双轴交流同步电机伺服系统设计

1、电力电子技术Power ElectronicsVol.43No.3March , 2009第 43卷第 3期 2009年 3月 定稿日期 :2008-08-25作者简介 :赵云 (1985-, 男 , 湖北广水人 , 博士研究生 , 研究方向为电力电子与运动控制 。1引 言近年来 , 交流伺服系统 1在工业自动化的各主要 行业中得到了广泛应用 , 迅速增长的应用对伺服驱动 装置提出了更高的要求 , 如低成本 、 高可靠性 、 易于安 装使用 、 多轴同步协调功能等 。 因此 , 非常有必要去研 究高性能 、 低成本 、 通用性强的系统设计方案 。 结合实际需要 , 充分考虑高性能 DSP 的灵

2、活外 设配置能力 , 探讨了利用单个 DSP 实现两台伺服电 机驱动控制的方案 。 该方案采用一片专用于电机控 制的 TMS320LF2407A 型 DSP 为主控处理器 , 辅以 单片机和大规模可编程逻辑阵列器件 , 组成一种新 型的具有通用结构的双轴伺服驱动控制平台 。 通过 系统软硬件设计及实验结果分析 , 验证了设计方案 的合理性和可行性 , 为实现双轴同步协调控制提供 了较好的解决方案 。2交流 PMSM 矢量控制原理PMSM 在磁路不饱和 、 磁滞及涡流损耗不计 、 定子三相电流产生的空间磁势及永磁转子的磁通分布 呈正弦波的条件下 , 若伺服电动机转子为圆筒形结 构 , 不考虑凸极

3、效应 , 则 L d =L q =L 。 为了实现 PMSM 的 矢量解耦控制 , 通过 3/2变换和旋转变换可得到 d , q 坐标系的状态方程 , 即 :d i d i q m=-R /L p m 0-p m -R /L -p f /L 0-p f /L 0i d i q m+u d u q-T L /J (1 式中 :R 为定子绕 组 等 效 电 阻 ; L 为 定 子 绕 组 等 效 电 感 ; p 为 电机磁极对数 ; m 为转子机械角速度 ; f 为转子永磁效应对 应的每对磁极磁通 ; T L 为折算到电动机轴上的总负载转矩 ; J 为折算到电机轴上的总转动惯量 。由式 (1 可知

4、 , 三相交流永磁同步伺服电机的模 型是一个多变量非线性的状态方程 , i d , i q 之间存在很 强的耦合关系 , 状态变量 i d , i q , m 不能独立调节 。 为 了使 PMSM 具有与直流电动机相同的控制性能 , 实 现转矩线性化控制 , 就必须解决 i d , i q 之间的耦合问 题 。 转子磁场定向控制是一种常用的解耦控制方法 。 将 d , q 旋转坐标系建立在转子上 , 随转子同步旋转 。 其 d 轴 (直轴 与转子的磁场方向重合 (定向 , q 轴 (交 轴 逆时针超前 d 轴 90°电角度 , 如图 1所示 。三相定子电流 合 成 矢 量 i s 在

5、 d , q 坐 标 系 上 的 投影为直流量 I d , I q , 当 i s 与 d 轴的夹角 =90°时可 以获得最大转矩 。 这时 I d =is cos =0; I q =is sin =i s , 电磁 转矩方程为 :T m =3p f i q =3p f i s(2 式 (2 说明如果保持 i s 与 d 轴垂直 , 控制 I d 0, 使 I d , I q 解耦 , 就可以通过调整直流量 I q 来实现转矩 的线性化控制 。 这里采用电流反馈解耦的控制方 法 , 通过快速化电流控制实现近似解耦 。双轴交流同步电机伺服系统设计赵云 , 李叶松(华中科技大学 , 湖北

6、 武汉430074摘要 :介绍了一种全数字双轴交流永磁同步电机 (PMSM 伺服系统的实现原理和软硬件设计方案 。 系统采用单片TMS320LF2407A 型 DSP 为控制核心 , 以智能功率模块 (IPM 构成双逆变器并联主回路 , 结构紧凑 。 实验及应用结果表明 , 该系统性能优良 , 可方便地实现双轴交流伺服系统的同步控制 。 关键词 :永磁电机 ; 伺服系统 ; 同步电机 /数字信号处理器 中图分类号 :TM351文献标识码 :A文章编号 :1000-100X (2009 03-0036-03The Design of a Dual -axis Digital AC PMSM Se

7、rvo SystemZHAO Yun , LI Ye -song(Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074, China Abstract :This paper presents a novel compact dual -axis digital AC PMSM servo system , in which one DSP is used to control two sets of servo loop and two IPM are constructed as dual parallel inverte

