永磁同步電動機的全數(shù)字增量位置控制研究

郭鎖喜，邊黨偉，劉國濤，周 文，李長紅

（1.海軍裝備部西安軍代局，陜西西安 710001；2.西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099；3.西安近代化學研究所，陜西西安 710065）

永磁同步電動機的全數(shù)字增量位置控制研究

郭鎖喜1，邊黨偉2，劉國濤3，周 文2，李長紅2

（1.海軍裝備部西安軍代局，陜西西安 710001；2.西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099；3.西安近代化學研究所，陜西西安 710065）

在矢量變換的基礎上，提出并實現(xiàn)了基于數(shù)字信號處理器 （DSP）的永磁同步電動機 （PMSM）的位置控制系統(tǒng)，利用永磁同步電動機自帶的旋轉變壓器來進行矢量控制與位置控制，大大簡化了系統(tǒng)的硬件，給出了電流環(huán)、速度環(huán)與位置環(huán)的算法流程，在開發(fā)的基于DSP的電機控制平臺上進行了試驗驗證，并利用PC104完成上位機的監(jiān)控，試驗結果表明，該位置控制系統(tǒng)具有良好的性能。

數(shù)字信號處理器；永磁同步電動機；位置控制

交流永磁同步電動機作為新一代的控制電機在高性能傳動系統(tǒng)中獲得了越來越廣泛的應用，具有運行效率高、功率密度大、體積小和維護簡單等優(yōu)點；逐漸取代直流電機和其他電勵磁電機。由PMSM組成的交流伺服系統(tǒng)具有很高的動態(tài)性能和靜態(tài)性能及很寬的調(diào)速范圍，在現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。

矢量控制［1-5］即磁場定向控制，最初是由德國Blaschke等人于1971年提出的，永磁同步電動機的矢量控制是將三相定子的電流和電壓變換到同步旋轉坐標系下，并對電流的轉矩分量和勵磁分量分別控制，可獲得和直流電機相媲美的性能，筆者在PMSM矢量變換的基礎上，采用TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320LF2407，完成了PMSM的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的實現(xiàn)。

1 PMSM位置控制系統(tǒng)組成原理

PMSM在同步旋轉坐標系（dq坐標系）下的電壓方程和電磁轉矩方程為［6］：

式中：Id和Iq分別為電機d軸電流和q軸電流；Ud、Uq分別為電機d軸電壓和q軸電壓；Ld、Lq分別為電機d軸電感和q軸電感；R為電機定子繞組電阻；pn為電機極對數(shù)；Ψr為電機轉子磁極磁通鏈；Te為電機輸出電磁轉矩。

實現(xiàn)該PMSM位置控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)組成，其中，電流環(huán)采用了dq坐標系下的電流調(diào)節(jié)，被控量Id、Iq穩(wěn)態(tài)運行時為直流量，當電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器時，可消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高了電流環(huán)的跟蹤精度。圖中的分別為d軸電流、q軸電流給定值。

為了實現(xiàn)速度環(huán)的快速且超調(diào)小的控制，采用積分分離的PI算法，則速度調(diào)節(jié)器輸出為

式中：kpv、kiv分別為速度調(diào)節(jié)器比例增益和積分增益；ev（t）為速度誤差。

2 硬件及軟件設計

2.1 系統(tǒng)硬件

利用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320LF-2407開發(fā)了一套永磁同步電動機的位置控制系統(tǒng)，其中DSP芯片TMS320LF2407是專用于電機數(shù)字化控制的芯片，內(nèi)部集成了事件管理模塊、PWM電路和A／D轉換器等單元。

該控制系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)包括DSP主控制器、IGBT及其驅動電路、電流檢測與保護電路和軸角轉換電路等，位置參考信號由上位機PC104通過CAN總線傳輸給DSP控制器，并利用上位機完成PMSM控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控。電流的檢測采用LEM霍爾傳感器LA28-NP，檢測后的電流經(jīng)過運算放大器濾波放大加偏置后送入DSP的A／D轉換單元。軸角轉換電流選用RDC芯片AD2S83，與電機同軸相聯(lián)的旋轉變壓器連接，轉換的角度數(shù)字量直接送入DSP參與控制。執(zhí)行電機選用KOLLMORGEN公司生產(chǎn)的伺服電機，型號為M- 403- B，電機內(nèi)部集成了旋轉變壓器。

2.2 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)中，作為主控制器的DSP芯片主要完成電機電流的采集、電機轉角位置的采集，根據(jù)這些采集量來完成位置環(huán)、電流環(huán)、速度環(huán)及矢量變換的運算，并產(chǎn)生6路帶死區(qū)的互補PWM控制脈沖，由IGBT驅動電路放大后加到IGBT模塊上。實現(xiàn)系統(tǒng)電流環(huán)的控制流程如圖3所示。

