全數字交流伺服電機控制器的研究與開發

田 蒼

(黑龍江民族職業學院，哈爾濱 150066)

?

全數字交流伺服電機控制器的研究與開發

田 蒼

(黑龍江民族職業學院，哈爾濱 150066)

基于DSP永磁同步電動機的伺服系統的設計過程，在伺服控制領域內，往往需要被控對象能夠實現高精度位置控制，然而要實現精確位置控制的一個基本條件是需要有高精度的執行機構，稀土永磁體的永磁同步電動機就滿足其要求。交流永磁同步電動機即PMSM以其運行效率高、轉矩脈動小，控制簡單等特點，近年來已經逐步成為交流伺服系統的主流執行機構。

全數字;伺服；DSP

1 課題研究意義

交流電動機特別是異步電動機具有結構簡單，體積小，重量輕，價格便宜，運行可靠，維護方便，使用環境局限性小等優點，在生產和生活中得到廣泛的應用。隨著計算機的產生和新型快速的電力電子原件的出現使得交流異步電機的調速成為可能，帶有實時信號處理器的電機控制器件如DSP和集成度很高的智能功率模塊IPM的出現，更使得由變頻器供電的交流電動機控制系統獲得越來越廣泛的應用。新興的空間矢量PWM(SVPWM)技術，先進的智能功率模塊(IPM)，加上具有高性能運行速度的DSP，進一步擴大了變頻調速系統的應用范圍。

系統以TMS320LF2407A為中央處理器設計控制電路，運用空間電壓矢量脈寬調制(SVPWM)技術實現電壓源型逆變器驅動電路設計。

2 國內外伺服驅動發展狀況

目前國外的永磁交流伺服電動機發展很成熟，生產商如日本安川電機公司、三菱公司、美國Gettys公司、德國西門子公司Kollmorgen公司等。其中美國Kollmorgen公司ID(Industrial Drives)工業驅動部分的Goldline系列代表了當代永磁交流伺服技術的最新水平。國外最新推出的高性能交流伺服系統幾乎全都實現了數字化，近年來外國公司紛紛推出各自的數字接口協議和標準，如日本發那科公司推出串行伺服總線(FSSB)，德國西門子公司推出Profibus-DP總線，日本三菱推出CC-link總線，德國力施樂推出SERCOS總線。

全數字化已經延伸到測量單元接口的數字化。德國HEIDENHAIN將各種類型的編碼器，如絕對、增量式和正余弦編碼器的細分功能，都統一到EnDae2.2編碼器連接協議中。細分過程在編碼器內部完成，再通過數字接口和伺服驅動連接起來，這才是真正的全數字化。

國內伺服電機及其全數字伺服驅動器基本上是自主開發，已形成商品化和批量生成能力。一些院校和研究所的永磁同步電動機多為特殊設計，應用于航天、國防等特殊場合的特種電動機。華中科技大學是我國自主創新的伺服驅動技術的發源地之一，開發了基于DSP的全數字交流伺服驅動裝置(HSV-16/18/20)并投入大批量生產。北京航天數控公司生產的DSCU系列全數字伺服控制單元和DSSU系列全數字主軸控制單元、北京凱奇數控設備有限公司生產的全數字伺服控制單元和全數字主軸控制單元及電機也已經得到了大規模應用。北京時光科技公司自主研發的全數字化交流伺服控制技術采用32位微處理器為基礎的系統級芯片和智能化功率器件，成功實現了對三相交流異步電機(鼠籠式電動機)的高精度伺服控制。從2003年開始，我國的經濟型數控系統從配用步進驅動裝置，開始大規模改用伺服驅動裝置。

隨著控制理論、電力電子技術、微電子技術的近一步發展，交流伺服系統會日趨成熟。

3 軟件程序

3.1 軟件開發環境

TI公司為DSP的開發提供了功能齊全的集成編譯環境CCS(Code Composer Studio)，即可以用匯編語言編程，也可以C語言來編程，也可以匯編語言和C語言混合編程。通過它開發人員可以充分應用DSP的強大功能。

