基于ＰＭＳＭ調速的高精度跟蹤系統設計研究

摘 要：從跟蹤系統定位的精確性、跟蹤的平穩性需求出發，結合交流伺服電機優良的控制性能，詳述了通過采用合理的ARM+FPGA芯片組控制策略以及完備的伺服控制芯片IRMCK201完成PMSM調速系統精確控制的方法。該控制策略的使用，提高了系統整體運動性能，實現了硬件資源的最大化利用。同時為交流伺服電機的容量選取方法提供了具有可操作性的參考資料。

關鍵詞：PMSM;IRMCK201;芯片組控制;電機容量;調速

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)09-054-03

Design Research of High Precision Tracking System Based on PMSM Speed Control

ZHAO Yong，HUANG Chen

(Air Defence Command College，Zhengzhou，450052，China)

Abstract：According to the accuracy orientation and smooth tracking character of track system，at the same time the excellent control capability of AC servo motor，the paper provides the method to control the PMSM system in highly-precision with Reasonable ARM+FPGA chip combination mode and high performance digital AC servo control IC IRMCK201.By this means，the movement capability of tracking system is improved efficiently，the hardware resource is used farthest.The paper also introduces the utility method about how to calculate servo motor capacitance exactly.

Keywords：PMSM;IRMCK201;chip combination control;servo motor capacitance;speed control

對于武器系統來講，目標跟蹤單元的優劣將直接影響到整個武器系統作戰效能的整體發揮。而目標跟蹤過程本身具有的特點又決定了跟蹤系統必須具備穩定的低速跟蹤能力、良好的過載能力以及快速的響應能力等特征。解決以上技術點非常關鍵的就是電機的選取和控制。在電機選擇上，由于交流伺服電機具備了極高的控制精度、穩定的低頻特性、優良的矩頻特性、較強的過載能力以及快速的響應能力，并且已經成為控制電機發展的主要趨勢，基于上述考慮，作者重點對永磁同步電動機在跟蹤系統的運用進行了深入研究。

交流伺服電機中，習慣上把由正弦波永磁同步電動機組成的調速系統稱為正弦型永磁同步電動機(PMSM)調速系統；而由梯形波(方波)永磁同步電動機組成的調速系統，在原理和控制方法上與直流電動機系統類似，稱這種系統為無刷直流電動機(BLDCM)調速系統。文章重點探討PMSM調速系統的精確控制技術。

1 PMSM調速基本原理

控制上，從PMSM理想條件出發，建立轉子軸(d，q軸)數學模型，在假設磁路不飽和，不計磁滯和渦流損耗影響，空間磁場呈正弦分布的條件下，當永磁同步電機轉子為圓筒形(Ld=Lq=L)，摩擦系數B＝0，得d、q坐標系上電磁轉矩方程為：



Tem=(3/2)Pn\\[Ψf*iq+(Ld-Lq) * id * iq\\][JY](1)



式中：id，iq為d，q軸電流；Ld，Lq為定子電感在d，q軸下的等效電感；Ψf為轉子勵磁磁場鏈過定子繞組的磁鏈；Pn為電機極對數。從轉子坐標來看，對于定子電流可以分為兩部分，即力矩電流iq和勵磁電流id。矢量控制中通常使id=0來保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉矩。此時，式(1)的電機轉矩表達式為:



Tem=(3/2)PnΨfiq[JY](2)



由式(2)看出，Pn及Ψf都是電機內部參數，其值恒定，為獲得恒定的力矩輸出，只要控制iq為定值?？芍?，iq的方向可以通過檢測轉子軸來確定，從而使永磁同步電機的矢量控制大大簡化。

矢量控制的PMSM位置伺服系統一般由電流環、速度環及位置環構成的三環調節系統，各環節性能的最優化是整個伺服系統高性能的基礎，而外環性能的發揮依賴于系統內環的優化。尤其是電流環，他是高性能PMSM位置伺服系統構成的根本，其動態響應特性直接關系到矢量控制策略的實現，也直接影響整個系統的動態性能。系統中必須有快速的電流環以保證定轉子電流對矢量控制指令的準確跟蹤，這樣才能在電機模型中將定轉子電壓方程略去，或僅用小慣性環節替代，達到矢量控制的目的。因而電流環的動態響應特性直接關系到矢量控制策略的實現，研究同步電動機矢量控制系統必須涉及到電流環的研究。 結合以上原理分析，作者在技術實現上依靠優良的控制器件和策略來保證高精度控制實現。

2 伺服電機容量計算

首先從電機本身入手，選擇合適的交流伺服電機顯然是驅動和控制的前提，在伺服電機選擇上，需要考慮的參數比較多，考慮的因素也相對較為復雜，需要考慮電機的工作模式、工作環境以及機械裝配形狀等。對于跟蹤系統來講，其基本模式如圖1所示。

圖1 跟蹤伺服系統基本運行模式

圖1所示跟蹤系統一個運行周期可以分劃為4個階段，分別為啟動過程(t1)、跟蹤過程(t2)、減速過程(t3)以及靜止過程(t4)。分析可知，跟蹤系統主要工作時間為跟蹤過程(t2)，此過程中，將出現頻繁的加速、減速階段，因此在電機選擇上，需要重點考慮額定輸出功率、額定轉矩、最大轉矩、轉動慣量等參數。圖2為交流伺服電機容量計算基本流程，首先根據機械特性，計算負載的慣性距和負載轉距，通過初步數據，暫時選定電機容量，然后根據系統基本技術指標，計算負載最快加速、減速時間，從而計算出加速、減速轉距，繪制相應的負載轉距特性曲線，從而計算出選定系統實際的轉距數據，然后用求取的轉距數據和額定轉矩(TR)比較，如果求取的轉距數據小于額定轉距數據，則可按指定的運行模式運轉，否則，調整初步參數重新進行計算，直到完成。

