新型控制電機伺服驅(qū)動器的設計

柳佳彬，丁煥迪，潘道品，何關(guān)富

（溫州大學 物理與電子信息工程學院，浙江 溫州 325027）

新型控制電機伺服驅(qū)動器的設計

柳佳彬，丁煥迪，潘道品，何關(guān)富

（溫州大學 物理與電子信息工程學院，浙江 溫州 325027）

提出了一種新型控制電機的伺服驅(qū)動器系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的軟硬件設計與實現(xiàn)方案。選用TMS320F2812數(shù)字信號處理器為核心控制電路，采用智能功率模塊構(gòu)成主電路，實驗測試負載變換時驅(qū)動器的電流和電動機轉(zhuǎn)速變化。結(jié)果表明電路控制結(jié)構(gòu)簡單、合理，使其具有良好的動態(tài)響應和抗干擾性。

永磁同步電機；伺服驅(qū)動器；主電路；控制電路；采樣調(diào)理電路

（伴隨微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字式控制微芯片的可靠性和運算處理速度得到巨大提升，從而為全數(shù)字化控制［1］取代傳統(tǒng)的模擬電路控制作好鋪墊。對于高性能電機控制［2，3］器來說，鑒于其結(jié)構(gòu)復雜，對電機運行工況實時調(diào)整和數(shù)據(jù)運算要求極高，故需要采用數(shù)字信號處理器和微機協(xié)調(diào)處理的方案來實現(xiàn)繁雜的控制規(guī)則，同時也能對整個控制電路起到故障檢測、診斷和保護的作用。采用DSP控制［4］還可以同時通過微機在線仿真對控制系統(tǒng)進行調(diào)試，TI公司專門為此推出了專門用于DSP程序設計的高度集成化開發(fā)環(huán)境CCS軟件，人們可以通過該軟件對控制結(jié)構(gòu)、參數(shù)甚至控制方式加以修改，直到達到理想的控制效果為止。這樣就可以有效避免出現(xiàn)直接控制時可能發(fā)生控制事故的情況，同時提高調(diào)試效率。

1 永磁同步電機的原理和數(shù)學模型

永磁同步電機（PMSM）的轉(zhuǎn)子部分采用性能良好的永磁體材料，當對稱的三相正弦波交流電注入嵌入定子中的三相繞組時，就會在氣隙中生成旋轉(zhuǎn)磁場，兩個磁場互相作用便帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。圖1為簡化后的PMSM物理模型，定子三相對稱繞組A相、B相、C相。永磁同步電機其電壓矢量和磁鏈表示如下：

圖1 三相交流永磁同步電機的物理模型Fig.1 Physical model of three phase AC permanent magnet synchronous motor

式（1）和（2）中Us、Is分別代表定子的電壓和電流矢量，Ls、Rs分別代表定子的電感和電阻，ψr、ψs分別代表轉(zhuǎn)子、定子的磁鏈矢量。每相繞組的電壓方程：

矩陣中，iA和uA，iB和 uB，iC和uC分別為 A相、B相、C相繞組的電流和端電壓，p是微分算子d/dt。

等功率變換下PMSM的電磁轉(zhuǎn)矩方程:

其中，np為電機極對數(shù)。

2 伺服控制器的電路結(jié)構(gòu)

基于DSP全數(shù)字化電機控制器的主控芯片型號為TMS320F2812，整個控制器主要由如下部分組成：IPM驅(qū)動單元、電壓電流檢測和調(diào)節(jié)單元、DSP核心電路控制單元、DSP和通信接口單元、工作電源選擇電路和故障檢測單元等。圖2 為PMSM伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)框圖［7-8］，DSP控制芯片作為主控芯片執(zhí)行電機控制過程中的復雜算法并且擔負著與上位機信息通信的任務，有著完善的故障檢測和處理機制。

圖2 基于DSP的PMSM伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 PMSM servo driver based on the block diagram of the DSP

硬件電路的設計以實用性和可靠性為主要目標。主要遵循如下基本原則：1）具有良好的可靠性。2）能夠符合大多數(shù)用戶的需求，使用戶在使用的過程中安裝簡單，調(diào)試方便，運行順利，且后期的維護簡單。3）在保證系統(tǒng)各功能都能夠正常運行且性能良好的情況下，降低制作成本和生成周期。在滿足以上原則的基礎上，設計的電路實物分別如下所示。圖3 是DSP控制板基本電路實物圖，圖4是IPM功率電路實物圖，圖5是電流采樣調(diào)理電路實物圖。

圖3 DSP控制板基本電路實物圖Fig.3 DSP circuit control board

最初對硬件電路進行設計時，先要解決的一個難題是電磁兼容性。如果在進行實驗的過程中才注意這一項，再去解決就要用很長的時間，技術(shù)上也會更復雜，甚至要重新對整個系統(tǒng)進行規(guī)劃制作。電磁兼容涵蓋了兩大問題：放射性和抗干擾性。本文設計的系統(tǒng)中解決的方法是增加隔離。在電網(wǎng)和整流器之間采用兩級變壓器，并在變壓器的初級繞組和次級繞組上覆銅來形成一層屏蔽，從供電電源源頭減少電磁干擾和放射性的問題。對于I/O通道上的干擾則采用雙絞線和光電隔離來解決。

