基于DSP的PMSM伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張玉地，錢　煒，孫福佳，王君會(huì)

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

基于DSP的PMSM伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張玉地，錢煒，孫福佳，王君會(huì)

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海200093)

摘要：基于永磁同步電機(jī)(PMSM)的矢量控制原理，設(shè)計(jì)了一種以TMS320F812信號(hào)處理器為核心的PMSM伺服仿真控制方案，來實(shí)現(xiàn)PMSM的最佳控制。自行設(shè)計(jì)加工了PCB控制板，并將控制核心F2812DSP芯片、PS21767功率模塊等元件集成焊接到控制板上，不僅系統(tǒng)的集成度增高，而且易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。同時(shí)在CCS3.3的環(huán)境下采用SVPWM技術(shù)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的控制，最后用Matlab驗(yàn)證了該伺服系統(tǒng)的正確性。結(jié)果表明：該系統(tǒng)在電機(jī)的位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等控制方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，性能良好。

關(guān)鍵詞：PMSM伺服控制；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)；Matlab仿真

中圖分類號(hào)：TM351

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.03.011

收稿日期：2014-11-21。

作者簡介：張玉地(1990-)女，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)，E-mail: zhangyudiys@163.com。

Abstract：In order to achieve the best control of permanent magnet synchronous motor(PMSM)，a servo control scheme with TMS320F2812 as the core was designed, based on the principle of PMSM vector control. PCB board was designed and processed. Meanwhile the F2812DSP chip, PS21767 power modules were integrated welding to the PCB board. The system integration was increased and the digital control was easy to be realized from this way. The control of permanent magnet synchronous motor was implemented using SVPWM technology in the CCS3.3 environment. Finally, matlab verifies the correctness of the servo system. The results showed that the system has significant advantages and good performance in the control of motor position, speed, torque and other aspects.

Keywords：PMSM servo control, hardware design, software design, matlab simulation

0引言

隨著集成電路、電力電子技術(shù)和交流可變速驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，交流伺服驅(qū)動(dòng)有了較快的發(fā)展。由于永磁同步伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小及調(diào)速性好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域中[1]。為了實(shí)現(xiàn)精確、穩(wěn)定、響應(yīng)快速等的控制要求，對(duì)PMSM的高性能伺服系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)已成為研究熱點(diǎn)。

本文在SVPWM矢量控制原理的基礎(chǔ)上，以永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象搭建了以TMS320F2812為控制核心，以三菱公司的智能功率模塊PS21767為功率元件的高性能伺服系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了所設(shè)計(jì)功率電路、控制電路和檢測電路的優(yōu)越性，并在CCS3.3開發(fā)環(huán)境下，設(shè)計(jì)了軟件算法。又用Matlab進(jìn)行系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證伺服系統(tǒng)在實(shí)際調(diào)試中的正確性與可行性，并將Matlab仿真結(jié)果和實(shí)際DSP硬件調(diào)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了永磁同步電機(jī)響應(yīng)快、定位準(zhǔn)確、運(yùn)行平穩(wěn)等高性能伺服控制要求[2]。

1PMSM的矢量控制依據(jù)

當(dāng)用三相平衡的正弦電壓向永磁同步電機(jī)供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈空間矢量幅值恒定，并能以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡形成圓形的空間磁場[3]。永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)式可表示為：n=60f/p,其中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，p為極對(duì)數(shù)，f為電源頻率。所以，若能保證向PMSM提供可變頻電源，同時(shí)讓電機(jī)形成定子磁鏈圓，就可以實(shí)現(xiàn)PMSM的變頻調(diào)速控制。為了得到頻率可變的電源，采用逆變器向電機(jī)提供三相可變頻電源，電機(jī)相電壓取決于逆變器6個(gè)橋臂功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)用不同開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁場模式去逼近基準(zhǔn)圓形磁場。而6個(gè)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)則是依據(jù)SVPWM矢量原理產(chǎn)生，當(dāng)輸出PWM的占空比變化時(shí)，開關(guān)時(shí)間隨之變化，從而輸出電壓頻率變化，電機(jī)速度得到控制,保證了實(shí)際磁場無限逼近基準(zhǔn)圓磁場。

