基于模塊化的可重構(gòu)PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘海鴻，林曉詞，陳 琳，王 玲，陳偉鴻

(1. 廣西大學(xué)，南寧 530004；2. 廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004)

基于模塊化的可重構(gòu)PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

潘海鴻1,2，林曉詞1，陳 琳1,2，王 玲1，陳偉鴻1

(1. 廣西大學(xué)，南寧 530004；2. 廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004)

以PMSM電機(jī)為控制對(duì)象，為提高PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的擴(kuò)展性、開(kāi)放性及靈活性，提出基于模塊化、層次化的伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想?；贒SP芯片TMS320F28335進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)模塊化、可重構(gòu)PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究；并給出可重構(gòu)的PMSM伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際工況快速重構(gòu)控制系統(tǒng)，最終滿足用戶多樣化和個(gè)性化控制需求。在搭建的PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行速度控制模式和位置控制模式重構(gòu)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的可重構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是可行有效的，且設(shè)計(jì)靈活,可重構(gòu)性強(qiáng),易于擴(kuò)展。

可重構(gòu)；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；模塊化；軟件架構(gòu)；控制策略

0 引 言

交流永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))以其調(diào)速范圍寬、控制精度高、動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)特性好和魯棒性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、電子制造機(jī)械、航天航空設(shè)備及柔性制造系統(tǒng)等領(lǐng)域[1]。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出許多不同品牌和性能的商用伺服驅(qū)動(dòng)器，如安川、松下、東元、臺(tái)達(dá)等，但這些商用驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)放程度不高。商用伺服驅(qū)動(dòng)器的控制板卡通常采用專用封閉式設(shè)計(jì)方法，軟件系統(tǒng)被固化在控制板卡中，每個(gè)控制環(huán)路的控制策略單一，導(dǎo)致伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)難以擴(kuò)展，缺乏靈活性和開(kāi)放性，無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜多變的應(yīng)用場(chǎng)合及性能要求[2]。以數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用為例。為保證數(shù)控系統(tǒng)的精度及魯棒性，數(shù)控系統(tǒng)通常采用閉環(huán)控制，從內(nèi)到外為電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)不同的控制需求，數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器可組成三種結(jié)構(gòu)形式[3]，如圖1所示。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為轉(zhuǎn)矩控制、速度控制、位置控制三種控制模式，分別接收上位機(jī)的模擬轉(zhuǎn)矩指令、模擬速度指令和脈沖指令。商用伺服驅(qū)動(dòng)器為上位機(jī)提供了三種控制結(jié)構(gòu)所需的指令輸入接口和反饋接口，但內(nèi)部功能固定，用戶只能使用驅(qū)動(dòng)器所提供的標(biāo)準(zhǔn)功能，難以根據(jù)自己的性能要求對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，使伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的擴(kuò)展和修改十分有限，造成用戶對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商的依賴，難以將自己的相應(yīng)專業(yè)技術(shù)、控制算法等嵌入到伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重構(gòu)[3-4]。因此，自主研究和設(shè)計(jì)模塊化、可重構(gòu)PMSM伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，使用戶能夠根據(jù)控制需求，對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略等進(jìn)行重構(gòu)，提高PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的擴(kuò)展性、開(kāi)放性及靈活性，具有很大必要性和實(shí)用價(jià)值。

為此，本文對(duì)PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可重構(gòu)性進(jìn)行分析，采用模塊化、層次化的設(shè)計(jì)方法，提出可重構(gòu)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)思想；并設(shè)計(jì)具有開(kāi)放性、可重構(gòu)性的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件架構(gòu)。最后在搭建的自主開(kāi)發(fā)基于DSP TMS320F28335伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(a) 伺服驅(qū)動(dòng)器層為轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)

(b) 伺服驅(qū)動(dòng)器層為速度控制結(jié)構(gòu)

(c) 伺服驅(qū)動(dòng)器層為位置控制結(jié)構(gòu)

