基于DSP+FPGA的交流伺服驅動器設計

劉日寶，王愛祥

(南京電子技術研究所，江蘇南京210013)

0 引 言

隨著電力電子技術和現代控制理論的發展，以永磁同步電動機為執行元件的全數字交流伺服驅動系統，其性能已和直流伺服系統相當，而交流電機的環境適應能力和低維護成本則成為取代直流伺服的最大優勢。本文研究目的就是為現代雷達裝備提供一種高可靠性的交流伺服驅動裝置，取代傳統的直流伺服驅動系統，在滿足雷達對惡劣的環境適應性要求的同時，降低系統的維護成本。

1 交流伺服驅動器的控制策略分析

1.1 電流控制器設計

1.1.1 矢量控制

矢量控制是19世紀70年代前西德Blaschke等人提出來的［1］。采用固定于永磁同步電動機轉子的dq旋轉坐標系，如圖1所示。圖中αs為定子A相軸線，β為定子電流矢量is的空間相角，id和iq就是is在旋轉坐標系dq軸上的兩個分量，如果得到了id和iq，也就確定了定子電流矢量的相角和幅值，矢量控制就是通過對這兩個電流分量id和iq的控制來實現的。

圖1 永磁同步電動機空間矢量圖

1.1.2力矩電流比最大控制

基于矢量控制的永磁同步電動機電流控制方法主要有:(1)id=0控制;(2)力矩電流比最大控制;3)功率因數等于 1 的控制;(4)恒磁鏈控制［2－3］。功率因數等于1和恒磁鏈的電流控制方法［4］，其電動機輸出力矩都受到了限制，一般不考慮采用。

1.1.3 仿真計算

采用如圖1所示的dq旋轉坐標系，電機的轉矩公式可以表示［1］:

由上式可以看出，電機的輸出轉矩是定子電流is和定子電流空間相角β的雙元函數。

設電機永磁體磁鏈ψf=0.24 Wb，Ld=8 mH，Lq=9 mH，應用Matlab對轉矩進行計算仿真，得到如圖2所示的電機轉矩輸出圖。

由于電機的定子電流不能無限制增大，考慮電機本身的過載能力，一般不能超過額定電流的2～3倍，同時電流輸出還受逆變器容量和直軸去磁電流的限制。假設定子電流從25%額定值變化到200%，則永磁同步電動機的轉矩輸出如圖3所示。

圖2 永磁同步電動機的轉矩輸出圖

圖3 不同的定子電流時永磁同步電動機的輸出轉矩和轉矩角β的關系

1.1.4 電流控制器結構

為了實現轉矩的快速穩定地響應與發揮電機的最大輸出能力，本系統的電流環節最終采用PI調節結合力矩電流比最大控制方法。該電流控制器結構如圖4所示。

1.2 速度控制器設計

速度控制器的設計采用了Bang－Bang控制的PI調節器，控制器結構如圖5所示。該速度控制器一方面極大地改善了系統速度環節的動態性能，另一方面由于引入了轉速微分負反饋［3］，使得超調明顯地減小甚至消除了。

圖4 交流伺服系統的電流控制器

圖5 交流伺服系統的速度控制器

1.3 位置控制器設計

伺服系統的位置控制，追求的是快速性、準確性和無超調。一般我們將位置伺服系統定位過程劃分為加速、恒速、減速和低速趨近定位點四個階段。在加速、恒速和減速階段，位置控制器采用常系數比例調節器，最大限度地提升系統的快速性能。而最重要的是低速趨近定位點階段，由于該階段電機速度很低，無論對系統的定位時間，還是對系統的最終定位精度都有著重要的影響，此時若采用純比例調節器，顯然不能快速而無超調的定位，因此本文采用如圖6所示的變結構加速度控制器 VSAC［5－6］。即:

圖6 變結構加速度控制器

于是誤差的狀態方程:

取切換線:

