基于DSP的永磁电机数字交流伺服系统的硬件设计

1、 36基于DSP 的永磁电机数字交流伺服系统的硬件设计中小型电机2004,31(4 基于DSP 的永磁电机数字交流伺服3系统的硬件设计蔡春伟, 张东亮, 王风云, 梁兴忠(1. 哈尔滨工业大学(威海 , 威海264209;2. 山东大学, 山东济南250061本文提出了一种基于DSP 的数字交流伺服系统的硬件电路, 包括主摘要回路、驱动电路、存储器扩展、电流环和速度环的硬件电路设计。本系统采用价格便宜的电阻器来检测永磁同步电机的三相电流, 功率主回路采用六单元的IG BT 模块CPV363M4K , 司的T MS320F243。关键词数字交流伺服系统DSP 蔡春伟1977年9月生, 哈尔滨工业

2、大学(威海 , 助1222AC ServoSystems B ased on DSPC ai Chun w ei , Zhang Dongliang , W ang Fengyun , Liang Xingzhong(1. Harbin Institute of T echnology ; 2. Shandong University 1222Abstract :The hardware circuit design of a DSP 2based AC serv o system is given , which includes a power board , a driver , an

3、extended mem ory , a current loop and a speed loop. Cheap resistors are used to sense three 2phase currents of the PMS M and an IG BT m odule CPV363M4K is used to com pose the inverter. The T MS320F243made by TI is chosen to im plement the AC Serv o System.K ey w ords :DigitalAC serv o system DSP PM

4、S M矢量的幅值控制和相位控制。本文的主要内容是基于DSP 芯片T MS320F243的永磁电机数字交流伺服控制器的硬件设计。主要包括功率主回路的设计、控制驱动电路的设计、存储器的设计和速度检测电路以及电流检测电路的设计。21引言交流伺服系统由交流伺服电机和伺服控制器两部分组成, 控制器的性能直接影响到伺服电机的运行状态, 从而在很大程度上决定了整个控制系统的性能。传统的模拟控制器虽然具有连续性好、响应速度快、成本低的优点, 但也有着本身难以克服的缺点, 如系统调试困难、易受环境温度变化影响产生漂移, 难以实现柔性化设计思想, 缺乏实现复杂计算的能力, 无法实现现代控制理论指导下的控制算法等。

5、因而, 现代伺服控制器均采用全数字化硬件结构, 伺服控制系统的主要控制理论也采用了现代的矢量控制思想, 实现了电流3山东省优秀中青年科学家基金项目(编号:02BS077功率主回路的设计功率主回路是进行能量转换、驱动伺服电机工作的强电电路, 主要由整流电路、中间直流电路和逆变器三个部分组成, 如图1示。2. 1交2直部分(1 整流电路:采用二极管不可控整流桥 中小型电机2004,31(4 基于DSP 的永磁电机数字交流伺服系统的硬件设计371B01将单相交流电整流为固定的直流电。整流电路因变频输出功率大小不同而异, 小功率的, 输入电压多采用单相220V , 整流电路为单相全波整流桥; 功率较大

6、的, 一般采用3相380V 电源, 整流电路为3相桥式全波整流电路。设电源电压U 2为220V , 则经过整流后的平均直流电压U d 的大小是:U d =0. 9U 2=198V 。为无功电流返回直流电源提供通道; 在逆变器工作的过程中, 同一桥臂的两个逆变管处于不停地交替导通和关断的状态。在交替导通和关断的换相过程中, 也不时地需要D 1D 6续流二极管提供通路。另外, 在逆变器两个桥臂的下端各有一个电阻, 此电阻是用来检测相电流的电阻传感器, 考虑到电阻的损耗以及采样检测值大小的问题, 我们。通常取该电阻为40m功率主回路是一“交2直2交”变频器, 将工频电源(220V ,50H z 流电

