張 坤， 李金松， 張 琳， 董 硯， 鄭 易

(1.河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130;

2.河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津 300401)

基于FPGA和交流步進(jìn)控制的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)

張 坤1， 李金松1， 張 琳2， 董 硯1， 鄭 易1

(1.河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130;

2.河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津 300401)

以永磁同步電機(jī)(PMSM)為控制對(duì)象，以現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)為控制核心器件，對(duì)交流步進(jìn)控制方式應(yīng)用于伺服系統(tǒng)的場(chǎng)合，進(jìn)行了理論與仿真研究，最后經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用交流步進(jìn)控制方式的PMSM伺服系統(tǒng)具有良好的速度與位置可控性，能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)對(duì)伺服系統(tǒng)的高要求。同時(shí)，研究結(jié)果也為PMSM在高性能控制場(chǎng)合下的應(yīng)用提供了參考。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列;交流步進(jìn)控制;永磁同步電機(jī);伺服系統(tǒng)

0 引言

永磁同步電機(jī)(Permanent Motor Synchronous Motor，PMSM)具有高功率密度、高效率、高功率因數(shù)、高轉(zhuǎn)矩慣量比等優(yōu)點(diǎn)，特別是具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和現(xiàn)行退磁等優(yōu)異性能的釹鐵硼稀土永磁材料的出現(xiàn)和相應(yīng)的工藝技術(shù)的發(fā)展，使得PMSM性能不斷提高。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，一些領(lǐng)域需要電機(jī)與外界進(jìn)行通信，還有一些領(lǐng)域需要多臺(tái)電機(jī)協(xié)同控制，這就要求核心控制器件具有快速且實(shí)時(shí)的處理能力?；诂F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的電機(jī)控制得到越來(lái)越多的關(guān)注。FPGA實(shí)現(xiàn)軟件與硬件、高速與靈活性的完美結(jié)合，此外，其設(shè)計(jì)周期短，可移植性好，控制器接口靈活，計(jì)算速度更快，易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制專(zhuān)用數(shù)字芯片。

交流步進(jìn)控制是把位置控制、速度控制和伺服控制等不同的傳動(dòng)控制方式有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使同步電機(jī)的氣隙磁動(dòng)勢(shì)由連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)變?yōu)殡x散的步進(jìn)磁場(chǎng)。對(duì)離散的步進(jìn)磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)行控制，可以獲得良好的速度控制，還可進(jìn)一步取得精確的位置控制，從而形成高性能的交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)。它打破了連續(xù)與離散、速度與位置、旋轉(zhuǎn)與步進(jìn)的嚴(yán)格界限，形成了一種統(tǒng)一的交流步進(jìn)控制理論［1］。

1 交流步進(jìn)控制與定位控制

1.1 交流步進(jìn)控制理論

同步電機(jī)的步進(jìn)控制中心思想是將電機(jī)的定子電流離散為bH步。每一步對(duì)應(yīng)一個(gè)大小固定和位置步進(jìn)的定子磁動(dòng)勢(shì)，與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)構(gòu)成步進(jìn)角，從而產(chǎn)生步進(jìn)的復(fù)位轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而將轉(zhuǎn)子鎖定在一個(gè)特定的位置上［2］。

如果將同步電機(jī)的定子磁勢(shì)由旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)離散為步進(jìn)磁勢(shì)。則定子氣隙中所?？康奈恢靡簿褪沁@種電機(jī)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠提供的定位點(diǎn)數(shù)，即電機(jī)的每步數(shù)。

當(dāng)PMSM定子繞組通以三相對(duì)稱(chēng)正弦電流ia、ib、ic時(shí):

式中:Im——通入的三相電流峰值。

將PMSM三相磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)行合成可知，三相繞組產(chǎn)生的氣隙磁動(dòng)勢(shì)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，其幅值是相脈振磁動(dòng)勢(shì)幅值的1.5倍:

