驗，給定位置指令:以0.3m/s速度運行12.5mm距離，即給定頻率為1.2e7count/s大小為5e5count的信號。經(jīng)實驗調(diào)試，位置環(huán)PI參數(shù)為:KP=16.5，KI=1000。由SmartPrecision II Software記錄的位置響應(yīng)如圖12，響應(yīng)時間為0.14s，位置定位誤差為12count即0.3μm。

圖12 位置響應(yīng)波形

4 結(jié)束語

本文在分析了永磁同步直線電機(jī)的工作原理基礎(chǔ)上，設(shè)計了以TMS320F2812為核心的永磁同步直線電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案。通過實驗調(diào)節(jié)增量式PID參數(shù)，使系統(tǒng)響應(yīng)快速。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)動子初始磁極對位準(zhǔn)確，具有良好的動態(tài)性能。.

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