基于ARM的永磁同步伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：以永磁同步電機(jī)（PMSM）伺服驅(qū)動(dòng)控制方法為研究對象，設(shè)計(jì)一種PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用STM32F407ZET6作為主控芯片，并設(shè)計(jì)了PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序。對電機(jī)實(shí)體進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)，證明了該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：PMSM驅(qū)動(dòng)控制;STM32F407ZET6;調(diào)試實(shí)驗(yàn)

0 ? ?引言

近年來，PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)逐漸趨于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，本文采用矢量控制策略和PID控制算法，在研究PMSM伺服驅(qū)動(dòng)的控制原理基礎(chǔ)上，初步設(shè)計(jì)出一種PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 ? ?PMSM的矢量控制系統(tǒng)模型

PMSM伺服系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)耦合、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，需選擇合適的控制策略來提高系統(tǒng)的控制效果，本文選擇電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)的雙閉環(huán)矢量控制策略[1]進(jìn)行控制。

電流內(nèi)環(huán)由PI進(jìn)行控制，P環(huán)節(jié)主要是用來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，I環(huán)節(jié)則可減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。兩路PI控制器分別以id和iq的偏差值為給定值，以udref和uqref為輸出值。速度外環(huán)也采用PI進(jìn)行控制。在速度環(huán)節(jié)中，位置檢測裝置通過光電編碼器檢測出PMSM轉(zhuǎn)過的角度θ，再通過速度計(jì)算得出PMSM的角速度ωr，并以ωr的偏差值作為速度PI的輸入值，以iqref為輸出值。

2 ? ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)包括ARM主控制器的最小系統(tǒng)電路、電機(jī)控制接口電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變電路、電源模塊電路、電流采集電路和電機(jī)速度檢測電路。

ARM主控制器最小系統(tǒng)電路主要有主控芯片的電源轉(zhuǎn)換、復(fù)位電路、晶振電路以及下載和調(diào)試接口，電機(jī)矢量控制接口電路主要有電流反饋信號電路、編碼器反饋信號電路和互補(bǔ)PWM輸出電路。此外，在上述主要電路中還設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，對PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的過流、過壓、欠壓等情況進(jìn)行保護(hù)，以防發(fā)生意外事件。

2.1 ? ?控制模塊

STM32F407ZET6芯片[2-4]的高級定時(shí)器可以產(chǎn)生3對互補(bǔ)帶死區(qū)的PWM波;GPIO口的外部中斷可檢測增量式編碼器的反饋信息;ADC模塊可以接收電流采集信號，F(xiàn)PU負(fù)責(zé)內(nèi)部浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理，USART串口負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信交互數(shù)據(jù)，因此符合PMSM驅(qū)動(dòng)控制的需求。

2.2 ? ?驅(qū)動(dòng)逆變模塊

本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)逆變電路主要工作就是驅(qū)動(dòng)PMSM正常運(yùn)轉(zhuǎn)，包括逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路。其中，驅(qū)動(dòng)電路負(fù)責(zé)將主控芯片發(fā)出的6路PWM控制信號進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大，逆變電路則在該信號的控制下將直流母線電壓逆變成三相正弦波，為PMSM供電。逆變電路采用的是比較經(jīng)典的三相橋式逆變電路，功率開關(guān)元件選擇IGBT管，驅(qū)動(dòng)電路則采用了驅(qū)動(dòng)模塊IR2136。

2.3 ? ?編碼器信號處理電路

選用的伺服電機(jī)同軸安裝有增量式光電編碼器[5]，可作為PMSM的位置傳感器來檢測其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。在PMSM轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，編碼器會(huì)輸出A、B、Z三組差分信號，該信號需經(jīng)過信號處理電路處理后再送給主控制器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的檢測。

2.4 ? ?電流采樣處理電路

本文采用兩個(gè)霍爾電流傳感器Honeywell CSNE151-100分別對A、B兩相進(jìn)行電流采樣，其工作電壓為+15 V，可接收PMSM的單相電流信號，輸出-5～+5 V的電壓信號，再送至主控制器的ADC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3 ? ?系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)

本文設(shè)計(jì)的伺服系統(tǒng)所采用的PMSM為南京東豪電機(jī)技術(shù)有限公司的110DH-A06020H，其電機(jī)參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速2 000 r/min;額定電壓/電流AC220 V/6 A;轉(zhuǎn)子慣量1.0×10-3 kg·m2;轉(zhuǎn)子磁鏈0.33 Wb;定子電感0.5 mH;極對數(shù)為2。由電機(jī)手冊資料可知，取Kp=112，Ki=54。由此可計(jì)算出PMSM的速度傳遞函數(shù)為：

Gω（s）= ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）為速度PI控制的被控對象。PMSM驅(qū)動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

本文設(shè)計(jì)了一種簡單的上位機(jī)監(jiān)控界面，用來與主控制器互通信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交流。該上位機(jī)以PC機(jī)作為主機(jī)，在Visual Studio 2012集成開發(fā)環(huán)境[6]下的Windows窗體中繪制系統(tǒng)界面和編寫應(yīng)用程序，通過串口與下位機(jī)即主控制器進(jìn)行通信。界面圖形如圖2所示。

本文實(shí)驗(yàn)中所用電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，上位機(jī)界面可實(shí)時(shí)顯示電機(jī)速度的波形圖，如圖3所示。

其中，黑線為電機(jī)速度設(shè)定值，灰線為速度實(shí)際值。開始時(shí)，通過上位機(jī)監(jiān)測界面將速度值設(shè)定為1 500 r/min;在t=48 s時(shí)，速度增加至2 000 r/min;在t=82 s時(shí)，速度降低至1 250 r/min。由圖3可知，系統(tǒng)開始工作后，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速上升至1 500 r/min，且無超調(diào)，t=2 s后，系統(tǒng)開始穩(wěn)定運(yùn)行，即調(diào)節(jié)時(shí)間為2 s。在速度增加或降低時(shí)，系統(tǒng)均能快速反應(yīng)并穩(wěn)定運(yùn)行。

4 ? ?結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的PMSM驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用了STM32F407ZET6做主控器，設(shè)計(jì)了相關(guān)的硬件模塊和軟件控制模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)伺服電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，且性能良好，具有一定的實(shí)用性和創(chuàng)新性。

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收稿日期：2020-07-27

作者簡介：吳璇（1992—），女，江蘇徐州人，碩士，助理講師，研究方向：智能控制。