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    全數(shù)字交流伺服電機(jī)控制器的研究與開(kāi)發(fā)

    2017-07-18 12:03:43
    關(guān)鍵詞:子程序伺服系統(tǒng)同步電機(jī)

    田 蒼

    (黑龍江民族職業(yè)學(xué)院,哈爾濱 150066)

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    全數(shù)字交流伺服電機(jī)控制器的研究與開(kāi)發(fā)

    田 蒼

    (黑龍江民族職業(yè)學(xué)院,哈爾濱 150066)

    基于DSP永磁同步電動(dòng)機(jī)的伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程,在伺服控制領(lǐng)域內(nèi),往往需要被控對(duì)象能夠?qū)崿F(xiàn)高精度位置控制,然而要實(shí)現(xiàn)精確位置控制的一個(gè)基本條件是需要有高精度的執(zhí)行機(jī)構(gòu),稀土永磁體的永磁同步電動(dòng)機(jī)就滿足其要求。交流永磁同步電動(dòng)機(jī)即PMSM以其運(yùn)行效率高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn),近年來(lái)已經(jīng)逐步成為交流伺服系統(tǒng)的主流執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

    全數(shù)字;伺服;DSP

    1 課題研究意義

    交流電動(dòng)機(jī)特別是異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,重量輕,價(jià)格便宜,運(yùn)行可靠,維護(hù)方便,使用環(huán)境局限性小等優(yōu)點(diǎn),在生產(chǎn)和生活中得到廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和新型快速的電力電子原件的出現(xiàn)使得交流異步電機(jī)的調(diào)速成為可能,帶有實(shí)時(shí)信號(hào)處理器的電機(jī)控制器件如DSP和集成度很高的智能功率模塊IPM的出現(xiàn),更使得由變頻器供電的交流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。新興的空間矢量PWM(SVPWM)技術(shù),先進(jìn)的智能功率模塊(IPM),加上具有高性能運(yùn)行速度的DSP,進(jìn)一步擴(kuò)大了變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

    系統(tǒng)以TMS320LF2407A為中央處理器設(shè)計(jì)控制電路,運(yùn)用空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓源型逆變器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

    2 國(guó)內(nèi)外伺服驅(qū)動(dòng)發(fā)展?fàn)顩r

    目前國(guó)外的永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)展很成熟,生產(chǎn)商如日本安川電機(jī)公司、三菱公司、美國(guó)Gettys公司、德國(guó)西門子公司Kollmorgen公司等。其中美國(guó)Kollmorgen公司ID(Industrial Drives)工業(yè)驅(qū)動(dòng)部分的Goldline系列代表了當(dāng)代永磁交流伺服技術(shù)的最新水平。國(guó)外最新推出的高性能交流伺服系統(tǒng)幾乎全都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化,近年來(lái)外國(guó)公司紛紛推出各自的數(shù)字接口協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn),如日本發(fā)那科公司推出串行伺服總線(FSSB),德國(guó)西門子公司推出Profibus-DP總線,日本三菱推出CC-link總線,德國(guó)力施樂(lè)推出SERCOS總線。

    全數(shù)字化已經(jīng)延伸到測(cè)量單元接口的數(shù)字化。德國(guó)HEIDENHAIN將各種類型的編碼器,如絕對(duì)、增量式和正余弦編碼器的細(xì)分功能,都統(tǒng)一到EnDae2.2編碼器連接協(xié)議中。細(xì)分過(guò)程在編碼器內(nèi)部完成,再通過(guò)數(shù)字接口和伺服驅(qū)動(dòng)連接起來(lái),這才是真正的全數(shù)字化。

    國(guó)內(nèi)伺服電機(jī)及其全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器基本上是自主開(kāi)發(fā),已形成商品化和批量生成能力。一些院校和研究所的永磁同步電動(dòng)機(jī)多為特殊設(shè)計(jì),應(yīng)用于航天、國(guó)防等特殊場(chǎng)合的特種電動(dòng)機(jī)。華中科技大學(xué)是我國(guó)自主創(chuàng)新的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)源地之一,開(kāi)發(fā)了基于DSP的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)裝置(HSV-16/18/20)并投入大批量生產(chǎn)。北京航天數(shù)控公司生產(chǎn)的DSCU系列全數(shù)字伺服控制單元和DSSU系列全數(shù)字主軸控制單元、北京凱奇數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的全數(shù)字伺服控制單元和全數(shù)字主軸控制單元及電機(jī)也已經(jīng)得到了大規(guī)模應(yīng)用。北京時(shí)光科技公司自主研發(fā)的全數(shù)字化交流伺服控制技術(shù)采用32位微處理器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)級(jí)芯片和智能化功率器件,成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相交流異步電機(jī)(鼠籠式電動(dòng)機(jī))的高精度伺服控制。從2003年開(kāi)始,我國(guó)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)從配用步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置,開(kāi)始大規(guī)模改用伺服驅(qū)動(dòng)裝置。

