基于STM32+CPLD全數(shù)字同步伺服驅(qū)動器的設(shè)計與實現(xiàn)

王蘇洲, 舒志兵, 李 照

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 211816)

基于STM32+CPLD全數(shù)字同步伺服驅(qū)動器的設(shè)計與實現(xiàn)

王蘇洲, 舒志兵, 李 照

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 211816)

以通用的高性能伺服驅(qū)動器為研究對象，選用STM32+CPLD作為控制芯片，采用轉(zhuǎn)子磁場定向及空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，詳細(xì)介紹了伺服驅(qū)動器的硬、軟件設(shè)計，提出了一款全數(shù)字、高性能的永磁同步伺服驅(qū)動器的設(shè)計方案。其中，針對伺服系統(tǒng)的速度控制器設(shè)計了一種PDFF算法，并對PDFF算法進(jìn)行了測試驗證。最后，搭建測試平臺，對伺服驅(qū)動器進(jìn)行性能測試。通過與日本安川Σ-7伺服驅(qū)動器測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗證該伺服驅(qū)動器設(shè)計的可行性與有效性。

伺服驅(qū)動器；STM32；復(fù)雜可編程邏輯器件；矢量控制

0 引 言

伴隨著計算機(jī)控制、電力電子、傳感器、電機(jī)控制等技術(shù)的進(jìn)步，伺服驅(qū)動技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。伺服驅(qū)動器在經(jīng)歷了模擬式、模數(shù)混合式的發(fā)展后，如今已進(jìn)入全數(shù)字化的發(fā)展時期。全數(shù)字伺服彌補(bǔ)了模擬式伺服分散性大、零漂、低穩(wěn)定性等缺點，發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢和控制方法的靈活性，使伺服驅(qū)動器不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且性能更加可靠。交流永磁同步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠等優(yōu)點，其矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的速度和位置控制，越來越受到人們的關(guān)注[1]。

本文設(shè)計了一款高性能的永磁同步伺服驅(qū)動器，傳統(tǒng)上，在伺服驅(qū)動技術(shù)中，大多采用計算能力較強(qiáng)的DSP作為控制核心[2]，但DSP的市場價格相對較高。本文采用STM32F103Z作為主控制芯片，以CPLD作為輔助控制芯片，簡化了伺服驅(qū)動器的軟、硬件設(shè)計，減小了控制系統(tǒng)的體積[3-5]，在一定程度上降低成本，因其具有較高的代碼效率，能夠高效地控制伺服電機(jī)，所以在國內(nèi)伺服市場競爭中占得一定優(yōu)勢。

1 伺服驅(qū)動器控制原理

1. 1 矢量控制基本思路

本文設(shè)計的交流伺服系統(tǒng)是典型的三環(huán)控制結(jié)構(gòu),即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)[6-8]。電流環(huán)通過改造內(nèi)環(huán)控制的對象，系統(tǒng)的快速性得到了很大提高，并對抑制電流環(huán)內(nèi)的干擾十分有效。速度環(huán)可以增強(qiáng)整個系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動能力。高精度的位置環(huán)可實現(xiàn)位置和角度的低誤差跟蹤控制。所以，要設(shè)計出高性能的交流伺服系統(tǒng)，對各環(huán)的具體情況必須采取合理的控制策略。通常，永磁同步電機(jī)三閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)采用矢量控制時，dq坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)的狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)矩公式如下：

(1)

(2)

式中: P——微分算子；p——電機(jī)極對數(shù)；ψf——轉(zhuǎn)子的磁鏈。

在式(2)中，ψf雖然受到永磁體溫度、磁路飽和等因素的影響，但所受影響很小，ψf基本保持不變。因此，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩控制的本質(zhì)就是控制定子電流在dq坐標(biāo)系下的分量iq。永磁同步電機(jī)的控制通常采用id=0控制策略。這種控制方式的優(yōu)點就是減小銅耗，達(dá)到電機(jī)的最大效率。電磁轉(zhuǎn)矩正比于定子電流，在dq坐標(biāo)系下，只要精確地控制iq，就能準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩。

1. 2 電流控制器設(shè)計

在永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中電流控制的結(jié)構(gòu)一般情況下是固定的，電流環(huán)以逆變器和電機(jī)的電樞回路為控制對象。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的機(jī)械慣性比電機(jī)繞組回路的電磁慣性大很多，即電流響應(yīng)比轉(zhuǎn)速響應(yīng)快很多，所以旋轉(zhuǎn)電動勢對電流控制環(huán)的影響可以被忽略，將旋轉(zhuǎn)電動勢耦合項看作擾動項，電機(jī)就可以看作一階慣性環(huán)節(jié)。對于一階慣性環(huán)節(jié)，引入PI調(diào)節(jié)器可以將其校正成為典型的I型環(huán)節(jié)，因此電流控制器采用PI調(diào)節(jié)器。