8、r.The hardware and software design are described.The proposed system is verified with high performance and reliability by experiment and application results and could implement dual -axis synchronous servo control easily.Keywords :permanent magnet motor ; servo system ; synchronous motor /digitalsig

9、nal processer图 1永磁同步电机 a , b , c 坐标系与 d , q 坐标系的关系3系统硬件结构设计 系统硬件设计由控制电路和功率电路 (包括开 关电源设计 两部分组成 。 动力电源输入为三相交流220V (-20%+15%, 50Hz , 控制电源由直流母线经 开关电源获得 。 总体硬件结构如图 2所示 。双轴伺服系统的设计首先要为实现双轴的同步控制创造条件 , 即两轴的电流采样 、 脉冲反馈计算和 控制输出等要精确同步 , 同时考虑到低成本要求 , 采 用单 DSP 控制是比较合适的选择 。 但是 , 双轴的伺 服控制任务多 、 计算量大 , 为了保障系统的高实时 性 ,

10、 必须合理划分系统的功能 , 并对控制任务进行调 度分解 。 因此 , 控制电路采用了 DSP+CPLD+MCU的 体系结构 , 相互协作完成双轴的驱动控制功能 。DSP 采 用 专 用 于 运 动 控 制 的 TMS320LF2407A型芯片 2。 作为整个控制器的核心 , 该器件包括两个 事件管理器模块 EVA 和 EVB , 每个均由两个 16位 的通用定时器 、 3个带可编程死区控制的全比较单 元 、 8个 16位的脉宽调制 (PWM 通道 、 3个捕获单 元和 1套正交编码脉冲电路组成 , 具有高速的运算 能力 (40MIPS 、 较高的 A/D采样精度 , 外设配置功 能强大灵活

11、。 由于上述特点 , TMS320LF2407A 非常 适合作为双轴伺服系统的主控 CPU , 完成实时性要 求很高的伺服控制任务 。 在此 , 它主要完成模拟指令 和双轴定子电流的采样计算 ; 电机转子磁极角度 、 转 速以及位置的实时反馈计算 ; 矢量坐标变换 ; 两轴的 位置 、 速度 、 电流调节 ; SVPWM 调制及双逆变器驱 动信号的产生以及系统故障的检测与处理等 。EPM240型 CPLD 用来完成外部 IO 信号 (使能 信号 、 报警清除等 处理 、 DSP 与单片机之间的并行数据交换 、 位置脉冲指令信号接收转换以及硬件故 障信号处理等任务 。AT89S8252型 MCU

12、 主要完成实时性要求不高的系统任务 , 包括按键输入参数设定 、 控制参数存 储 、 LED 状态显示和串行通信等 。采用这种结构将系统的软硬件功能 进 行 了 有 效的整合 , 使系统可以高效 、 低成本地实现双轴的 伺服控制 。(1 主回路部分主回路采用 AC/DC/AC电压型逆变器模式 。 输入三相交流 220V 电 源 经 过 桥 式 整 流 器 整 流 得 到 310V 直流电源 (直流母线 。 为防止电网浪涌的影 响 , 在整流桥三相输入端与地之间接入安规电容 , 在 各相之间接入安规电阻以有效吸收浪涌电压 。 为保 持直流母线电压的相对稳定 , 在母线之间并联了若 干大容量的电解

13、电容 , 起滤波稳压的作用 ; 同时系统 设计了软起动电路和泵升制动吸收电路 , 以减少功 率强电对主回路的冲击 。双轴伺服控制需要两个逆变器各驱动一台伺服 电机 。 由于两个逆变器分别给不同的负载供电 , 并联时不存在负载均流和环流的问题 , 对两逆变器的输 出电压幅值 、 频率和相位也没有同步要求 , 因此系统 设计了双逆变器并联于公共直流母线的拓朴结构 , 如图 2所示 。 采用了两块 PS21867型 IPM , 该器件采 用 600V/30A 低损耗 IGBT 三相逆变桥 , 内部集成 了驱动缓冲电路和各种故障检测保护电路 。 逆变桥 开关器件均采用差动结构通过光耦驱动 , 所有 P

14、WM 引脚都上拉为高电平以防止开关管误导通 。 在逆变 器输出端串联精密采样电阻 , 通过线性光耦实时检 测两台电机相电流的瞬时值 。在系统故障保护环节中 , 设计了母线电压检测 电路和逆变器模块故障检测电路 , 对主回路过压 、 欠 压 、 过载 、 制动异常和 IPM 故障等信号由软硬件配 合检测 , 一旦确定故障 , 通过软件和硬件逻辑立刻封 锁 PWM 驱动信号并显示故障类型 。(2 开关电源部分控制电源由直流母线输入经开关电源获得 , 由 于伺服电机在高速起动 、 制动过程中对直流母线电 压的冲击很大 , 因此开关电源的可靠性设计极其重 要 。 系统中用两片 TOP244Y 芯片设计