2DSP仿真控制的設(shè)計(jì)

2.1　總體控制策略的設(shè)計(jì)

在進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)制定總體控制策略包括三部分：功率電路、控制電路和檢測電路。功率主電路包括三相整流濾波電路、IBGT逆變電路和永磁同步電機(jī)；控制電路包括以TMS320F2812為控制核心的DSP芯片和外圍電路[4]；檢測電路包括基于霍爾傳感器的電流檢測電路和基于多摩川絕對(duì)編碼器的位置速度檢測電路等。工作時(shí)，霍爾傳感器和絕對(duì)編碼器檢測到電機(jī)輸出的相電流信號(hào)和相關(guān)脈沖，并將這些作為電流、速度及位置的反饋信息傳送至DSP。TMS320F2812通過采集外圍的控制輸入信號(hào)和反饋信號(hào)，結(jié)合控制程序，產(chǎn)生PWM波，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)變頻調(diào)速的控制。將上述電路集成制作到一塊PCB控制板上，通過選擇相關(guān)元器件，自行設(shè)計(jì)焊接了開環(huán)控制部分如圖1所示。

圖1　PCB控制板1 霍爾傳感器模塊,2 220V交流電源,3 變壓器,4 SCI模塊,5 DSP芯片,6 JPAG接口，7 芯片供電模塊,8 PS21767功率模塊芯片,9 整流橋,10 電容,11 電感

2.2　控制器的選擇

圖中5為控制部分的核心部件，選擇了TI公司的TMS320F2812PGF176芯片作為控制元件[4]，因?yàn)槭?2位的基于DSP的控制器，具有片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器和高達(dá)150 MPS的性能，同時(shí)具有增強(qiáng)的電機(jī)控制外設(shè)，高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換和多類型的改進(jìn)型通信接口如SCI、SPI、CAN、McSBP，可以實(shí)時(shí)處理許多復(fù)雜的控制算法[1]。仿真器選用研旭公司的TIDSP-X-DS510，因其安裝簡單、運(yùn)行穩(wěn)定且仿真速度快，不占用目標(biāo)系統(tǒng)資源，能自動(dòng)適應(yīng)DSP的電壓。實(shí)際工作時(shí)，電源部分供電后，DSP模塊啟動(dòng)，仿真器一端和JTAG相連，一端和計(jì)算機(jī)相連，用CCS3.3編寫的控制程序通過仿真器下載到DSP中進(jìn)行仿真控制?？刂撇糠值尿?qū)動(dòng)電源是由220 V交流電經(jīng)濾波、整流、變壓后可以得到的3.3V、1.8V直流電壓提供的，電源品質(zhì)的好壞直接影響到調(diào)試中程序能否順利執(zhí)行下去，輸出理想的PWM波形。

2.3　功率主電路的設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中，220V電源首先經(jīng)過整流變?yōu)橹绷麟奫5]，又通過電容濾波，依據(jù)DSP生成的SVPWM信號(hào)經(jīng)逆變電路輸出電機(jī)所需要的交流電。逆變電路[6]是功率驅(qū)動(dòng)部分的核心。本設(shè)計(jì)采用了三菱公司的智能功率模塊PS21767芯片，驅(qū)動(dòng)程序和保護(hù)電路。是一個(gè)緊湊直插式模塊，采用三菱公司的第5代IGBT作為功率管，內(nèi)部集成了高壓芯片HVIC和電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的保護(hù)電路。IPM的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

圖2　IPM驅(qū)動(dòng)電路

如圖所示為DSP輸出的6路SVPWM信號(hào)，經(jīng)過三態(tài)緩沖器74HCT541增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，并經(jīng)限流電阻和驅(qū)動(dòng)光電耦合器ACPL-P480后送給智能功率模塊PS21767的UP，VP，WP，UN，VN，WN輸入端口。通過改變6路SVPWM信號(hào)的輸出順序來改變PS21767中功率管的導(dǎo)通順序；通過調(diào)整脈沖寬度來改變功率模塊輸出相電流大小，最后UI，VI，W輸出端口連接到永磁同步電機(jī)的定子三相繞組上給電機(jī)提供電源。PS21767通過VUFB，VVFB，VWFB三路端口和電阻，電容，快速恢復(fù)二極管相連形成自舉回路進(jìn)行充電。這樣PS21767就實(shí)現(xiàn)了三相逆變橋僅需一個(gè)15V電源供電，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性及成本，提高了系統(tǒng)可靠性。