1. 3 速度控制器設(shè)計

在永磁同步伺服系統(tǒng)中，速度控制器大多采用傳統(tǒng)的PI控制算法，但傳統(tǒng)的PI控制算法難以同時兼顧系統(tǒng)的響應(yīng)速度和超調(diào)。在此，本文再提出一種PDFF控制算法，可以有效地控制超調(diào)，使得速度階躍響應(yīng)更加平穩(wěn)。

帶前饋增益的偽微分反饋，其本質(zhì)是對傳統(tǒng)PI的改進(jìn)型算法。PDFF控制算法的數(shù)學(xué)公式如下：

(3)

式中:Ki——積分增益；Kp——比例增益；Kfr——前饋增益。

由式(3)可知，當(dāng)Kfr=1時，該算法就變成了典型的PI控制算法，此時系統(tǒng)的響應(yīng)較快，但是DC剛度較差，超調(diào)較大；當(dāng)Kfr=0時，該算法就變成了另一種PI改進(jìn)型算法，即PDF控制算法，PDF算法具有良好的DC剛度，超調(diào)較小，但是系統(tǒng)響應(yīng)較慢；當(dāng)0

圖2 PDFF算法模型

圖3為PDFF算法仿真結(jié)果。從圖3可以看出，當(dāng)Kfr=1時，為典型的PI控制算法，此時系統(tǒng)的速度階躍響應(yīng)時間短，動態(tài)性能好，但是超調(diào)較大；當(dāng)Kfr=0時，為PDF控制算法，此時系統(tǒng)的速度階躍響應(yīng)較為緩慢，調(diào)整時間較長，動態(tài)性能相對于PI算法較差，但是速度階躍響應(yīng)曲線很平滑，沒有產(chǎn)生超調(diào)；當(dāng)為PDFF控制算法時，本文取Kfr=0.65，由圖3可見，速度階躍響應(yīng)曲線介于PI和PDF之間，此時，系統(tǒng)既有較好的動態(tài)性能，又有平滑的響應(yīng)過程，沒有超調(diào)。PDFF算法同時兼顧了動態(tài)性能和超調(diào)，使伺服系統(tǒng)達(dá)到“快、準(zhǔn)、穩(wěn)”的控制要求。

圖3 PDFF算法仿真

1. 4 位置控制器設(shè)計

位置控制器采用速度前饋控制。比例增益增大可以減小位置滯后量，但是如果比例增益過度增大就會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生位置超差，即發(fā)生過沖，而采用速度前饋控制可以在不增加位置環(huán)增益的前提下，較大地減少跟蹤誤差，同時速度前饋控制可以縮短定位時間。位置環(huán)前饋濾波時間常數(shù)可以提高位置控制響應(yīng)，過大則會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生振蕩。

2 伺服驅(qū)動器硬件設(shè)計

伺服驅(qū)動器的硬件設(shè)計主要包括功率板和控制板兩塊。功率板主要包括智能功率模塊(Intelligent Power Module,IPM)及其接口電路、開關(guān)電源電路、電流檢測電路等；控制板主要包括控制芯片、編碼器接口電路、CAN總線通信電路、空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)信號處理電路等。本文IPM采用三菱公司的PS21869，控制芯片采用高性能的32位STM32，并用CPLD作為輔助控制芯片。伺服驅(qū)動器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 伺服驅(qū)動器硬件結(jié)構(gòu)圖

2. 1 功率板

IPM是一種集成度很高的開關(guān)功率器件，作為智能功率器件，IPM是把功率器件和控制、驅(qū)動、保護(hù)電路一體化的功率模塊，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于伺服驅(qū)動器的設(shè)計中。在此，本設(shè)計選擇了三菱公司的PS21869。該IPM采用第五代低功耗IGBT，集成了優(yōu)化后的柵極驅(qū)動和保護(hù)電路，額定輸入為600 V/50 A，最高可以承受600 V電壓，50 A電流，最大開關(guān)頻率為20 kHz。