    隨著控制理論、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的近一步發(fā)展,交流伺服系統(tǒng)會(huì)日趨成熟。

    3 軟件程序

    3.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

    TI公司為DSP的開(kāi)發(fā)提供了功能齊全的集成編譯環(huán)境CCS(Code Composer Studio),即可以用匯編語(yǔ)言編程,也可以C語(yǔ)言來(lái)編程,也可以匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言混合編程。通過(guò)它開(kāi)發(fā)人員可以充分應(yīng)用DSP的強(qiáng)大功能。

    在本設(shè)計(jì)中采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程的方法,利用CCS2000集成開(kāi)發(fā)環(huán)境以及仿真器進(jìn)行程序調(diào)試。程序結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單,易于調(diào)試。

    3.2 電流采樣子程序

    TMS320F2812的ADC模塊共有16個(gè)輸入通道,12位ADC核,內(nèi)含采用/保持電路,模擬輸入范圍0~3V。本系統(tǒng)的電流采樣就是利用DSP本身的ADC模塊。用一個(gè)定時(shí)器事件啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換,完成電流的采樣。在檢測(cè)中,霍爾電流傳感器只得到兩相電流值和,將該電流值送入ADC模塊的兩路輸入ADCINA0和ADCINA1端口,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換成為12位的數(shù)字量,范圍是0--4095,輸入模擬電壓和采樣結(jié)果的關(guān)系為:數(shù)字結(jié)果=4095*(輸入模擬電壓-ADCLO)/3,其中ADCLO為模擬輸入的公共地,接到模擬地。電流檢測(cè)子程序:

    void interrupt ad_int1()

    {

    unsigned int ia0,ib0;

    ia0= AdcRegs.ADCRESULT0;

    ib0= AdcRegs.ADCRESULT1;

    ad flag=1;

    AdcRegs.ADCTRL2.all= AdcRegs.ADCTRL2.all|0X4200;

    asm(" clrc intm ");

    }

    3.3 速度檢測(cè)

    下面給出 M法測(cè)速子程序,程序中用到的資源有EVA的定時(shí)器和,以及捕獲單元CAP3。

    interrupt void adc_isr(void)

    {

    T2k=EvaRegs.T2CNT;

    DT2=T2k-T2k_1;

    T2k_1=T2k;

    SPEED=6000L*DT2;

    T2abs=T2k-Zero_k

    }

    3.4 位置給定計(jì)算子程序

    3.4.1 位置計(jì)算子程序

    void pos_calc(POS_Handle p)

    {

    unsigned long m10,m20;

    p->r_p=(unsigned long)p->rp*N_R;

    p->r_v=(int)p->rv*N_TP;

    p->r_a=(unsigned int)(unsigned long)((unsigned)p->ra*N_TP*N_TP);

    r_pos=p->r_p;

    r_spd=p->r_v;

    r_acc=p->r_a;

    if(p->r_v<0) r_spd_absolute=-p->r_v;

    elser_spd_absolute=p->r_v;

    m10=(unsignedlong)(((unsignedlong)r_spd_absolute<<12)/r_acc);

    m20=(unsigned long)((unsigned long)r_pos/r_spd_absolute);

    if(m20<=m10)//速度曲線為三角形

    {

    P>t1=(unsignedlong)qsqrt((unsignedlong)(((unsignedlong)r_pos/r_acc)<<12));

    p->t2=0;

    p->t3=p->t1;

    }

    else //速度曲線為梯形

    {

    p->t1=m10;

    p->t2=m20-m10;

    p->t3=p->t1;

    }

    m1=(unsigned long)p->t1;

    m2=(unsigned long)p->t2;

    m3=(unsigned long)p->t3;