在本設計中采用C語言和匯編語言混合編程的方法，利用CCS2000集成開發環境以及仿真器進行程序調試。程序結構清晰簡單，易于調試。

3.2 電流采樣子程序

TMS320F2812的ADC模塊共有16個輸入通道，12位ADC核，內含采用/保持電路，模擬輸入范圍0～3V。本系統的電流采樣就是利用DSP本身的ADC模塊。用一個定時器事件啟動A/D轉換，完成電流的采樣。在檢測中，霍爾電流傳感器只得到兩相電流值和，將該電流值送入ADC模塊的兩路輸入ADCINA0和ADCINA1端口，經過轉換成為12位的數字量，范圍是0--4095，輸入模擬電壓和采樣結果的關系為：數字結果=4095*(輸入模擬電壓-ADCLO)/3，其中ADCLO為模擬輸入的公共地，接到模擬地。電流檢測子程序:

void interrupt ad_int1()

{

unsigned int ia0,ib0;

ia0= AdcRegs.ADCRESULT0;

ib0= AdcRegs.ADCRESULT1;

ad flag=1;

AdcRegs.ADCTRL2.all= AdcRegs.ADCTRL2.all|0X4200;

asm(" clrc intm ");

}

3.3 速度檢測

下面給出 M法測速子程序，程序中用到的資源有EVA的定時器和，以及捕獲單元CAP3。

interrupt void adc_isr(void)

{

T2k=EvaRegs.T2CNT;

DT2=T2k-T2k_1;

T2k_1=T2k;

SPEED=6000L*DT2;

T2abs=T2k-Zero_k

}

3.4 位置給定計算子程序

3.4.1 位置計算子程序

void pos_calc(POS_Handle p)

{

unsigned long m10,m20;

p->r_p=(unsigned long)p->rp*N_R;

p->r_v=(int)p->rv*N_TP;

p->r_a=(unsigned int)(unsigned long)((unsigned)p->ra*N_TP*N_TP);

r_pos=p->r_p;

r_spd=p->r_v;

r_acc=p->r_a;

if(p->r_v<0) r_spd_absolute=-p->r_v;

elser_spd_absolute=p->r_v;

m10=(unsignedlong)(((unsignedlong)r_spd_absolute<<12)/r_acc);

m20=(unsigned long)((unsigned long)r_pos/r_spd_absolute);

if(m20<=m10)//速度曲線為三角形

{

P>t1=(unsignedlong)qsqrt((unsignedlong)(((unsignedlong)r_pos/r_acc)<<12));

p->t2=0;

p->t3=p->t1;

}

else //速度曲線為梯形

{

p->t1=m10;

p->t2=m20-m10;

p->t3=p->t1;

}

m1=(unsigned long)p->t1;

m2=(unsigned long)p->t2;

m3=(unsigned long)p->t3;

}

3.4.2 位置調節子程序

位置參考值以脈沖形式給定，實際反饋的位置是相鄰兩個采樣周期內脈沖數增量的累積值。位置調節采用經典的比例調節算法，可以對偏差瞬間作出快速反應。比例系數越大，控制作用越強，但過大的比例系數會導致系統振蕩，破壞系統的穩定性,同時，要對輸出值進行限幅處理。調節子程序如下：

void ppi()

{

int ek_pos;

//第k次采樣偏差值int un_pos;

if(r_spd<0)pos_ref=-pos_ref_absolute;

else pos_ref=pos_ref_absolute;

ek_pos=(int)((long)(pos_ref-position));

//位置偏差，un_pos=(int)(((long)Kp_pos*(ek_pos-ek_pos0))>>12);

pos_out=(int)(((long)Kspeed*un_pos)>>8);

N_REF=N_REF0+pos_out;

if(N_REF

else if(N_REF>max_pos) N_REF=max_pos;

ek_pos0=ek_pos;

//更新N_REF0=N_REF; Np=Np+1;