7、压, 然后利用由IG BT , PW M 信, 3图1功率主回路电路图(2 滤波电容F :, F 的作用是:除了稳压和滤除整流后的电压纹波外, 还在整流电路和逆变电路之间起去耦作用, 以消除相互干扰, 为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因此, 中间直流电路电容的容量必须较大, 起储能作用, 所以该电容器又称为储能电容器。另外,50K 的电阻在系统停止时为电容提供放电回路。(3 限流电阻R L 与开关S L :由于储能电容大, 加之在接入电源时电容器两端的电压为零, 故当变频器刚合上电源的瞬间, 滤波电容器C F 的充电电流很大, 过大的冲击电流将可能使整流桥的二极管损坏。为了保护整流桥,

8、在变频器刚接通电源的一段时间里, 在电路内串入限流电阻, 作用是将电容器C F 的充电电流限制在允许的范围内。开关S L 的功能是, 当C F 充电到一定程度时, 令S L 接通, 将R L 短路掉。2. 2直2交部分(1 逆变桥:采用六单元的IG BT CPV363M4K 模块来组成三相逆变桥, 它把二极管整流桥整流后的直流电再“逆变”成频率和幅值都可调的交流电, 这是实现变频的执行环节, 是整个主电路的核心部分。当前常采用的逆变管有绝缘栅双极晶体管(IG BT 、大功率晶体管(G TR 、可关断晶闸管(G T O 以及大功率场效应晶体管(MOSFET 等。(2 续流二极管:在IG BT 模

9、块中, 与每个逆控制驱动电路的设计控制驱动电路主要完成对PW M (Pulse WidthM odulation 信号的功率放大, 以及对逆变器功率管的驱动功能。本文中分别采用SPW M 技术和S VPW M 技术来实现功率逆变, 将由T MS320F243DSP 芯片产生的PW M 信号经过功率驱动模块IR2132S 进行功率放大、然后驱动三相逆变器的六个功率管。3. 1功率驱动模块IR 2132IR2132是一高电压、高速度, 用来驱动MOS 2FET 、IG BT 的功率驱动模块, 具有三个独立的高电平、低电平输出通道; 特有的H VIC 技术使得它坚固耐用; 输入逻辑与5V 的C MO

10、S 或LSTT L 兼容; 以地为参考的运算放大器通过外部的电流传感器提供模拟反馈。该功率模块特点如下:(1 输出门极驱动电压信号为1020V ; (2 低电压时封锁所有的输出通道;(3 过电流时封锁六个驱动信号; (4 具有独立的半桥臂驱动能力; (5 各通道的传输延时是匹配的。IR2132的引脚定义由表1给出。变管反并接的续流二极管D 1D 6的主要功能是3. 2控制驱动电路图2是伺服控制器的功率驱动电路原理图, 主要有功率驱动模块IR2132和IG BT CPV363M4K 组成的三相逆变器组成。将DSP 芯片所产生的六路PW M 信号直接输入功率驱动模块IR2132对信号进行放大, 然

11、后驱动三相逆变器的六个功率管。 38基于DSP 的永磁电机数字交流伺服系统的硬件设计表1IR 2132的引脚定义引脚 定义门极驱动信号HO1,2,3对应的输入信号门极驱动信号LO1,2,3对应的输入信号过电流、低电压指示信号, 低电平有效上半桥臂门极驱动信号下半桥臂门极驱动信号电源逻辑地电流放大器输出过电流封锁输入信号中小型电机2004,31(4 DSP 控制器内部有一A D 模块, 该模块是一伪双ADC 模块, 虽然只有一个转换器, 但可以作为两HIN1,2,3LIN1,2,3EIT HO1,2,3LO1,2,3Vcc Vss CAO ITRIP个转换器ADC #1和ADC #2来使用。这一