伺服驅(qū)動器的功率電路通常采用交-直-交的結(jié)構(gòu)。電壓型逆變電路外接AC 220 V電源。在整流橋與輸入電源端子之間加入了電源濾波器，其主要作用是濾除高于交流電頻率的那部分電流，起到抗干擾的目的。經(jīng)過浪涌吸收電路出來的交流電進(jìn)入整流橋，實現(xiàn)AC到DC的轉(zhuǎn)化。直流電經(jīng)過軟起動電路，供給IPM，作為IPM電源輸入。軟起動電路中，在發(fā)生斷電的瞬間，繼電器電感會產(chǎn)生一個較大的逆電勢，與電源疊加后會對控制部分造成較大沖擊。為了避免該沖擊，選擇在繼電器側(cè)并聯(lián)一個二極管。

定子電流檢測采用光電隔離放大器芯片HCPL7840。該芯片的工作原理如下：通過外接一個采樣電阻，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，該輸出差分電壓和定子電流成正比，所以只要得到輸出電壓，就能得到定子電流。采樣電阻的感值較小，有助于提高采樣電路的快速性和靈敏性。

2. 2 控制板

本文采用STM32F103Z作為主控制芯片，以CPLD作為輔助控制芯片，簡化了伺服驅(qū)動器的軟硬件設(shè)計，減小了控制系統(tǒng)的體積，在一定程度上降低了成本。

采用增量式編碼器，分辨率為2 500線。編碼器接口用于檢測編碼器產(chǎn)生的表征電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的脈沖，其提供了A、B、Z和U、V、W 6相一共12路的差分脈沖信號，用來反饋電機(jī)轉(zhuǎn)子的角位移和轉(zhuǎn)速信息。通過A、B脈沖的相位關(guān)系可以確定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，通過標(biāo)志脈沖Z可以確定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，通過計算采樣周期內(nèi)編碼器的脈沖增量可以計算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速。在控制板上，通過芯片26LS31將這12路信號轉(zhuǎn)換成單端輸入脈沖。

SVPWM信號通過光耦輸出，經(jīng)過6通道的施密特反相器整形后得到PUP、PUN、PVP、PVN、PWP、PWN，將這6路信號送入IPM的控制輸入端。IPM的故障信號經(jīng)過光耦PC817隔離之后，給到控制板。IPM的內(nèi)部驅(qū)動電路需要+15 V的電源，該電源由開關(guān)電源電路提供。

CAN總線現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。在伺服驅(qū)動器上，CAN總線技術(shù)也日漸成熟。STM21F103Z內(nèi)部集成了增強(qiáng)型的CAN總線通信接口，該接口符合CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)，且內(nèi)核具有完整的CAN通信協(xié)議，易于開發(fā)。

3 伺服驅(qū)動器軟件設(shè)計

3. 1 主程序

系統(tǒng)的主程序主要用于完成初始化和主循環(huán)。初始化包括系統(tǒng)初始化、轉(zhuǎn)子位置初始化,以及控制參數(shù)初始化。主程序的流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3. 2 中斷服務(wù)程序

圖6 主中斷服務(wù)程序流程圖

當(dāng)進(jìn)入主中斷服務(wù)程序(見圖6)后，定時器開始工作，首先對定子電流進(jìn)行采樣，并讀取轉(zhuǎn)子的初始位置信息，進(jìn)而判斷伺服驅(qū)動器控制方式的設(shè)定。如果為位置控制方式，則接收上位系統(tǒng)的位置指令，并計算實際位置與指令位置的偏差，將偏差給到位置控制器，由位置控制器進(jìn)行計算，得到速度指令，從而進(jìn)入速度環(huán)，進(jìn)行速度控制；若控制方式不是位置控制方式，則檢測是否為速度控制方式。在速度控制方式下，將速度指令和實際測量計算得到的速度進(jìn)行比較，并通過速度控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，產(chǎn)生電流指令，最后進(jìn)入電流環(huán)；經(jīng)過坐標(biāo)變換和電流控制器計算，得到輸出電流。

4 伺服驅(qū)動器性能測試

在介紹了軟、硬件設(shè)計，并對控制算法進(jìn)行了改進(jìn)后，對本文設(shè)計的伺服驅(qū)動器進(jìn)行性能測試，采用對拖的方式，對電流、速度及位置三個環(huán)進(jìn)行性能測試，并與性能較好的日本安川Σ-7伺服驅(qū)動器測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗證本文設(shè)計的伺服器性能是否達(dá)到指標(biāo)。該測試平臺主要由待測伺服驅(qū)動器、華大電機(jī)、安川伺服驅(qū)動器、安川電機(jī)、信號發(fā)生器、示波器及計算機(jī)組成。其中，華大電機(jī)和安川電機(jī)通過聯(lián)軸器相連接，待測驅(qū)動器接華大電機(jī)，安川驅(qū)動器接安川電機(jī)。

