永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

沈震++張成德++劉巧棣

摘要：近些年來，交流伺服系統(tǒng)在工控、軍工、民用、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。對(duì)于永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，除了要求具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行可靠的特性外，還要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位和快速跟蹤。本文從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分分析永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方案，結(jié)合永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試軟件，并進(jìn)行了電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；DSP芯片；實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：TM351 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）02-0016-01

1 引言

近些年來，交流伺服系統(tǒng)在工控、軍工、民用、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。對(duì)于永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，除了要求具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行可靠的特性外，還要求系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確定位和快速跟蹤。本文結(jié)合永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)，將模糊控制和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合，使系統(tǒng)既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PI控制精度高的特點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件由驅(qū)動(dòng)電源電壓的整流和逆變模塊、反饋信號(hào)（位置、電流）檢測(cè)模塊以及相應(yīng)的硬件保護(hù)等模塊組成。本設(shè)計(jì)采用的DSP芯片為TI公司的TMS320F28335，這是一款浮點(diǎn)類型的處理器，主頻高能高效率運(yùn)行負(fù)載控制算法，尤其是矢量控制算法以及高頻率電流環(huán)處理的采集運(yùn)算，大量傳感器模擬和數(shù)字信號(hào)濾波計(jì)算等實(shí)時(shí)控制。

2.1 主電路

主電路是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的通路，用來將電能直接轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的機(jī)械能。采用交流直流交流方式將電能轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)方式，對(duì)三相220V交流供電進(jìn)行全橋不可控整流。逆變部分采用IPM智能功率模塊，將母線直流電轉(zhuǎn)化為交流電，其IPM內(nèi)部集成了IGBT驅(qū)動(dòng)電路，性能穩(wěn)定，避免在外部搭建PWM驅(qū)動(dòng)電路而造成的控制系統(tǒng)繁瑣，縮短了PWM信號(hào)在PCB板上的走線長(zhǎng)度，避免了周邊電路帶來的干擾。在由DSP發(fā)出的SVPWM信號(hào)采用光耦隔離后由系統(tǒng)提供的驅(qū)動(dòng)DC15V電源直接驅(qū)動(dòng)IPM。根據(jù)系統(tǒng)功率要求，考慮了系統(tǒng)的布局和干擾條件，本設(shè)計(jì)采用了Agilentg公司生產(chǎn)的光耦HCPL3120，具有500ns的開關(guān)時(shí)間和15KV的絕緣耐壓等優(yōu)良特點(diǎn)，在IGBT驅(qū)動(dòng)中具有廣泛的應(yīng)用，其性能滿足系統(tǒng)的要求。

2.2 控制電源電路

一般情況下，控制電源單獨(dú)工作時(shí)，其輸出電壓紋波大小均可以滿足控制系統(tǒng)要求，但控制電源帶上負(fù)載后，在電源輸出電壓上會(huì)疊加上較高的紋波電壓，如輸出紋波太大，會(huì)影響到控制電路和檢測(cè)電路工作的可靠性。因此，合理配置和設(shè)計(jì)穩(wěn)定的開關(guān)電源對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。針對(duì)控制電源穩(wěn)定性的需求，本設(shè)計(jì)采用了PI公司生產(chǎn)的三端離線PWM復(fù)合開關(guān)TOPSwitch以及光耦和基準(zhǔn)源組成的反激式開關(guān)電源，輸入額定電壓為220V，經(jīng)過反饋及鉗位電路分別得到5V，-5V及15V的控制電源。采用5V電源為控制基準(zhǔn)反饋回路。

2.3 轉(zhuǎn)子位置、角速度檢測(cè)電路

電機(jī)轉(zhuǎn)子外側(cè)安裝有位置傳感器，通常選用正交式光電編碼器。其利用光電元件制作的精密光柵器件檢測(cè)光學(xué)信號(hào)，在經(jīng)過換算和信號(hào)處理輸出具有ABI三種信號(hào)的正交編碼信號(hào)。輸出的信號(hào)能夠直接連接到DSP的碼盤檢測(cè)接口，DSP通過內(nèi)置的接口采集到高速的盤脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，用于完成矢量控制和位置環(huán)的伺服控制。