12、特点使该模块的软件和C240的ADC 模块的软件相兼容, 而且使得它几乎可以同时对两个值(电压、电流 进行转换。本文采用两个电阻器作为传感器进行相电流的测量。具体做法是在逆变器的两个桥臂上串接两个电阻器作为传感器, 将电阻上的电压信号作为采样信号, 在电流环周期到的时候对该信号进行采样, 然后经过有偏置电路和钳位电路的功率, 使得到的电0图2系统的控制电路由于DSP 本身通过软件编程可直接产生SP 2W M 信号和S VPW M 信号来驱动三相逆变器, 所以, 大大简化了系统的外围硬件电路结构, 提高了系统的可靠性。4图3相电流的测量电路图每一测量电路有测量电阻、运放、偏置电路和钳位二极管组成

13、。工作过程为, 运放通过将电阻器上的电压进行放大, 并通过偏置电路和钳位二极管使输出电压AD input 为05V 。输出电压AD input 的表达式为AD input =R (V shunt +2. 5R 1伺服控制器电流环的硬件设计在三相电动机的变频调速系统中, 为了得到更好的控制性能, 很多控制策略, 如矢量控制等高性能控制都需要知道电动机定子的三相相电流。获取三相电流最简单的方法是直接检测, 一般检测三相电流中的两相, 并利用三相相电流的和为零(I a +I b +I c =0 来获取另一相的值。由于电流(1检测需要隔离的原因, 这种检测方法成本很高。另一种测量相电流的方法是使用简单

14、的、便宜的嵌入光电编码器用来进行速度和位置的测量。其电阻器来进行测量, 当然, 这种测量方法比较复工作原理是:光电码盘(如图4所示 一侧的两个杂。然而, 在一定的条件下, 这种测量方法变得很光敏管受另一侧发光二极管的控制。困难, 甚至由于硬件的限制是不可能进行测量的,在光电码盘上均匀分布着500个光电孔, 当如当采用智能功率模块(IPM 组成逆变桥时, 就光透过光电孔的时候, 光敏管产生逻辑“1”的信没法使用电阻器进行相电流的测量。号; 当发光二极管被遮住的时候, 光敏管产生逻辑由于电流在时间上和数值上都是连续变化的“0”的信号。这样, 两个光敏管会产生A 、B 两路物理量, 即模拟量, 所以

15、, 当用微处理器参与测量相位相差90°的正交信号。并实施电流环控制时, 必须将它们转化为数字量T MS320F243DSP 控制器内部的正交编码脉才能进行处理。将模拟量转化为数字量的器件称冲电路(QEP , 可实现鉴相和4倍频功能, 能自动为模数转换器, 简称ADC 或A D 。T MS320F2434. 1位置、速度检测许多运动控制系统都需要有正、反两个方向的运动, 为了对位置、速度进行控制, 必须测试出当前的运动方向、位置和速度。对于交流永磁伺服电机来说, 通常在电机内 中小型电机2004,31(4 基于DSP 的永磁电机数字交流伺服系统的硬件设计395实验结果永磁同步伺服电机的

16、规格参数为:额定转矩T n =28mN m ; 额定电压19V ; 额定电流I n =1. 2A ; ; 相电感L =0. 46mH ; 电器时间相电阻R =5. 25常数T e =90us ; 反电动势常数K e =2. 62V kr min图4增量式光电编码器和正交编码脉冲(QEP 电路原理图-1; 转矩常数K t =25mN m A ; 转子转动惯量J-7=9. 9×10kg m ; 机械时间常数T m =8us ; 电机2极对数P n =2。先后进行了速度控制与位置控制实验。PW M , 本系统PW M 20kH z 轴与d 轴电:K p =, K J =:T =p , K

17、I =9. 6×10-6识别由外部引脚C AP1QEP0、C AP2QEP1上输入的正交编码脉冲的方向, 记录脉冲的个数, 并可以得到输入信号4倍频的脉冲信号, 这为伺服控制的实现提供了方便。具体的说,QEP 单元能对输入到C AP1QEP0、C AP2QEP1, 即电机的角位移和转向; 电机的速度可由计数脉冲的频率获得。这样, 将光电编码器产生的A 、B 两路信号分别接入QEP 的两个输入端, 经过适当的配置, 就可以对电机的转速和位置信息进行测量。事实上, 经过配置,F243的通用寄存器T imer 2可自动地对QEP 的脉冲个数进行计数 。为速度控制时电流与速度响应曲线图7所示