}

3.5 速度調節子程序

3.5.1 速度調節子程序

void spi()

{

int ek_spd;

int un_spd;

int el_spd;

ek_spd=N_REF-n_fdb;

un_spd=xi_spd+(int)((long)Kp_spd*ek_spd);

if(un_spd>max_spd) spd_out=max_spd;

else if(un_spd

else spd_out=un_spd;

el_spd=spd_out-un_spd;

xi_spd=xi_spd+(int)((long)Ki_spd*ek_spd)+(int)(((long)Kc_spd*el_spd);

}

3.6 SVPWM程序流程圖(圖1)

圖1 SVPWM程序流程

在程序中特別注意的是死區時間的設置，本系統死區時間為4.3。

3.6.1 SVPWM實現子程序

void sv_pwm( )

{

int anticlk[6]={0x1666,0x3666,0x2666,0x6666,0x4666,0x5666};

int x,y,z;

unsigned int a,b,c;

unsigned int t1,tm;

unsignedintt1_q0,tm_q0;

unsignedinttaon,tbon,tcon;x=ubeta;

y=(int)(((long)28377*ualfa)>>15)+(int)(((long)16384*ubeta)>>15);

z=-(int)(((long)28377*ualfa)>>15)+(int)(((long)16384*ubeta)>>15);

if(x>=0) a=1;

else a=0;

if(-z>=0) b=1;

else b=0;

if(-y>=0) c=1;

else c=0;

p->sector=4*c+2*b+a;

switch(p->sector)

{

case 1: t1=(unsigned)(((unsigned long)z*32768)>>15), tm=(unsigned)(((unsigned long)y*32768)>>15);

break;

case 2: t1=(unsigned)(((unsigned long)y*32768)>>15), tm=(unsigned)(((unsigned long)-x*32768)>>15);

break;case3:t1=(unsigned)(((unsignedlong)-z*32768)>>15),tm=(unsigned)(((unsigned long)x*32768)>>15);

break;

case4:t1=(unsigned)(((unsignedlong)-x*32768)>>15),tm=(unsigned)(((unsignedlong)z*32768)>>15);

break;

case5:t1=(unsigned)(((unsignedlong)x*32768)>>15),tm=(unsigned)(((unsigned long)-y*32768)>>15);

break;

case6:t1=(unsigned)(((unsignedlong)-y*32768)>>15),tm=(unsigned)(((unsignedlong)-z*32768)>>15);

break;

default:break;

}

EvaRegs.ACTRB.all=anticlk[p->sector-1];

//重新裝配ACTRBt1_q0=(unsigned)(((unsigned long)t1*TP)>>12);

tm_q0=(unsigned)(((unsigned long)tm*TP)>>12);

f(t1_q0+tm_q0>TP)

{

t1_q0=(unsigned)(((unsignedlong)t1_q0*TP)/(t1_q0+tm_q0));

tm_q0=(unsigned)(((unsignedlong)tm_q0*TP)/(t1_q0+tm_q0));

}

taon=(unsigned)((TP-t1_q0-tm_q0)/2);

tbon=taon+t1_q0;tcon=tbon+tm_q0;

switch(p->sector)

{

case 1: p->tcm1=tbon, p->tcm2=taon, p->tcm3=tcon;

break;

case 2: p->tcm1=taon, p->tcm2=tcon, p->tcm3=tbon;

break;

case 3: p->tcm1=taon, p->tcm2=tbon, p->tcm3=tcon;

break;

case 4: p->tcm1=tcon, p->tcm2=tbon, p->tcm3=taon;

break;

case 5: p->tcm1=tcon, p->tcm2=taon, p->tcm3=tbon;

break;

case 6: p->tcm1=tbon, p->tcm2=tcon, p->tcm3=taon;

break;

default:break;

}

4 總結

永磁同步電動機伺服系統在性能和結構設計上有其獨特之處，以永磁同步電機為執行單元的交流伺服系統逐漸地成為伺服系統發展的主流。本文基于以上的背景，對數字永磁同步電動機伺服驅動控系統作了以下幾個方面的研究工作:

(l)通過討論永磁同步電動機的數學模型和矢量控制策略，確定了以轉子磁場定向的矢量控制方案，并確定通過空間矢量脈寬調制(SVPWM)提高電機快速響應性和電壓利用。

(2)對轉子磁鏈定向矢量控制、空間矢量PWM波形的產生、電流回路和速度回路的調節等控制方法進行了MATLAB仿真研究。

(3)進行了以TMS320LF2407為控制核心的整套永磁同步電機伺服系統的硬件設計,對系統主回路、檢測、保護、驅動電路給出了具體設計方案。

(4)在CCS集成開發環境中完成了永磁同步電機伺服系統的軟件設計,詳細介紹了系統軟件設計的原理及實現，包括DSP初始化，PWM中斷服務程序，并給出相應程序流程圖。

5 展望

高性能永磁同步電機伺服控制系統是一個多學科交叉的研究領域。為了進一步提高永磁同步電機伺服系統的性能，應從以下幾個方面陸續進行深入研究，比如：采用直接轉矩控制控制策略、采用模糊控制技術，人工神經網技術、采用絕對值的編碼器等等，這些需要在以后的工作中進一步地完善。由于本文作者時間精力與知識水平有限，論文中難免存在一些不足之處，需要做進一步的研究與改進。

[1]吳宏，蔣仕龍．運動控制器的現狀與發展[J]．Annual 2003 of CMES

[2]胡崇岳．現代交流調速技術[M]．北京：機械工業出版社，2000.

[3]舒志兵．交流伺服運動控制系統[M]．北京：清華大學出版社，2006.3.

[4]黃廉杏．基于TMS320LF2407交流伺服系統的研究[D].成都：西南交通大學，2005.

[5]陳桂桂．永磁同步電機伺服驅動控制器的研制[D]．廣東：廣東工業大學，2008(5)Texas Instruments．TMS320LF2407 DSP Controllers Reference Guide CPU

[6]沈杰．基于DSP的永磁同步電機伺服控制系統的研究[D]．合肥：合肥工業大學，2007.

[7]王兆安．電力電子技術．第四版．北京：機械工業出版社，2000.

[8]孫業樹．基于DSP的永磁同步電機交流伺服控制[D]．江蘇：江蘇大學，2003.

[9]陳伯時．電力拖動自動控制系統-運動控制系統．第三版．北京：機械工業出版社，2003.

[10]龔云飛．交流永磁電機伺服系統的仿真及實現[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[11]李永東．交流電機數字控制系統[M]．北京：機械工業出版社，2002.

[12]黃杰．基于DSP的交流伺服控制系統的研究[D]．北京：北京交通大學，2008.

[13]蘇彥民，李宏．交流調速系統的控制策略[M]．北京：機械工業出版社，1998.

[14]Heinz Willi Van Der Broeck，etc．Analysis and Realization of a Pulse-width Modulator Based on Voltage Space Vectors[J]．IEEE Trans．On Industrial Application，1988，24(1)：142-150.

[15]魏克新．MATLAB語言．與自動控制系統設計．北京：機械工業出版社，1997.8.

[16]范影樂．MATLAB仿真應用詳解[M]．北京：人民郵電出版社．2002，257-295。

[17]呂健．基于DSP的全數字永磁同步電機伺服系統研究[D]．廣東：廣東工業大學，2008.

[18]Texas Instruments．TMS320C2X/C2XX/C5X Optimizing C Compiler User’s Guide 2004.

http://www.poweripm.com/js158.htm.

[19]萬山明．TMS320F281XDSP原理及應用實例[M]．北京：北京航空航天大學出版社.

[20]冬雷．DSP原理及電機控制系統應用[M]．北京：北京航空航天大學出版社 ，2007.

[21]王潞鋼，陳林康，曾岳南等．DSP C2000 程序員高手進階[M]．北京：機械工業出版社，2005.