圖4 IPM功率電路實物圖Fig.4 IPM power circuit physical map

圖5 電流采樣調(diào)理電路實物圖Fig.5 Current sampling conditioning circuit physical map

3 伺服驅(qū)動器控制原理

本文所涉及的驅(qū)動器能夠在多種控制方式下進行參數(shù)的修改。驅(qū)動器控制的整個過程都通過軟件來完成，分別對電流、速度和位置采用閉環(huán)控制策略。改善了驅(qū)動器的魯棒性，提高了系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)能力。該驅(qū)動器可以用在不同參數(shù)要求的永磁同步電機中，也可以滿足具有高響應度和高精密度要求的控制系統(tǒng)中，例如：數(shù)控機床、印刷機械、包裝機械、造紙機械、紡織機械、工業(yè)機器人、自動化生產(chǎn)線等。其具備多種控制方式：

1）位置控制：根據(jù)DSP的指令使電機能夠準確的定位。

2）外部輸入模擬量速度控制：按照外部的模擬指令對驅(qū)動器的參數(shù)進行設定來控制電機的轉(zhuǎn)速。包括電機的轉(zhuǎn)動的速度和方向。

3）外部輸入模擬量轉(zhuǎn)矩控制：按照外部模擬指令對驅(qū)動器的各項參數(shù)進行設定來控制電機轉(zhuǎn)矩

4）內(nèi)部速度控制：按照輸入信號“內(nèi)部速度選擇1、2”的狀態(tài)，在四種速度模式下進行切換。

5）手動控制：直接根據(jù)鍵盤輸入來手動地改變電機轉(zhuǎn)速。

驅(qū)動器的控制全部由軟件來實現(xiàn)。軟件部分主要包括3個方面。第一個方面是主程序，主要完成系統(tǒng)的初始設置。如電機參數(shù)的初始設置，對模塊的初始設置，對模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的初始設置等。第二個方面是中斷響應程序。如當PWM生成器產(chǎn)生PWM波時需要進行的PWM中斷響應程序。第三個方面是故障中斷響應。一旦系統(tǒng)發(fā)生過溫、過壓或者其他故障就會觸發(fā)故障中斷響應程序，保證系統(tǒng)的正常工作。具體流程如圖6所示。

圖6 PMSM控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig.6 The main program flow chart of PMSM control systems

4 實驗結(jié)果與分析

設計的伺服驅(qū)動器的控制對象是一個永磁同步伺服電機，參數(shù)為:額定電壓220 V，額定電流2.8A，電樞電感6.5 mh，定子電阻2.5 Ω，額定轉(zhuǎn)速3 000 rpm，極對數(shù)4，額定功率350 W，轉(zhuǎn)矩系數(shù)0.6 N·m/A，額定轉(zhuǎn)矩1.28 N·m，轉(zhuǎn)動慣量0.3×10-4kg·m，編碼器線數(shù)2500線。以150rad/s運行，在0.5 s時負載轉(zhuǎn)矩加倍，實驗測量的定子電流波形如圖7所示，電機轉(zhuǎn)速波形如圖8所示。在0.5出對系統(tǒng)增加負載后，相對于增加了個干擾，轉(zhuǎn)速有稍許的波動，但隨后極短的時間便又達到穩(wěn)定的狀態(tài)。實驗結(jié)果表明采用全數(shù)字化新型電機驅(qū)動器后系統(tǒng)的具有較好的魯棒性和抗干擾性能。

圖7 定子三相電流波形Fig.7 The stator phase current waveform

5 結(jié) 論

本文分析了永磁同步電機的原理，在其數(shù)學模型的基礎上，搭建了以TMS320F2812為主控芯片的DSP電機伺服驅(qū)動器。以全數(shù)字化控制取代傳統(tǒng)的模擬電路控制，通過軟件來實現(xiàn)電流、位置和速度的閉環(huán)控制，簡化了控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，且在實驗過程中電機運行正常，抗干擾性能得到顯著提高。同時通過實驗也進一步驗證了使用該新型控制電機伺服驅(qū)動器，可以有效避免出現(xiàn)直接控制時可能發(fā)生控制事故的情況，同時提高調(diào)試效率。

圖8 電機轉(zhuǎn)速波形Fig.8 Motor speed waveform

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［6］王大江.基于SVPWM控制策略的PMSM驅(qū)動系統(tǒng)［J］.北京信息科技大學學報，2014，29（5）:77-80.

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Design of digital servo drive motor control

LIU Jia-bin，DING Huan-di，PAN Dao-pin，HE Guan-fu
（Wenzhou university，Academy of Physics and Telecommunication Engineering，wenzhou 325027，China）

A new type of servo drive system of controling motor is presentted，and the implementation of hardware and software design of the system is given.By using TMS320F2812 digital signal processor as the core control circuit，intelligent power module of the main circuit，test loadtransform drive current and motor speed change device.The results show that the circuit has a simple control structure and reasonable，which has the dynamic response and good resistance.

permanent magnet synchronous motor；servo driver；the main circuit；control circuit；sampling circuit

TN7

A

1674－6236（2016）04-0128-03

2015-03-30 稿件編號：201503455

溫州大學大學生科研課題（186）

柳佳彬（1993—），男，浙江寧波人。研究方向：電氣工程及其自動化。