18、(图中实线为测量值, 虚线为指令给定值 。其控制器实验参数:q 轴与s , 比例系数K p d 轴电流控制器采样周期T =100=0, 积分系数K I =0. 8, 速度控制器比例系数K p =200, 积分系数K I =20。图6是时间速度响应曲线 。图5正交编码脉冲信号图要使QEP 电路工作必须完成如下的寄存器配置:(1 需要的话, 将期望的值装入通用定时器T 2的计数寄存器T 2C NT 、周期寄存器T 2PR 、比较图6P MS 时间速度响应曲线寄存器T 2C MP 。(2 通过配置T 2C ON 寄存器, 使通用定时器T 2工作在定向增减计数模式, 时钟源必须选择正交编码脉冲电路QE

19、P , 并启动定时器T 2。(3 将光电码盘的两路信号接至输入引脚C AP1QEP0和C AP2QEP1上, 配置C APC ON 寄存图7P MS 伺服系统速度与电流响应曲线器, 启动QEP 电路。实验表明, 采用T MS320F243DSP 为核心的伺服系统, 可以实现快速和高精度的速度与位置(下转第65页 中小型电机2004,31(4 嵊州市南山水库电站增容改造65度和刚度;(4 转子的两端各装有风扇, 以产生较高风压, 保证电机有足够的冷却风量。3. 3轴承发电机采用两只径向自循环水冷却球面座式轴承, 铸钢轴承瓦体内表面浇铸有锡基巴氏合金。为监测轴承瓦温, 每个轴承装设铂电阻测温元件一

20、只。轴承储油室内装有水冷却器, 以降低轴瓦温升。非轴伸端轴承与底架及进出水管均有绝缘措施, 以防止轴电流发生。3. 4底架底架为整体底架, 即水轮机推力轴承、发电机定子及两轴承均装在同一底架上。整体底架具有很好的机械强度和刚度, 能承受机组重量及发电机短路故障引起的力的作用, 生。3. 5, 导致磁极线圈匝(上接第39页间短路的现象, 也为缩短电机底架部分的轴向长度, 利用原基础尺寸不变, 将集电环和刷架外置。3. 6端盖、冷却器电站原机组运行时不仅噪音很大而且电机自然冷却, 热量直接散发在厂房内, 严重影响电站运行人员的健康。随着环保意识的加强, 此次电站改造采用双层端盖和空冷器冷却密闭循环

21、的运行方式, 有效地解决了噪音和散热问题。4结束语按照上述设计方案, 我公司对南山水库电站, 于次年3, 各项性, 得, 为公司, 创造了良好, 也为今后进行类似电站的增容改造积累了经验。收稿日期:2003208206(上接第63页伺服控制。6结论采用T MS320F243DSP 为核心组成的伺服控制系统, 只需很少的系统元件, 其性能高, 成本低, 所选定的DSP 是目前用于运动控制方面比较理想的选择, 其价格比较低, 系统有很高的性能价格比。并且DSP 的高速性能为实时智能控制策略的实现提供了现实基础。参考文献1于宏全, 钟彦儒等. 基于T MS320X 240的交流变频调速装置的设计. 电气传动自动化,1999. 2王研, 杜军红, 陶伟宜等. 基于DSP 的空间电压矢量法PW M 的研究. 电机与控制学报,2000(7 . 3章云, 谢梨萍, 熊红艳等. DSP 控制器及其应用. 机械工业出版社,1999. 4T exas Instruments. Creating a S ine M odulated PW M S ignalUsing the T MS320F240E VM. January 1999. 5T exas Instruments. S pac