[22]劉和平，王維俊，江渝，鄧力等．TMS320LF240x DSP C語言開發應用．北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[23]王曉明，王玲．電動機的DSP控制[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[24]Texas Instruments．TMS320LF2407 DSP Controllers Reference Guide Peripheral Library and Specific Devices．2004.

[25]韓安太，劉峙飛，黃海．DSP控制器原理及其在運動控制系統中的應用[M]．北京：清華大學出版社，2003.

[26]Hyung-Tae Moon， Hyun-Soo Kim，and Myung-Joong Youn．A Discrete-time Predictive Current Control for PMSM[J]．Proc of IEEE on Power Electronics，2003.2：464-472.

[27]Yu Z Y．Space-Vector PWM with TMS320C24x Using H/W&S/W Determined Switching Patterns[ Z]．Texas Instruments Literature，1999，NO．SPRA52(http://focus.ti.com/docs/apps/catalog/resources/)

[28]張燕賓．SPWM變頻調速應用技術[M]．北京：機械工業出版社，2002.

[29]Bimal K. Bose．Moder Power Electronics and AC Drivers．Prentice Hall，2002：1-27.

[30]熊健，張凱．空間矢量脈寬調制的調制波分析[J]．電氣自動化，2002(3).

[31]Texas Instruments．Implementation of A Speed Field Oriented Control of 3-phase PMSM Motor using TMS320F240．Application Repor，SPRA588，1999：645-655.

[32]王兆安，陳橋梁．集成化是電力電子技術的發展趨勢[J]．交流技術與電力牽引，2006.

[33]Naomistu Urasaki．On-time Dead-Time Compensation Method for Voltage Source Inverter fed Motor Drives[J]．Confrence record of IEEE-APEC，2004：122-127.

[34]王俊柳，王敏，王穎．基于MATLAB的異步電動機仿真實驗平臺[J] ．計算機仿真，2002.

[35]Ortega R, Barabanov N, Valderrama G E . Direct Torque control Induction Motors：Stability Analysis and Performance Improvement, IEEE-AC，2001,46(8)：1209-1222.

[36]Jawad Faiz, M. B. B. Sharifian. Comparison of different switching patterns in direct torque control technique of induction motors[D]. Electric Power Systems Research, 2001, 60(3)：63-75.

[37]Pavlov A, Zaremba A . Direct torque and flux regulation in senorless control an induction motor[C]. Proceedings of the American Control Conference,Arlington,VA,2001：137-142.

[38]永磁同步電機伺服驅動器控制電路及算法[J]. 煤礦機電,2009,5.

[39]許大中,賀益康.電機控制[M]. 浙江：浙江大學出版社. 2002：197-212.

[40]謝寶昌,任永德. 電機的DSP控制技術及其應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社.2005.212-229.

[41]基于TMS320F2812的數字交流伺服驅動器的設計[J]. 機床與液壓,2009,9.

[責任編輯 李順子]

小知識·學術論文的七個要點之一·選題

選題是學術論文關鍵的第一步，直接關系論文的質量。常言道：“題好文一半”。對于作者來說，選擇論文題目要注意以下幾點：一要結合學習與工作實際，根據自己所熟悉的專業和研究興趣，適當選擇有理論和實踐意義的課題；二要論文選題宜小不宜大，只要在學術的某一領域或某一點上，有自己的一得之見，或成功的經驗或失敗的教訓，或新的觀點和認識，言之有物，讀之有益，就可以作為選題；三要論文選題時要查看文獻資料，既可了解別人對這個問題的研究達到什么程度，也可以借鑒人家對這個問題的研究成果。

需要指出的是，學術論文選題與論文的標題既有關系又不是一回事。標題是在選題基礎上擬定的，是選題的高度概括，但選題及不應受標題的限制，有時在過程中，選題未變，標題卻幾經修改變動。

2017-02-20

科研項目：黑龍江省教育廳2011年科學技術研究(12515177)

田蒼，1978-，男，蒙古族，內蒙古哲里木盟人，副教授，教學管理、電子與通信工程研究。