1 控制策略可重構(gòu)分析

為達(dá)到交流永磁同步電機(jī)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的性能指標(biāo)，眾多學(xué)者提出了很多控制策略，目前伺服驅(qū)動(dòng)器中常用的控制策略有PID控制、復(fù)合控制、加減速控制、預(yù)測(cè)控制等。這些控制算法可在一定程度上使系統(tǒng)獲得較好性能，但也存在一些不足，各有特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合，如表1所示。

表1 控制策略的特點(diǎn)及適用場(chǎng)合

續(xù)表

隨著市場(chǎng)需求的發(fā)展，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能要求越來(lái)越高，采用單一控制策略的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜多變的應(yīng)用需求[5]。針對(duì)不同環(huán)境和不同條件，應(yīng)采用不同的控制策略以獲得更實(shí)用、性能更優(yōu)越的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此，控制策略的可重構(gòu)性是十分必要的。

2 模塊化、可重構(gòu)PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)思想

為滿足復(fù)雜多變的工業(yè)應(yīng)用需求，采用模塊化、層次化設(shè)計(jì)方法，基于實(shí)驗(yàn)室已有研究成果，提出具有開(kāi)放性、可重構(gòu)性的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件架構(gòu)思想[3-4,12]，如圖2所示，其核心思想：(1)每個(gè)功能模塊完成單一的功能，各功能模塊間相互獨(dú)立；(2)依據(jù)各模塊的功能屬性劃分功能模塊框架，每個(gè)功能模塊都有與其一一對(duì)應(yīng)的框架，各功能模塊間只通過(guò)功能模塊框架進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，保證功能模塊間沒(méi)有直接的數(shù)據(jù)耦合，便于添加或裁剪；(3)各功能模塊框架中都設(shè)置有一個(gè)重構(gòu)器，通過(guò)重構(gòu)器控制功能模塊的調(diào)用狀態(tài)，在系統(tǒng)中隨時(shí)對(duì)各模塊進(jìn)行調(diào)用，根據(jù)控制需求和信息流重構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)思想框圖

2.2 功能模塊劃分

結(jié)合PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可重構(gòu)性分析及目前伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能特點(diǎn)，提出PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制框圖，如圖3所示。整個(gè)控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)模塊和可重構(gòu)模塊組成，基礎(chǔ)模塊是指與電流控制有關(guān)的較通用模塊，主要包括：相電流采樣、位置檢測(cè)、克拉克變換、帕克變換和帕克逆變換、SVPWM占空比計(jì)算模塊和占空比更新模塊等，通常不參與重構(gòu)?？芍貥?gòu)模塊是指在控制過(guò)程中可根據(jù)控制需求利用重構(gòu)器添加或裁減的模塊，主要有S型曲線加減速、直線加減速、指數(shù)加減速、PID控制器、前饋控制器、電流預(yù)測(cè)控制、陷波濾波器、低通濾波器、M法測(cè)速、T法測(cè)速和M/T法測(cè)速模塊等。重構(gòu)器的符號(hào)說(shuō)明如表2所示，根據(jù)控制要求利用重構(gòu)器實(shí)現(xiàn)對(duì)可重構(gòu)模塊的調(diào)用，構(gòu)成所需系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 可重構(gòu)PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制框圖