式中:Fa——相脈振磁動(dòng)勢(shì)的幅值。

若按電角度計(jì)算，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)在空間運(yùn)行的電角度θ和繞組中電流在時(shí)間上經(jīng)歷的電角度永遠(yuǎn)相等，即旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)每秒的轉(zhuǎn)速為

式中:f——定子電流的頻率;

pm——電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。

假設(shè)對(duì)于三相定子繞組，如果不通入連續(xù)正弦電流，而是輸入下列對(duì)稱(chēng)離散電流:

為了形象說(shuō)明磁動(dòng)勢(shì)的步進(jìn)作用，取環(huán)形分配器的循環(huán)拍數(shù)bH=12，并繪出步進(jìn)磁動(dòng)勢(shì)在復(fù)數(shù)平面中的12個(gè)位置，以A相繞組的軸線為實(shí)軸，如圖1所示。當(dāng)k=0時(shí)，∑F和Re軸同相，因?yàn)閕a=Im，ib=ic=－0.5Im，∑F(0)=1.5Fa。在圖1中，記作∑F(0)。同樣可以得出另外11個(gè)磁動(dòng)勢(shì)矢量，如k=6時(shí)，ia=－Im，ib=ic=0.5Im，∑F(6)=1.5Fa·eiπ，其他可依次求出。

式中:im——通入相電流的峰值;

bH——環(huán)形分配器的循環(huán)拍數(shù);

k——主令脈沖的拍數(shù)。

將輸入電流的一個(gè)周期分為bH份(bH為正整數(shù))，對(duì)于三相繞組，為保證三相電流互差2π/3和各相正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)，最好取bH是6的整數(shù)倍。k為主令脈沖拍數(shù)，它等于任意正整數(shù)。由此得到的氣隙磁動(dòng)勢(shì)將是一個(gè)步進(jìn)磁動(dòng)勢(shì):

圖1 三相繞組的步進(jìn)磁動(dòng)勢(shì)

1.2 定位控制方法

本伺服控制系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)高精度的定位控制，將速度變化分為三段，即起動(dòng)、穩(wěn)速、降速及制動(dòng)，如圖2所示。

第一階段(0～t1)是升速過(guò)程，在本階段，給定子超前轉(zhuǎn)子3步的電流矢量，并通以大的電流矢量，這樣電機(jī)將以最大的加速度加速，使電機(jī)在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到恒定的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)恒定的轉(zhuǎn)速之后將進(jìn)入第二階段。

第二階段(t1～t2)為恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行階段，本階段需要把電機(jī)的速度控制在一個(gè)恒定值，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，給定子加超前的電流矢量，當(dāng)速度高于設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)給定子滯后的電流矢量，這樣就能盡量使電機(jī)速度控制在恒定的轉(zhuǎn)速。

第三階段(t2～t3)為減速階段，在本階段中，電機(jī)定子的給定電流滯后3步轉(zhuǎn)子的電流矢量，這樣電機(jī)就可以以最大減加速度進(jìn)行降速，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到設(shè)定的脈沖數(shù)后，電機(jī)將進(jìn)入低速運(yùn)行階段。

圖2 三段速度定位示意圖

2 仿真模型與試驗(yàn)平臺(tái)搭建

2.1 仿真模型搭建

本伺服系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真模型主要包括以下幾部分:電流滯環(huán)PWM逆變器模塊、PMSM模塊、電機(jī)測(cè)量模塊、MATLAB功能函數(shù)模塊等幾部分組成。其工作原理為通過(guò)電機(jī)測(cè)量模塊獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和速度參數(shù)，并將其反饋到MATLAB功能函數(shù)模塊，經(jīng)過(guò)MATLAB函數(shù)模塊和逆變模塊將連續(xù)正弦電流離散化，形成步進(jìn)電流。反饋部分通過(guò)測(cè)量電機(jī)的實(shí)際電流值與給定電流相比較，用電流滯環(huán)模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自動(dòng)控制，從而獲得良好的動(dòng)態(tài)特性和定位特性。