3 PMSM調速基本實現

3.1 控制系統基本組成

圖3為PMSM調速系統基本組成框圖，從圖中可以看出，系統主要圍繞著電流環、速度環及位置環構成的三環調節系統進行設計。設計上，選用了交流伺服專用芯片IRMCK201，基于該芯片優良的性能，在基本不需要編程的情況下，可以完成系統的電流環、速度環控制，并且可以產生控制伺服電機的SVPWM驅動信號。同時作為運動控制芯片，IRMCK201在硬件上具備了伺服控制所必需的控制單元，如帶死區時間設置的空間矢量PWM、PARK變換和CLARK變換、電流環PI調節器、速度環PI調節器、速度測量單元等，這樣就很大程度上簡化了復雜的設計過程，通過該芯片的使用，極大程度上縮短了項目開發周期。在主控芯片上，系統采用了ARM+FPGA構成的芯片組，由ARM完成IRMCK201的初始化以及外圍數據總線和數據交互處理，由FPGA芯片完成系統位置環控制算法的實現。

圖2 伺服電機容量計算流程

圖3 PMSM調速系統基本組成框圖

[BT3-*3]3.2 主控芯片組設計

系統設計時，考慮到基于SRAM LUT結構的FPGA器件的上電配置問題和采用FPGA實現CAN總線以及外圍設備的通信控制問題。項目組采用了組合配置的方式，即采用芯片組控制技術，芯片組包括了ARM芯片和FPGA芯片，通過ARM芯片可以較為簡單地實現CAN總線以及外圍設備的通信控制問題，通過FPGA芯片可以解決系統位置環控制算法的實現，同時基于ARM芯片的FLASH存儲區可以實現SRAMLUT結構的FPGA器件的動態配置，實現芯片技術互補。

在芯片選擇上，ARM芯片選擇了LPC2294芯片，FPGA芯片選擇了FLEX10K芯片。采用PS(被動串行)配置方式。基本工作過程：當nCONFIG產生下降沿脈沖時啟動配置過程，在DCLK上升沿，將數據移入目標芯片。配置后， DCLK通過延長十個周期的時鐘，確保目標芯片被正確初始化，進入用戶工作模式。配置文件的大小一般由后綴為rbf 的二進制文件決定。文件的生成方法為：在Max+PlusⅡ編譯狀態，選擇文件菜單的變換SRAM目標文件命令；然后在變換SRAM目標文件對話框，指定要轉換的文件并且選擇輸出文件格式為.rbf(Sequential)，然后確定。在電路設計上，考慮到系統控制程序更新和升級的需要，我們充分利用了ARM芯片的ISP功能，即利用PC機通過LPC2294的UART0對ARM芯片進行程序實時更新，以實現系統整體控制的有效更新，進一步增加了系統的配制靈活性?；九渲秒娐啡鐖D4所示。

圖4 芯片組配置電路連線關系圖

3.3 高精度跟蹤閉環控制實現

系統設計上，在保證高精度跟蹤設計上，重點圍繞電流環、速度環及位置環構成的三環調節系統進行設計，通過采用IRMCK201芯片內部硬件電路完成，以完成對功率模塊的開關控制，同時通過A/D接口對母線電壓進行監測，以實現過壓保護功能。系統采用6000 PPR的增量式光電碼盤和霍爾傳感器測量電機位置和速度信號，采用IR2175電流傳感器對相電流采樣，由于IRMCK201提供了IR2175接口，所以采樣的電流信號可直接送到IRMCK201作為控制部分的電流反饋。為了增加系統的抗干擾性，本系統采用高速光耦將系統的控制部分和功率部分進行隔離。

控制過程中，對于電流環，由電流傳感器IR2175采樣電機V相和W相繞組電流，經過IRMCK201內部計算可以得到U相電流，與V相和W相電流一起組成三相電流，通過Park變換與矢量旋轉被分解為產生磁通的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量，這兩個直流量具有獨立的比例積分調節器，依靠各自獨立的比例積分調節器，系統可以實現對電流環的良好控制；對于速度環，通過

配置相關寄存器使能速度閉環控制。由光電編碼信號通過IRMCK201內部測速單元得到速度反饋，他與速度給定值相互比較產生速度偏差。這個偏差經過速度PI調節器產生一個對應的轉矩電流Iq，當采用Id=0控制時，Id，Iq即是內部電流環的給定值，他們與實際反饋電流比較產生電流偏差，電流偏差經過電流環PI調節以后產生輸出電壓Ｕs-q和Ｕs-d，在旋轉坐標系d，q下，電壓Ｕs-q和Ｕs-d被反變換成靜止坐標系下的電壓分量，然后經過空間矢量PWM計算后給逆變器的功率模塊發出合適的開關信號，控制功率模塊開關工作，完成速度閉環；而位置環則依靠FPGA優良的控制性能和控制算法得以保證。通過以上三環的整體配合，很好地保證了高精度系統控制。

圖5 電流采集電路圖

4 結 語

實踐證明，在交流伺服電機控制上，采用優良的伺服控制芯片IRMCK201芯片，同時配合系統中運用的芯片組控制技術，可以很好地提高系統控制性能，極大縮短系統開發時間，在系統跟蹤的精確性和低速控制的穩定性上都能夠取得很好的效果。

參 考 文 獻

［1］郭慶鼎.現代永磁電動機交流伺服系統［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［2］宋書中.交流調速系統［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［3］周立功.ARM嵌入式系統設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2004.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。