4. 1 電流環(huán)響應(yīng)測試

對于整個伺服系統(tǒng)而言，要保證系統(tǒng)的響應(yīng)特性和控制精度，必須首先保證內(nèi)環(huán)電流環(huán)的響應(yīng)特性和控制精度。對于電流環(huán)的測試，主要是測試電流的階躍響應(yīng)，重點看電流的響應(yīng)時間與電流超調(diào)兩個指標(biāo)。本文的設(shè)計目標(biāo)是使電機(jī)電流環(huán)的響應(yīng)時間小于5 ms，電流超調(diào)量小于5%。

待測驅(qū)動器接線完成后上電，首先將安川驅(qū)動器設(shè)定為內(nèi)部轉(zhuǎn)矩限制并使能，安川電機(jī)的轉(zhuǎn)軸是鎖死的，由于通過聯(lián)軸器連接，華大電機(jī)的轉(zhuǎn)軸同樣被鎖住。設(shè)定待測驅(qū)動器的控制方式為轉(zhuǎn)矩控制方式，即P0004設(shè)為2。測試所用的指令信號由模擬量提供，通過12(Vin)和13(AGND)兩個腳外接一個電位計實現(xiàn)，模擬量的大小為0～+10 V，0 V對應(yīng)空載，10 V對應(yīng)額定轉(zhuǎn)矩。模擬量大小與電機(jī)轉(zhuǎn)矩呈線性關(guān)系，在本測試中，電位計的電位給定10 V。通過按鈕按下，電機(jī)的定子電流就會發(fā)生突變，以此來實現(xiàn)階躍響應(yīng)的效果。使用電流鉗測量電機(jī)U、V、W的任意一相的電流，通過示波器即可得到電流環(huán)的響應(yīng)曲線。

同理，安川驅(qū)動器電流環(huán)響應(yīng)測試的具體步驟同上。經(jīng)測量，兩款驅(qū)動器的電流環(huán)響應(yīng)如圖7、圖8所示。

圖7 待測驅(qū)動器電流階躍響應(yīng)

圖8 安川驅(qū)動器電流階躍響應(yīng)

從圖7可以看出，示波器的橫坐標(biāo)每格為1 ms，待測驅(qū)動器的電流環(huán)響應(yīng)時間約為3 ms，顯然已經(jīng)達(dá)到了5 ms的設(shè)計要求，電流響應(yīng)沒有明顯的超調(diào)，也滿足了超調(diào)量小于5%的設(shè)計要求。圖8為安川Σ-7驅(qū)動器的電流環(huán)響應(yīng)曲線，電流環(huán)的響應(yīng)時間約為2.5 ms，同樣沒有明顯超調(diào)。從電流環(huán)來看，本文設(shè)計的伺服驅(qū)動器和安川伺服驅(qū)動器相比，在電流響應(yīng)時間上稍慢一些，但達(dá)到了設(shè)計要求。

4. 2 速度環(huán)響應(yīng)測試

速度環(huán)主要是為了保證整個伺服系統(tǒng)在工作過程中速度的穩(wěn)定性，對于速度環(huán)響應(yīng)的測試，主要是測量速度的響應(yīng)時間與速度超調(diào)量兩個指標(biāo)。本文的設(shè)計目標(biāo)是速度響應(yīng)時間小于20 ms，速度超調(diào)量小于5%。

接線完成后上電，設(shè)定待測驅(qū)動器的參數(shù)為速度控制方式，即P0004設(shè)為1，安川驅(qū)動器不使能。使用模擬量信號作為待測驅(qū)動器的速度指令輸入，大小為0～10 V，10 V對應(yīng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，本測試所用華大電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min。將電位計的幅值給定位5 V，按下按鈕，利用示波器捕捉電機(jī)的階躍響應(yīng)過程。

同理，安川驅(qū)動器的速度環(huán)響應(yīng)測試過程與上述測試過程一致。

測量得到兩款伺服驅(qū)動器的速度環(huán)響應(yīng)如圖9、圖10所示。

圖9 待測驅(qū)動器速度階躍響應(yīng)

圖10 安川驅(qū)動器速度階躍響應(yīng)

圖9中，示波器橫坐標(biāo)為時間，每格為10 ms，縱坐標(biāo)表示電機(jī)轉(zhuǎn)速，從0到1 250 r/min，一共5格，每格代表250 r/min。待測驅(qū)動器的速度環(huán)響應(yīng)時間約為10 ms，達(dá)到了本文的設(shè)計目標(biāo)；從圖9可以得到在響應(yīng)過程中的最大轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，通過計算可以得到速度的超調(diào)量：