2.4 電流檢測(cè)電路

矢量控制依賴于準(zhǔn)確的電流采樣信號(hào)，其信號(hào)的波動(dòng)干擾都會(huì)直接造成系統(tǒng)控制偏差和控制性能下降，直接影響整個(gè)電流環(huán)的控制以及系統(tǒng)的穩(wěn)定。因此我們需要選用的霍爾電流傳感器應(yīng)該滿足高采樣精度和低溫漂的要求。本設(shè)計(jì)選用了ALLegro公司生產(chǎn)的ACS712ELC系列的電流傳感器。該傳感器具有2.1 kVRMS電壓絕緣及低電阻電流導(dǎo)體的全集成、極穩(wěn)定的輸出偏置電壓和近零的磁滯。同時(shí)在DSP中的12位轉(zhuǎn)換器模塊提供了高效的采集頻率對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行采集和反饋控制，可以滿足對(duì)系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性的要求。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

DSP作為系統(tǒng)軟件算法實(shí)現(xiàn)的載體，軟件實(shí)現(xiàn)的功能主要有：矢量控制算法、PID調(diào)節(jié)器算法、伺服驅(qū)動(dòng)的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)算法的實(shí)現(xiàn)，模糊控制器算法實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)伺服電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)模塊是系統(tǒng)初始化的過程。主要包括兩個(gè)模塊：系統(tǒng)初始化和中斷配置。系統(tǒng)初始化主要包括：配置系統(tǒng)時(shí)鐘、IO接口初始化、通訊模塊的初始化、模擬量接口的初始化、在ROM中設(shè)置用戶參數(shù)與電機(jī)參數(shù)的配置。

3.2 電機(jī)控制模塊

電機(jī)控制模塊主要由DSP完成。其主要包括兩個(gè)部分：矢量控制模塊和SVPWM產(chǎn)生模塊。矢量控制算法是永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制的基礎(chǔ)，算法的實(shí)現(xiàn)需要實(shí)時(shí)對(duì)電流信號(hào)解耦運(yùn)算，每個(gè)控制周期都有需要運(yùn)算的程序，因此可以利用DSP對(duì)數(shù)字信號(hào)的高速處理的能力來解決大量運(yùn)算的工作。

3.3 外部接口模塊

外部接口模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP內(nèi)部控制算法和片外系統(tǒng)的信息交互接口。有控制算法需要的實(shí)時(shí)電機(jī)電流和碼盤位置信號(hào)和用于存儲(chǔ)信息的ROM之間的SCI通訊裝置接口?？刂破鬟\(yùn)行狀態(tài)信息的反饋，包括通過IO接口采集進(jìn)入DSP內(nèi)部的數(shù)字量信號(hào)和驅(qū)動(dòng)器散熱系統(tǒng)溫度信號(hào)的處理。

3.4 通訊模塊

通訊模塊是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和驅(qū)動(dòng)器控制本身信息交互的功能。DSP集成了CAN2.0B的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，供用戶在此物理層的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用層協(xié)議的開發(fā)。應(yīng)用該協(xié)議上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)驅(qū)動(dòng)器組成主從結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)控制，其傳輸速度能滿足上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)控制的實(shí)時(shí)性要求。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

矢量控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中包含有速度和電流兩個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，有多個(gè)PI調(diào)節(jié)器需要進(jìn)行參數(shù)整合，因此一次性將整個(gè)系統(tǒng)搭建并調(diào)試的方案不具有可行性。電流環(huán)的參數(shù)主要取決于電機(jī)的電氣特性，因此要先進(jìn)行電流環(huán)參數(shù)調(diào)整，當(dāng)電流環(huán)穩(wěn)定后在進(jìn)行速度環(huán)和位置環(huán)調(diào)試。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)位置曲線如圖1所示。

5 結(jié)語

本文通過分析交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件、軟件相關(guān)模塊的設(shè)計(jì)，構(gòu)建了交流永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。采用分級(jí)調(diào)試思想，調(diào)試了系統(tǒng)開環(huán)、電流環(huán)以及速度環(huán)，驗(yàn)證了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電流環(huán)與速度環(huán)驅(qū)動(dòng)控制可行性；最后在實(shí)際作業(yè)環(huán)境下測(cè)試了位置環(huán)，驗(yàn)證了模糊算法并給出了相關(guān)調(diào)試曲線，說明模糊自適應(yīng)PID在位置環(huán)中的應(yīng)用具有改善控制性能的作用，且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)滿足系統(tǒng)控制精度要求。

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