2.4　位置/速度檢測電路

以往經(jīng)常采用增量式編碼器進(jìn)行位置和速度檢測，通過計(jì)算編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)輸出的脈沖個(gè)數(shù)，來計(jì)算電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置，當(dāng)編碼器不動(dòng)時(shí)，依靠技術(shù)設(shè)備內(nèi)部的記憶來記住位置,因此當(dāng)停電后，編碼器不能有任何的移動(dòng)；當(dāng)正常工作時(shí)，編碼器不能有干擾而丟失脈沖。這樣，在實(shí)際的工程項(xiàng)目中會(huì)帶來很多的不便。此處，采用多摩川公司生產(chǎn)的型號(hào)為TS5668N21的17位絕對(duì)編碼器來實(shí)現(xiàn)位置/速度檢測，并自行設(shè)計(jì)了將絕對(duì)編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)化為DSP能識(shí)別的串口信號(hào)電路如下圖3所示。圖中電機(jī)的編碼器信號(hào)通過SCIA串口輸入到DSP中，由于該信號(hào)是差動(dòng)信號(hào)，所以在輸入DSP之前，需要通過差分總線收發(fā)器SN65176BD(BDR)G4芯片將差動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為DSP可識(shí)別的TTL串口信號(hào)。此外，所設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)是通過一個(gè)DSP來控制兩個(gè)電機(jī)的，這樣降低了成本，發(fā)揮了TMS320F2812運(yùn)算速度快及外設(shè)資源豐富的特點(diǎn)。較之于增量式編碼器，該絕對(duì)編碼器無需記憶，無需找參考點(diǎn)而且不容易受停電等的干擾。

圖3　位置/速度檢測電路

2.5　電流檢測電路

永磁同步電機(jī)的三相定子電流檢測采用C25SY系列的霍爾傳感器，該傳感器精度高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快。在PMSM控制中霍爾傳感器可以檢測到電機(jī)輸出的相電流并作比例變換至幅邊，然后經(jīng)過高頻率波、運(yùn)算放大和偏置電路得到0～3.3V的電壓信號(hào)，輸入到DSP的A/D口，從而獲得定子電流的反饋信號(hào)。

2.6　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

伺服系統(tǒng)的軟件是在TI公司的CCS3.3的集成開發(fā)環(huán)境下采用C語言和匯編語言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，主要包括主程序和中斷服務(wù)程序[7]。主程序包括系統(tǒng)初始化、中斷向量初始化、GPIO初始化、各個(gè)控制寄存器的設(shè)置、中斷向量函數(shù)的分配、開中斷等，并對(duì)系統(tǒng)所使用的變量賦初值。中斷服務(wù)程序包括T1定時(shí)器下溢中斷、QEP捕獲中斷、功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的中斷等。其中定時(shí)器T1的下溢中斷是整個(gè)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，全部的矢量控制算法都是在T1下溢出中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)的，主要包括A、B兩相電流的采集及計(jì)算、轉(zhuǎn)子位置和速度計(jì)算、電流及速度PI調(diào)節(jié)、坐標(biāo)變換、SVPWM的生成[8]，流程如圖4所示。

由圖可知，通過坐標(biāo)變換，PMSM的三相電流等效轉(zhuǎn)化為兩相電壓系統(tǒng)，定子電流矢量分解成d、q軸兩個(gè)相互正交的電流分量[9]，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制和磁場解耦控制，從而將永磁同步電機(jī)等效為一臺(tái)直流電機(jī)，獲得和直流類似的控制效果。