位置環(huán)和速度環(huán)共用一個中斷服務程序，采樣周期為1 ms，在位置環(huán)中，位置反饋直接來源于電機旋轉變壓器的位置，利用該位置信號，對電機整圈數(shù)進行記數(shù)（轉數(shù)值），并與原來RDC位置組合成位數(shù)更寬的位置量，設RDC轉換角度為θ1（電機角度數(shù)字量，12位二進制數(shù)），轉數(shù)值為θ2，組合后的位置記為θ，組合方法為

即θ2與θ1的高8位組合成16位角度。

一般來說，位置系統(tǒng)主要有跟蹤和定位兩種，筆者在此基礎上，給出了一種增量式定位系統(tǒng)的實現(xiàn)方法及流程，如圖4所示，該定位系統(tǒng)由CAN總線讀取增量位置主令θ*（位置給定增量值），并使系統(tǒng)在當前組合位置上再旋轉θ*角度，在流程中，將系統(tǒng)的組合位置量加上增量位置主令得到絕對位置主令θ′*，即組合位置量的設定值，之后由位置環(huán)實現(xiàn)該定位，當定位誤差e小于ε，并等待若干個位置環(huán)采樣周期后置到位標志為1，完成定位，其中，采用計數(shù)器變量si累加到設定值實現(xiàn)若干個位置環(huán)采樣周期的等待，否則將到位標志和計數(shù)器si清零，位置調(diào)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)器，離散化后表達式為

式中：kp和ki分別為比例增益和積分增益；Tc為位置環(huán)采樣周期。

增量位置控制使上位機在當前位置下，通過給定增量位置，進行位置累計定位，它無需知道當前具體的位置信息量，對于外能源的鏈式炮控制、數(shù)控機床進給控制是非常方便的。

2.3 上位機

選用PC104嵌入式計算機作為該位置控制系統(tǒng)的上位機操縱臺，該上位機系統(tǒng)包括有PC 104CPU板、CAN板、顯示屏和鍵盤等。一方面通過CAN總線把位置參考值傳送給DSP；另一方面，DSP系統(tǒng)實時將一些運算的中間變量（如轉速、實際的角度、電流等）通過CAN總線傳送給上位機并顯示，該上位機硬件框圖如圖5所示。

3 試驗結果

根據(jù)實際開發(fā)的PMSM全數(shù)字位置控制系統(tǒng)進行了試驗，試驗中的電機軸裝有轉動慣量為0.015 54 kg·m2的慣量輪，圖6給出了電機位置開環(huán)時（速度環(huán)工作模式下）的A相電流i和轉速ω波形，可以看出，電機轉速響應快速，超調(diào)量小，圖7～9分別給出了電機增量位置為5、10、20 r時的電機角度θ1波形和轉速ω波形，電機定位快速，精度高，超調(diào)量小。

4 結束語

本文實現(xiàn)了永磁同步電動機的全數(shù)字化的位置控制，位置的反饋量由電機旋變檢測的角度對高位過零時記數(shù)，并與原位置組合，可有效降低位置伺服系統(tǒng)的成本，同時給出并實現(xiàn)了一種增量式定位控制方法，并采用PC104的上位機的系統(tǒng)，通過CAN總線來對該位置控制系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制。在開發(fā)的基于DSP2407的永磁同步電機控制平臺上，對筆者提出的方法進行了試驗，試驗結果驗證了該方法的可行性和工程可實現(xiàn)性。

（References）

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CHEN Mingjun，LI Changhong，YANG Yan.Weapons servo system engineering practice［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2013.（in Chinese）

Full Digital Incremental Position Control for Permanent Magnet Synchronous Motor

GUO Suoxi1，BIAN Dangwei2，LIU Guotao3，ZHOU Wen2，LI Changhong2

（1.Xi’an Military Representatives Bureau of Navy Equipment Department，Xi’an 710001，Shaanxi，China；2.Northwest Institute of Mechanical＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China；3.Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi，China）

A digital signal processor（DSP）based position control system for permanent magnet synchronous motor（PMSM）is presented and developed on the basis of vector transformation.Vector control and position control are implemented using the inherent revolving transformer of PMSM，which greatly simplifies the hardware of the system.The algorithm procedures of current loop，speed loop and position loop are offered.An experiment is carried out on the DSP-based PMSM control platform for empirical validation.System surveillance is accomplished by using the PC104 computer.The experimental results show that the position control system exhibits favorable performance.

digital signal processor；permanent magnet synchronous motor；position control

TM351

A

1673-6524（2015）03-0031-04

2014- 12- 17；

2015- 05- 06

郭鎖喜（1976－），男，工程師，主要從事火炮及彈藥技術研究。E-mail：295313649＠qq.com