15、了开关电源及 外围电路 , 为功率主回路的双逆变器模块提供 8路 15V 驱动电源 , 为控制板提供 5V , 24V 电源 , 再经 电平转换芯片 NCP1117DT33将 5V 转换成 3.3V 为 控制电路提供电源 。4双轴交流伺服系统控制软件设计考虑到双轴伺服控制功能较多 , 软件计算负荷较重 , 为保证系统的高实时性要求 , 根据前述硬件结 构的特点可知 , 其中的关键是 DSP 控制软件的设 计 , 需要保证硬件运行可靠 , 控制任务调度高效合 理 , 以精确实现双轴伺服控制的同步功能 。 DSP 的双 轴伺服控制软件总体结构如图 3所示 。按照软件工程的思想 :系统 BIOS 功

16、能模块完 成上电初始化工作 , 具体包括 DSP 内核 、 片上外设 、 中断设置初始化 、 伺服控制参数初始化 、 双轴转子初图 2双轴 PMSM 伺服系统总体结构图电力电子技术Power ElectronicsVol.43No.3March , 2009第 43卷第 3期 2009年 3月始位置检测等 。 实时调用 RTOS 功能模块分为周期 查询和中断调用两类任务 。 对实时性要求不高的系 统任务如 I/O信号处理 、 控制参数在线修改 、 故障警 示输出 、 监控状态显示等 , 在 DSP 的背景循环程序 中周期性地轮询调度 ; 而对实时性要求很高的双轴 伺服控制任务则采用中断的方式来

17、处理 。 系统任务时序安排如图 4所示。 实现双轴同步伺服控制的方法 :设置 DSP 定时 器控制寄存器使定时器 T 1与 T 3都以连续增减模式 同步计时 , T 1作为第一台伺服电机 PWM 驱动单元 的时间基准 , T 3作为另一台伺服电机 PWM 驱动单 元的时间基准 , 在 T 1下溢时同时更新两轴的 PWM 驱动信号输出 。 T 2和 T 4分别用作两轴的位置和速度 反馈脉冲的计数 。 设置 T 1下溢中断为同步定时控制 中断 , 在中断处理程序中保护现场后首先锁定两个 轴的位置脉冲反馈量 , 然后调用各个功能子模块先 后完成两轴的伺服控制 , 依次是指令接收转换 、 反馈 信息采

18、样及处理 、 矢量坐标变换 、 三闭环伺服控制和SVPWM 计算输出3-4。通过设置控制模式和伺服使能标志 , 可以自由选择两轴的运行模式 , 保证两轴伺服控制的相对独 立 , 两轴既可以按照各自接收的指令独立运行 , 也可 以由同步功能模块实现双轴协调控制 。5实验结果及分析系统选取某公司生产的交流 PMSM 作 为 控 制 对象进行实验 , 电机相关参数见表 1。伺服电机光电编码器分辨率为 2500脉冲 /转 。电流采样控制周期即 PWM 周期为 100s , 速度和 位置调节周期为 400s 。 给定轴 1、 轴 2阶跃速度 指令分别为 2000r ·min -1和 500r

19、·min -1时 , 速度 n和电流 i q 响应曲线如图 5a , b 所示 。 该实验结果表 明 , 系统具有较快的响应速度和较高的控制精度 。 给定轴 1、 轴 2位置脉冲指令为相同的梯形曲线 , 两轴在加速段和减速段的动态速度响应曲线分别 如图 5c , d 所示 , 两轴在加速段和减速段的动态速 度差值曲线分别如图 5e , f 所示 。 该实验结果表明 , 位置同步跟踪误差在 2个脉冲以内 , 速度同步跟踪 误差在 2倍量化误差以内 , 两伺服轴在稳态和动态 过程中具有较好的同步控制效果和动态响应 , 同时 通过负载实验和实际应用 , 也说明系统具有较好的 性能和可靠性 。6结 论研究了双轴交流同步电机伺服 系 统 的 设 计 方 案 。 该方案充分利用硬件平台的优势 , 有效整合软件 功能和任务 , 实现了双轴伺服控制的多种功能 , 保证 了伺服控制的高实时性要求 。 系统结构紧凑 、 开放性 好 , 实验和测试结果表明 , 系统控制精度高 , 可靠性 好 , 可以应用于实际工业控制 。参考文献1秦