表2 功能模塊重構(gòu)器符號(hào)說(shuō)明

2.3 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

采用模塊化層次化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件架構(gòu)，如圖4所示。PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)主要分為6層：(1)系統(tǒng)主框架層由背景處理框架和中斷處理框架組成。背景處理框架是整個(gè)軟件系統(tǒng)程序入口，主要完成處理器內(nèi)部資源、硬件配置及系統(tǒng)參數(shù)的初始化；中斷處理框架執(zhí)行周期性實(shí)時(shí)任務(wù)，調(diào)用軸管理框架層中與電機(jī)控制有關(guān)的各功能函數(shù)。(2)軸管理框架層完成與系統(tǒng)主框架層的通信，調(diào)用執(zhí)行各功能模塊框架，并處理各功能模塊框架間的通信。(3)功能模塊框架層負(fù)責(zé)與軸管理框架層和功能模塊層的通信，同時(shí)可直接對(duì)硬件接口驅(qū)動(dòng)層控制。根據(jù)功能屬性劃將功能模塊框架分為：①基礎(chǔ)功能模塊框架：坐標(biāo)變換框架、執(zhí)行系統(tǒng)框架和監(jiān)控系統(tǒng)框架；②可重構(gòu)功能模塊框架：設(shè)定點(diǎn)發(fā)生器框架、測(cè)量系統(tǒng)框架、控制器框架?？芍貥?gòu)功能模塊框架利用功能模塊重構(gòu)器對(duì)功能模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)用。(4)功能模塊層中各功能模塊主要完成單一的功能，通過(guò)功能模塊框架層進(jìn)行調(diào)度和管理。(5)硬件接口驅(qū)動(dòng)層用于配合相應(yīng)硬件接口完成伺服系統(tǒng)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)處理和硬件驅(qū)動(dòng)。(6)硬件接口層主要包括編碼器接口、ADC接口、PWM接口、運(yùn)動(dòng)指令輸入接口、數(shù)字I/O接口、SCI接口、以太網(wǎng)接口和按鍵接口等，負(fù)責(zé)與電機(jī)、上位機(jī)數(shù)據(jù)交互。所提出的伺服系統(tǒng)軟件架構(gòu)基于DSP TMS320F28335采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)完成。

圖4 PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件架構(gòu)

采用層次化、模塊化的軟件架構(gòu)，主要特點(diǎn)：(1)層次分明，功能模塊耦合低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，便于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、移植、維護(hù)及擴(kuò)展；(2)系統(tǒng)硬件與軟件分離，僅需更改硬件接口及驅(qū)動(dòng)即可將軟件架構(gòu)應(yīng)用于新系統(tǒng)，減少系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成本及時(shí)間；(3)功能模塊相互獨(dú)立，由功能模塊框架層執(zhí)行各功能模塊的信息交互及存儲(chǔ)，便于管理和調(diào)度；(4)根據(jù)控制需求及性能指標(biāo)，通過(guò)框架層的重構(gòu)器對(duì)功能模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)，從而重構(gòu)出所需的控制結(jié)構(gòu)及控制模式，以控制電機(jī)完成期望的運(yùn)動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文搭建了如圖5所示PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)由基于DSP TMS320F28335自主研發(fā)的伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試系統(tǒng)、東元TSDA電機(jī)及機(jī)械平臺(tái)組成。所采用的電機(jī)為東元TSDA電機(jī)，型號(hào)為TSB08751C，功率為750 W，額定電流為3.4 A，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為2.39 N·m。自主研發(fā)的PMSM伺服驅(qū)動(dòng)器位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)周期分別設(shè)置為6.25 ms，0.625 ms，0.125 ms。

圖5 PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

(1)速度控制模式

依圖1(b)將伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重構(gòu)為速度控制模式，加減速方式選擇指數(shù)加減速法，測(cè)速方式選擇M/T法。參照前述可重構(gòu)控制框圖(圖3)和重構(gòu)器符號(hào)說(shuō)明(表2)進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)，控制模式重構(gòu)器置為2，加減速重構(gòu)器置為0，測(cè)速方式重構(gòu)器置為3，構(gòu)成速度閉環(huán)回路。給定參考速度命令分別為10 r/min，100 r/min，800 r/min，1 500 r/min，3 000 r/min，各速度響應(yīng)曲線如圖6所示。可知，該可重構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全速段平穩(wěn)運(yùn)行，起動(dòng)時(shí)無(wú)明顯超調(diào)，穩(wěn)態(tài)誤差較小，速度響應(yīng)快，在3 000 r/min時(shí)速度響應(yīng)時(shí)間最大約為0.25 s。