    }

    3.4.2 位置調(diào)節(jié)子程序

    位置參考值以脈沖形式給定,實(shí)際反饋的位置是相鄰兩個(gè)采樣周期內(nèi)脈沖數(shù)增量的累積值。位置調(diào)節(jié)采用經(jīng)典的比例調(diào)節(jié)算法,可以對(duì)偏差瞬間作出快速反應(yīng)。比例系數(shù)越大,控制作用越強(qiáng),但過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩,破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性,同時(shí),要對(duì)輸出值進(jìn)行限幅處理。調(diào)節(jié)子程序如下:

    void ppi()

    {

    int ek_pos;

    //第k次采樣偏差值int un_pos;

    if(r_spd<0)pos_ref=-pos_ref_absolute;

    else pos_ref=pos_ref_absolute;

    ek_pos=(int)((long)(pos_ref-position));

    //位置偏差,un_pos=(int)(((long)Kp_pos*(ek_pos-ek_pos0))>>12);

    pos_out=(int)(((long)Kspeed*un_pos)>>8);

    N_REF=N_REF0+pos_out;

    if(N_REF

    else if(N_REF>max_pos) N_REF=max_pos;

    ek_pos0=ek_pos;

    //更新N_REF0=N_REF; Np=Np+1;

    }

    3.5 速度調(diào)節(jié)子程序

    3.5.1 速度調(diào)節(jié)子程序

    void spi()

    {

    int ek_spd;

    int un_spd;

    int el_spd;

    ek_spd=N_REF-n_fdb;

    un_spd=xi_spd+(int)((long)Kp_spd*ek_spd);

    if(un_spd>max_spd) spd_out=max_spd;

    else if(un_spd

    else spd_out=un_spd;

    el_spd=spd_out-un_spd;

    xi_spd=xi_spd+(int)((long)Ki_spd*ek_spd)+(int)(((long)Kc_spd*el_spd);

    }

    3.6 SVPWM程序流程圖(圖1)

    圖1 SVPWM程序流程

    在程序中特別注意的是死區(qū)時(shí)間的設(shè)置,本系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間為4.3。

    3.6.1 SVPWM實(shí)現(xiàn)子程序

    void sv_pwm( )

    {

    int anticlk[6]={0x1666,0x3666,0x2666,0x6666,0x4666,0x5666};

    int x,y,z;

    unsigned int a,b,c;

    unsigned int t1,tm;

    unsignedintt1_q0,tm_q0;

    unsignedinttaon,tbon,tcon;x=ubeta;

    y=(int)(((long)28377*ualfa)>>15)+(int)(((long)16384*ubeta)>>15);

    z=-(int)(((long)28377*ualfa)>>15)+(int)(((long)16384*ubeta)>>15);

    if(x>=0) a=1;

    else a=0;

    if(-z>=0) b=1;

    else b=0;

    if(-y>=0) c=1;

    else c=0;

    p->sector=4*c+2*b+a;

    switch(p->sector)

    {

    case 1: t1=(unsigned)(((unsigned long)z*32768)>>15), tm=(unsigned)(((unsigned long)y*32768)>>15);

    break;

    case 2: t1=(unsigned)(((unsigned long)y*32768)>>15), tm=(unsigned)(((unsigned long)-x*32768)>>15);

    break;case3:t1=(unsigned)(((unsignedlong)-z*32768)>>15),tm=(unsigned)(((unsigned long)x*32768)>>15);

    break;

    case4:t1=(unsigned)(((unsignedlong)-x*32768)>>15),tm=(unsigned)(((unsignedlong)z*32768)>>15);

    break;

    case5:t1=(unsigned)(((unsignedlong)x*32768)>>15),tm=(unsigned)(((unsigned long)-y*32768)>>15);

    break;

    case6:t1=(unsigned)(((unsignedlong)-y*32768)>>15),tm=(unsigned)(((unsignedlong)-z*32768)>>15);

    break;

    default:break;

    }

    EvaRegs.ACTRB.all=anticlk[p->sector-1];

    //重新裝配ACTRBt1_q0=(unsigned)(((unsigned long)t1*TP)>>12);

    tm_q0=(unsigned)(((unsigned long)tm*TP)>>12);

    f(t1_q0+tm_q0>TP)

    {

    t1_q0=(unsigned)(((unsignedlong)t1_q0*TP)/(t1_q0+tm_q0));

    tm_q0=(unsigned)(((unsignedlong)tm_q0*TP)/(t1_q0+tm_q0));

