永磁同步電機伺服驅動系統實驗平臺設計

沈震++張成德++劉巧棣

摘要：近些年來，交流伺服系統在工控、軍工、民用、醫療等領域的應用十分廣泛。對于永磁同步電機伺服系統，除了要求具有動態響應迅速、穩態運行可靠的特性外，還要求系統能夠實現準確定位和快速跟蹤。本文從硬件設計和軟件設計兩部分分析永磁同步電機伺服驅動系統的具體實現方案，結合永磁同步電機伺服驅動系統硬件實驗平臺開發了電機驅動系統測試軟件，并進行了電機驅動控制系統的調試實驗。

關鍵詞：永磁同步電機；DSP芯片；實驗驗證

中圖分類號：TM351 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0016-01

1 引言

近些年來，交流伺服系統在工控、軍工、民用、醫療等領域的應用十分廣泛。對于永磁同步電機伺服系統，除了要求具有動態響應迅速、穩態運行可靠的特性外，還要求系統能夠實現準確定位和快速跟蹤。本文結合永磁同步電機伺服驅動系統實驗平臺開發設計，將模糊控制和傳統PID控制相結合，使系統既具有模糊控制靈活而適應性強的優點，又具有PI控制精度高的特點。

2 實驗平臺硬件設計

永磁同步電機驅動控制系統實驗平臺硬件由驅動電源電壓的整流和逆變模塊、反饋信號（位置、電流）檢測模塊以及相應的硬件保護等模塊組成。本設計采用的DSP芯片為TI公司的TMS320F28335，這是一款浮點類型的處理器，主頻高能高效率運行負載控制算法，尤其是矢量控制算法以及高頻率電流環處理的采集運算，大量傳感器模擬和數字信號濾波計算等實時控制。

2.1 主電路

主電路是驅動系統能量轉換的通路，用來將電能直接轉化為驅動伺服電機轉動轉矩的機械能。采用交流直流交流方式將電能轉化的結構方式，對三相220V交流供電進行全橋不可控整流。逆變部分采用IPM智能功率模塊，將母線直流電轉化為交流電，其IPM內部集成了IGBT驅動電路，性能穩定，避免在外部搭建PWM驅動電路而造成的控制系統繁瑣，縮短了PWM信號在PCB板上的走線長度，避免了周邊電路帶來的干擾。在由DSP發出的SVPWM信號采用光耦隔離后由系統提供的驅動DC15V電源直接驅動IPM。根據系統功率要求，考慮了系統的布局和干擾條件，本設計采用了Agilentg公司生產的光耦HCPL3120，具有500ns的開關時間和15KV的絕緣耐壓等優良特點，在IGBT驅動中具有廣泛的應用，其性能滿足系統的要求。

2.2 控制電源電路

一般情況下，控制電源單獨工作時，其輸出電壓紋波大小均可以滿足控制系統要求，但控制電源帶上負載后，在電源輸出電壓上會疊加上較高的紋波電壓，如輸出紋波太大，會影響到控制電路和檢測電路工作的可靠性。因此，合理配置和設計穩定的開關電源對整個系統的實現至關重要。針對控制電源穩定性的需求，本設計采用了PI公司生產的三端離線PWM復合開關TOPSwitch以及光耦和基準源組成的反激式開關電源，輸入額定電壓為220V，經過反饋及鉗位電路分別得到5V，-5V及15V的控制電源。采用5V電源為控制基準反饋回路。

2.3 轉子位置、角速度檢測電路

電機轉子外側安裝有位置傳感器，通常選用正交式光電編碼器。其利用光電元件制作的精密光柵器件檢測光學信號，在經過換算和信號處理輸出具有ABI三種信號的正交編碼信號。輸出的信號能夠直接連接到DSP的碼盤檢測接口，DSP通過內置的接口采集到高速的盤脈沖信號進行處理，用于完成矢量控制和位置環的伺服控制。

2.4 電流檢測電路

矢量控制依賴于準確的電流采樣信號，其信號的波動干擾都會直接造成系統控制偏差和控制性能下降，直接影響整個電流環的控制以及系統的穩定。因此我們需要選用的霍爾電流傳感器應該滿足高采樣精度和低溫漂的要求。本設計選用了ALLegro公司生產的ACS712ELC系列的電流傳感器。該傳感器具有2.1 kVRMS電壓絕緣及低電阻電流導體的全集成、極穩定的輸出偏置電壓和近零的磁滯。同時在DSP中的12位轉換器模塊提供了高效的采集頻率對電流信號進行采集和反饋控制，可以滿足對系統的控制精度和穩定性的要求。

3 實驗平臺軟件設計

DSP作為系統軟件算法實現的載體，軟件實現的功能主要有：矢量控制算法、PID調節器算法、伺服驅動的電流環、速度環、位置環算法的實現，模糊控制器算法實現。本設計伺服電機數字控制系統軟件采用模塊化設計。

3.1 系統模塊

系統模塊是系統初始化的過程。主要包括兩個模塊：系統初始化和中斷配置。系統初始化主要包括：配置系統時鐘、IO接口初始化、通訊模塊的初始化、模擬量接口的初始化、在ROM中設置用戶參數與電機參數的配置。

3.2 電機控制模塊

電機控制模塊主要由DSP完成。其主要包括兩個部分：矢量控制模塊和SVPWM產生模塊。矢量控制算法是永磁同步電機伺服驅動控制的基礎，算法的實現需要實時對電流信號解耦運算，每個控制周期都有需要運算的程序，因此可以利用DSP對數字信號的高速處理的能力來解決大量運算的工作。

3.3 外部接口模塊

外部接口模塊實現對DSP內部控制算法和片外系統的信息交互接口。有控制算法需要的實時電機電流和碼盤位置信號和用于存儲信息的ROM之間的SCI通訊裝置接口?？刂破鬟\行狀態信息的反饋，包括通過IO接口采集進入DSP內部的數字量信號和驅動器散熱系統溫度信號的處理。

3.4 通訊模塊

通訊模塊是實現上位機和驅動器控制本身信息交互的功能。DSP集成了CAN2.0B的標準通訊協議，供用戶在此物理層的基礎上進行應用層協議的開發。應用該協議上位機能夠實現對一臺或多臺驅動器組成主從結構的網絡控制，其傳輸速度能滿足上位機對系統及網絡控制的實時性要求。

4 實驗驗證

矢量控制系統是一個復雜的閉環控制系統，其中包含有速度和電流兩個閉環結構，有多個PI調節器需要進行參數整合，因此一次性將整個系統搭建并調試的方案不具有可行性。電流環的參數主要取決于電機的電氣特性，因此要先進行電流環參數調整，當電流環穩定后在進行速度環和位置環調試。系統實驗位置曲線如圖1所示。

5 結語

本文通過分析交流永磁同步電機驅動控制系統硬件、軟件相關模塊的設計，構建了交流永磁同步電機伺服驅動控制系統。采用分級調試思想，調試了系統開環、電流環以及速度環，驗證了電機驅動系統的電流環與速度環驅動控制可行性；最后在實際作業環境下測試了位置環，驗證了模糊算法并給出了相關調試曲線，說明模糊自適應PID在位置環中的應用具有改善控制性能的作用，且驅動系統滿足系統控制精度要求。

參考文獻

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