圖6 速度控制模式低、中、高速時(shí)的速度響應(yīng)

(2)位置控制模式

依圖1(c)將伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重構(gòu)為位置控制模式，位置控制器分別采用比例和前饋的復(fù)合控制策略和比例控制策略，測(cè)速方式選擇M/T法。參照前述可重構(gòu)控制框圖(圖3)和重構(gòu)器符號(hào)說(shuō)明(表2)進(jìn)行重構(gòu)，控制模式重構(gòu)器置為3，測(cè)速方式重構(gòu)器置為3，采用復(fù)合位置控制策略時(shí)，位置控制重構(gòu)器置為1，構(gòu)成位置閉環(huán)回路。

給定位置脈沖命令300000個(gè)脈沖，兩種控制策略的位置和速度響應(yīng)曲線如圖7所示。兩種控制策略下系統(tǒng)均完成300 000脈沖的定位要求，采用復(fù)合控制策略系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨特性比采用比例控制策略得好，定位時(shí)間更短，并且有較高的動(dòng)態(tài)跟蹤精度，重構(gòu)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可滿足控制需求。

圖7 兩種位置控制策略下的位置和速度響應(yīng)曲線

上述實(shí)驗(yàn)從控制結(jié)構(gòu)重構(gòu)和控制策略重構(gòu)兩個(gè)方面證實(shí)所提出基于模塊化思想的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有可重構(gòu)性的，PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行重構(gòu)，滿足所需性能要求，體現(xiàn)了模塊化、可重構(gòu)PMSM伺服系統(tǒng)軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)具有良好的靈活性、適應(yīng)性。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于DSP TMS320F28335按照所提出的模塊化、層次化軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)思想，自主開(kāi)發(fā)具有模塊化、可重構(gòu)特征的PMSM伺服系統(tǒng)軟件架構(gòu)。該系統(tǒng)通過(guò)將功能模塊完全解耦，即每個(gè)功能模塊完成單一的功能，利用框架層的重構(gòu)器對(duì)功能模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)，方便用戶根據(jù)特定的控制需求添加或裁減功能模塊。在自主開(kāi)發(fā)的PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行速度控制模式和位置控制模式重構(gòu)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)能夠?qū)ο到y(tǒng)控制結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行重構(gòu)進(jìn)而滿足所要求的性能指標(biāo)，具有良好的靈活性、適應(yīng)性，并拓寬PMSM伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

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Design and Implementation of Reconfigurable PMSM Servo Drive System Based on Modularization Strategy

PANHai-hong1,2,LINXiao-ci1,CHENLin1,2,WANGLing1,CHENWei-hong1

(1.Guangxi University,Nanning 530004,China;2.Guangxi Key Laboratory of Manufacturing System & Advanced Manufacturing Technology,Nanning 530004,China)

Based on the DSP core control chip TMS320F28335, a PMSM servo drive system was developed independently to realize the control of PMSM, which features modularized and reconfigurable. To improve the expansibility, openness and flexbility of PMSM servo drive system, the design idea of servo drive control system was proposed using modular and hierarchical strategy; architecture planning of reconfigurable PMSM servo drive system was given as well, therefore the control system can be rapidly reconstructed on practical condition, and the diversitied and personalized requirements of the customers were satisfied in final. The platform of PMSM servo drive system was built, and reconfiguration experiments of speed control mode and position control mode were performed on the platform. Experimental results demostrate feasibility and validity of the design presented. The architecture has characteristic of flexible design, easy extension and strong reconfigurability.

reconfigurable; servo drive system; modularization; software architecture; control strategy

2015-06-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465005)；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(14-045-15S09)

TM341;TM351

A

1004-7018(2016)05-0040-04

潘海鴻(1966-)，博士,教授，研究方向?yàn)楦咚俑呔冗\(yùn)動(dòng)控制、數(shù)控技術(shù)。