圖4　中斷程序流程圖

3仿真結(jié)果及分析

若直接用控制板進(jìn)行電機(jī)調(diào)試，沒有很好的數(shù)據(jù)參數(shù)，容易損壞電機(jī)；若只用Matlab仿真，并不能反映實(shí)際電機(jī)控制中的問題，比如電源部分對(duì)PWM波形的影響等。因此，我們依據(jù)上述伺服系統(tǒng)搭建了Matlab仿真控制模型[10]，并且配置參數(shù)進(jìn)行仿真控制。對(duì)Simulink環(huán)境進(jìn)行設(shè)置如下：仿真參數(shù)的算法為可變步長，ode23tb；永磁同步電機(jī)的參數(shù)選擇如下：直流母線電壓300 V、額定轉(zhuǎn)速nN=2 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩Tn=8 Nm，極對(duì)數(shù)為P=4、定子繞組電阻r=0.958 5 Ω、dq軸的轉(zhuǎn)子電感La=Lq=5.25 mH、轉(zhuǎn)子的磁通量為φt=0.182 7 Wb、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.632 9×10-3 kgm2、系統(tǒng)在t=0時(shí)空載啟動(dòng)，預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速為700 r/min，d軸電流為0，死區(qū)時(shí)間設(shè)為3.2 μs.在t=0.2 s時(shí)，加上2 Nm階躍干擾，載波周期為20 kHz，對(duì)速度和電流PID進(jìn)行適當(dāng)參數(shù)配置后仿真，電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖5所示。

由圖可知，在電機(jī)最初空載啟動(dòng)時(shí)，存在一定程度的波動(dòng)，但很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在0.2 s時(shí)，給電機(jī)施加2 N·m的轉(zhuǎn)矩后，電機(jī)稍有波動(dòng)，迅速恢復(fù)到2 N·m的轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，對(duì)應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速如圖6所示。

圖5　電磁轉(zhuǎn)矩波形

由圖知，電機(jī)在最初啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速上下波動(dòng)，但迅速穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速位置，在0.2 s時(shí)，由于突然施加轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)微小波動(dòng)后又恢復(fù)穩(wěn)定，說明系統(tǒng)具有較小的良好的抗干擾能力和靜差率[11]。

圖6　轉(zhuǎn)速波形

此時(shí)將仿真中各參數(shù)進(jìn)行標(biāo)幺化處理，統(tǒng)一化為Q格式表示，并用C語言將其寫入CCS3.3的算法程序中，進(jìn)行DSP硬件調(diào)試，并將最終逆變器輸出的波形用UT2102CE系列的示波器顯示。所用硬件測試平臺(tái)如圖7所示。

如圖所示，當(dāng)硬件平臺(tái)上電源部分調(diào)試好后，通過上位機(jī)SVPWM算法程序被下載到DSP芯片中，強(qiáng)電逆變后的電壓用24V直流電壓代替，連接圖示的永磁同步伺服電機(jī)后，電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)。通過調(diào)節(jié)程序中的d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中q軸參考電壓Vqtesting和速度參考Speedref的值，可以改變輸出電壓的幅值和頻率。此時(shí)用示波器測量圖2中逆變器UI、VI和W三引腳上的輸出波形，通過濾波等處理，最終得到的三相電壓波形。由于示波器只有兩只表筆，故以UI、VI為例如下圖8所示。

圖7　硬件測試平臺(tái)

由圖知縱坐標(biāo)峰值為24.2 V，載波周期為50 μs。通過分析兩電壓間的相位差易知，兩相相位相差120°，同時(shí)不斷調(diào)節(jié)Vqtesting和Speedref的值，可以觀察到變化的電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出電壓頻率，達(dá)到了永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速的目的，并且擁有良好的響應(yīng)性能。

圖8　UI、VI相電壓波形

4結(jié)論

(1)用TMS320F2812芯片作為控制核心，使得控制系統(tǒng)集成度高且控制簡單。

(2)用多摩川編碼器作為速度/位置檢測的核心部件，簡化了系統(tǒng)算法，且使系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)可靠性大大增強(qiáng)。

(3)仿真和實(shí)踐證明，該伺服控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠、平穩(wěn)、系統(tǒng)響應(yīng)速度快，可以廣泛用于永磁同步電機(jī)的矢量變頻調(diào)速系統(tǒng)中。

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Design of PMSM Vector Control System Based on DSP

Zhang Yudi, Qian Wei, Sun Fujia, Wang Junhui(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093，China)