2 交流伺服驅動器硬件設計

交流伺服驅動器的硬件主要由主控板和功放板組成，其硬件組成如圖7所示。

圖7 系統硬件框圖

2.1 主控板

主控板的核心為DSP、FPGA與RDC轉換電路。DSP采用的是TMS320LF2407A，該芯片是TI公司專門為電機控制設計的，它有著豐富的外設資源，指令周期最低可至25 ns，完全能夠滿足伺服控制的實時性要求。FPGA是Altera公司的EP1K50QI208－2，如圖7所示，它實現了RDC的解算與控制，并且采用并行數據總線，實時地將位置數據傳送給DSP，此外，ADC數據采集與處理、故障綜合與保護也由FPGA來實現。

2.2 功放板

功放板的核心為IPM和EPLD。IPM是三菱公司的第五代智能功率模塊PM75RLA060，該模塊集成度高，保護功能完善，采用該模塊能夠極大地提高驅動器的可靠性與維修性。EPLD采用的是Altera公司的EPM7064STI44－7，主要實現了驅動器的過熱、過流、過載等保護功能。

3 實驗結果

交流伺服系統的實驗平臺主要由電源、伺服驅動器、永磁同步電動機、減速機、轉矩測量儀、磁粉制動器和電流控制器組成，其結構如圖8所示。電機為一臺2.2 kW永磁同步電動機，主要參數:額定轉矩7 N·m，額定電流8 A，額定轉速3 000 r/min，額定電壓220 V，允許兩倍過載，減速箱變比為1∶2。應用此實驗平臺，進行了伺服驅動器的一系列實驗。

圖8 交流伺服系統實驗平臺

電流控制器的性能直接決定驅動器的力矩輸出能力，如圖8所示，當驅動器給定轉速等于600 r/min時，分別采用id=0和力矩電流比最大控制方法，得到波形圖如圖9和圖10所示。圖中上面的曲線為電機實際相電流，下面的曲線為速度。在電機的速度不下降的情況下，電機負載端通過磁粉制動器突然施加最大阻力，圖10采用力矩電流比最大控制方法，相比圖9采用id=0的電流控制方法，電機的實際電流要大，電機輸出的轉矩提升了將近7%。

在電機電流一定，并且限制在兩倍的額定值之內時，得到實際的電機空載電流和電機輸出力矩與轉矩角的數據，畫成曲線如圖11所示。由圖可以看出，電機輸出轉矩與轉矩角關系曲線與圖3的計算仿真曲線類似，同時電機的空載電流也隨著轉矩角的偏移，在力矩輸出最大點達到最小。

圖11 兩倍額定電流時轉矩輸出與轉矩角關系曲線

圖12和圖13分別是位置控制環節采用純P校正和變結構P校正的系統位置階躍響應波形，上面的曲線是速度，下面的曲線是位置。系統的速度環節采用了微分負反饋PI校正結合Bang－Bang控制，由圖可以看出，系統速度上升曲線平滑快速，基本無超調，無振蕩。圖13相比圖12的位置響應快速，而且無超調，無振蕩，證明該位置控制器有著良好的性能。

4 結 語

綜上所述，本文研制的基于DSP+FPGA的交流伺服驅動器，具有硬件結構緊湊、可靠性高的特點，而采用現代控制理論結合經典控制方法，充分發揮了靈活的軟件伺服能力，獲得了良好的驅動性能，能夠滿足雷達對伺服系統的一般要求，該驅動器目前已經實現了工程應用。

［1］ 王成元.矢量控制交流伺服驅動電動機［M］.北京:機械工業出版社，1995.

［2］ 李志民，張遇杰.同步電動機調速系統［M］.北京:機械工業出版社，1996.

［3］ 陳伯時.電力拖動自動控制系統［M］.北京:機械工業出版社，1991.

［4］ Morimoto S，Takeda Y，Hirasa T.Current phase control methods for permanent magnet synchronous motors［J］.IEEE Trans.on PE.1990，5(2):133 －139..

［5］ 姚瓊薈，黃繼起，吳漢松.變結構控制系統［M］.重慶:重慶大學出版社，1997.

［6］ Lai C，Shyu K.A novel motor drive design for incremental motion system via sliding － model control method［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，2005，52(2):499－507.