    }

    taon=(unsigned)((TP-t1_q0-tm_q0)/2);

    tbon=taon+t1_q0;tcon=tbon+tm_q0;

    switch(p->sector)

    {

    case 1: p->tcm1=tbon, p->tcm2=taon, p->tcm3=tcon;

    break;

    case 2: p->tcm1=taon, p->tcm2=tcon, p->tcm3=tbon;

    break;

    case 3: p->tcm1=taon, p->tcm2=tbon, p->tcm3=tcon;

    break;

    case 4: p->tcm1=tcon, p->tcm2=tbon, p->tcm3=taon;

    break;

    case 5: p->tcm1=tcon, p->tcm2=taon, p->tcm3=tbon;

    break;

    case 6: p->tcm1=tbon, p->tcm2=tcon, p->tcm3=taon;

    break;

    default:break;

    }

    4 總結(jié)

    永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)在性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有其獨(dú)特之處,以永磁同步電機(jī)為執(zhí)行單元的交流伺服系統(tǒng)逐漸地成為伺服系統(tǒng)發(fā)展的主流。本文基于以上的背景,對(duì)數(shù)字永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)控系統(tǒng)作了以下幾個(gè)方面的研究工作:

    (l)通過(guò)討論永磁同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和矢量控制策略,確定了以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制方案,并確定通過(guò)空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)提高電機(jī)快速響應(yīng)性和電壓利用。

    (2)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制、空間矢量PWM波形的產(chǎn)生、電流回路和速度回路的調(diào)節(jié)等控制方法進(jìn)行了MATLAB仿真研究。

    (3)進(jìn)行了以TMS320LF2407為控制核心的整套永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),對(duì)系統(tǒng)主回路、檢測(cè)、保護(hù)、驅(qū)動(dòng)電路給出了具體設(shè)計(jì)方案。

    (4)在CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成了永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),詳細(xì)介紹了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的原理及實(shí)現(xiàn),包括DSP初始化,PWM中斷服務(wù)程序,并給出相應(yīng)程序流程圖。

    5 展望

    高性能永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。為了進(jìn)一步提高永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的性能,應(yīng)從以下幾個(gè)方面陸續(xù)進(jìn)行深入研究,比如:采用直接轉(zhuǎn)矩控制控制策略、采用模糊控制技術(shù),人工神經(jīng)網(wǎng)技術(shù)、采用絕對(duì)值的編碼器等等,這些需要在以后的工作中進(jìn)一步地完善。由于本文作者時(shí)間精力與知識(shí)水平有限,論文中難免存在一些不足之處,需要做進(jìn)一步的研究與改進(jìn)。

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    [責(zé)任編輯 李順子]

    小知識(shí)·學(xué)術(shù)論文的七個(gè)要點(diǎn)之一·選題

    選題是學(xué)術(shù)論文關(guān)鍵的第一步,直接關(guān)系論文的質(zhì)量。常言道:“題好文一半”。對(duì)于作者來(lái)說(shuō),選擇論文題目要注意以下幾點(diǎn):一要結(jié)合學(xué)習(xí)與工作實(shí)際,根據(jù)自己所熟悉的專業(yè)和研究興趣,適當(dāng)選擇有理論和實(shí)踐意義的課題;二要論文選題宜小不宜大,只要在學(xué)術(shù)的某一領(lǐng)域或某一點(diǎn)上,有自己的一得之見(jiàn),或成功的經(jīng)驗(yàn)或失敗的教訓(xùn),或新的觀點(diǎn)和認(rèn)識(shí),言之有物,讀之有益,就可以作為選題;三要論文選題時(shí)要查看文獻(xiàn)資料,既可了解別人對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究達(dá)到什么程度,也可以借鑒人家對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究成果。

    需要指出的是,學(xué)術(shù)論文選題與論文的標(biāo)題既有關(guān)系又不是一回事。標(biāo)題是在選題基礎(chǔ)上擬定的,是選題的高度概括,但選題及不應(yīng)受標(biāo)題的限制,有時(shí)在過(guò)程中,選題未變,標(biāo)題卻幾經(jīng)修改變動(dòng)。

    2017-02-20

    科研項(xiàng)目:黑龍江省教育廳2011年科學(xué)技術(shù)研究(12515177)

    田蒼,1978-,男,蒙古族,內(nèi)蒙古哲里木盟人,副教授,教學(xué)管理、電子與通信工程研究。

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