(4)

通過計算可以發(fā)現(xiàn)超調(diào)量小于5%，也滿足了本文的設(shè)計目標(biāo)。

同理，通過圖10可以得到安川伺服驅(qū)動器的速度環(huán)響應(yīng)時間也約為10 ms,超調(diào)量約為4%。通過測試驗證了，本文設(shè)計的伺服驅(qū)動器的速度環(huán)響應(yīng)與安川伺服驅(qū)動器的速度環(huán)響應(yīng)比較接近。

在圖9中，本文的伺服驅(qū)動器的速度環(huán)依然采用的是傳統(tǒng)的PI控制算法，前文設(shè)計了一種PDFF控制算法，在此，將會對設(shè)計的PDFF控制算法進(jìn)行測試，驗證該算法的合理性與可行性。

設(shè)定待測驅(qū)動器的速度環(huán)PDFF控制系數(shù)，本文給定前饋增益Kfr=0.65，即設(shè)定參數(shù)P018為65，此時的速度環(huán)控制器由傳統(tǒng)PI控制器變成了PDFF控制器。具體的測試過程同前文所述。

從圖11可看出，使用了PDFF算法的速度環(huán)響應(yīng)時間約為20 ms，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的超調(diào)，說明PDFF算法設(shè)計的速度控制器依然滿足本文對于速度環(huán)的設(shè)計要求，相比于PI算法，PDFF算法的超調(diào)量明顯減小，但是響應(yīng)時間卻延長了。

圖11 PDFF速度階躍響應(yīng)

再將圖11與圖3對比可以發(fā)現(xiàn)，仿真和試驗得到的PDFF算法均沒有明顯超調(diào)，但響應(yīng)時間均比PI算法有所延長。試驗測量的結(jié)果與仿真得到的結(jié)果一致，就驗證了該P(yáng)DFF算法的設(shè)計是合理的、可行的。

4. 3 位置精度測試

伺服系統(tǒng)的一個基本要求就是“準(zhǔn)”，要求定位精確。本文的設(shè)計要求是位置誤差小于0.15%，在此，對本文設(shè)計的伺服驅(qū)動器進(jìn)行定位精度測試。

接線完成后，CN1插頭需要接入位置指令脈沖PLUS+和PLUS-，以及位置指令方向SIGN+和SIGN-，模擬量引腳Vin和AGND不需要接。利用測試軟件給驅(qū)動器發(fā)送指令，規(guī)劃路徑，得到結(jié)果如圖12所示。

圖12 位置跟隨性測試

圖12為位置跟隨曲線。圖12中，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為脈沖增量。通過對比橫坐標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，實際位置曲線較位置指令曲線約有5 ms的延時；通過縱坐標(biāo)可以看出，定位誤差約有2.607個脈沖增量。本測試使用的編碼器為增量式編碼器，分辨率為2 500線，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈會產(chǎn)生10 000個脈沖，按照本文的設(shè)計要求，位置誤差小于0.15%，則10 000個脈沖最大誤差為15個脈沖增量，誤差為2.607，顯然達(dá)到了本文的設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

以STM32芯片為控制核心，設(shè)計了伺服驅(qū)動器的軟、硬件，完成了一款高性能交流同步伺服驅(qū)動器的設(shè)計。最后通過與日本安川Σ-7伺服驅(qū)動器測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗證該伺服驅(qū)動器設(shè)計的可行性與有效性。

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Design and Implementation of Digital Synchronous Servo Driver Based on STM32 and CPLD

WANGSuzhou,SHUZhibing,LIZhao

(College of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

Used general high performance servo drive as the research object, select STM32 and CPLD as controlling core and used FOC and SVPWM technology. The hardware and software design of the servo drive was introduced, a design scheme of full digital and high performance servo driver was proposed. For servo system speed controller was designed and a PDFF algorithm, and tests had been carried out to verify the PDFF algorithm. Finally, the testing platform was built, tested the performance of servo driver and verified if the requirements were met. With Japan yaskawa Σ-7 servo driver, comparing the test results verified the feasibility and effectiveness of the servo driver design.

servo driver; STM32; complex programmable logic device (CPLD); vector control

王蘇洲(1990—)，男，碩士研究生,研究方向為交流伺服系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、運動控制、機(jī)電一體化系統(tǒng)等。

TM 301.2

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1673-6540(2017)04- 0074- 06

2016 -07 -11