2.2 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

系統(tǒng)電路主要包括:控制電路部分和功率放大部分，其中控制電路部分包括FPGA及其外圍電路，電流信號(hào)的電壓提升電路，位置檢測(cè)電路，顯示按鍵驅(qū)動(dòng)電路;功率放大部分的核心模塊為三菱公司的智能功率模塊PM15RSH120，主要包括:多組獨(dú)立電源，觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，電壓、電流采樣電路，保護(hù)電路。

2.2.1 控制部分電路設(shè)計(jì)

全數(shù)字驅(qū)動(dòng)控制器的核心芯片采用Xilinx公司生產(chǎn)的Spartan－3E芯片XC3S500E。其主要功能是快速實(shí)時(shí)地進(jìn)行信號(hào)處理，包括接受鍵盤(pán)輸入信號(hào)、電流采樣信號(hào)、位置反饋信號(hào)及電路保護(hù)信號(hào)，綜合以上信號(hào)的結(jié)果在適當(dāng)時(shí)候輸出適當(dāng)?shù)腎PM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM的精確控制?？刂撇糠纸Y(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2.2 功率部分主電路設(shè)計(jì)

圖3 控制部分結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動(dòng)控制器的主電路由整流電路、直流中間電路和逆變電路三部分以及有關(guān)的輔助電路組成。主電路原理圖如圖4所示。

圖4 功率放大主電路

本系統(tǒng)選用的“智能功率模塊”(IPM)，即三菱電子的集成IPM PM15RSH120智能功率模塊，不同于一般功率器件，是一種新型的電力電子模塊，將功率變換、柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路集成一體作為逆變器。其功率模塊的主要特點(diǎn)如下:采用低飽和壓降、高開(kāi)關(guān)速度、內(nèi)設(shè)低損耗電流傳感器的IGBT功率器件;采用單電源、邏輯電平輸入、優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng);提供系統(tǒng)故障輸出，向系統(tǒng)控制器提供報(bào)警信號(hào)。

3 仿真與試驗(yàn)

3.1 仿真結(jié)果

電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)部分具有相當(dāng)大的動(dòng)能，起動(dòng)和制動(dòng)階段都需要有一定的加速和減速時(shí)間，以便用有限的最大電磁轉(zhuǎn)矩去起動(dòng)和制動(dòng)。步進(jìn)傳動(dòng)的突跳過(guò)程就需要一定的升速時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)矩角逐漸增大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸升高，只要在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高到等于步進(jìn)磁動(dòng)勢(shì)的平均轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)的動(dòng)態(tài)角誤差還沒(méi)有達(dá)到允許的最大值，電機(jī)就不會(huì)失步。

速度及位置仿真曲線分別如圖5、圖6所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

本文以美國(guó)KOLLMONGEN公司生產(chǎn)的1.6 kW的M205B型永磁同步伺服電機(jī)為研究和控制對(duì)象。

在上面提到的三段速度運(yùn)行曲線中，為獲得較大的起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，給電機(jī)通以不同大小的電流矢量。在第一和第三階段，即升速和降速定位階段通以?xún)杀额~定電流，這樣電機(jī)就會(huì)在這段時(shí)間內(nèi)具有很大的加速度，使電機(jī)在盡量短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定要求，在第二階段給電機(jī)通以額定電流的電流矢量。

A相定子電流跟隨曲線如圖7所示。

圖7 A相定子電流跟隨曲線

三段速度試驗(yàn)曲線如圖8所示，當(dāng)t=2.5 s時(shí)，開(kāi)始第一階段即升速階段;第二段是恒速階段;第三段為降速定位階段。

圖8 三段速度位置試驗(yàn)曲線

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)基于FPGA和矩角控制下的PMSM伺服控制系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)可知，運(yùn)用FPGA技術(shù)與矩角控制理論的PMSM伺服系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)控制方法下的系統(tǒng)，具有良好的動(dòng)態(tài)特性與定位特性，可以滿足現(xiàn)實(shí)中對(duì)于速度及定位精度雙高要求的場(chǎng)合，同時(shí)為PMSM在高性能控制場(chǎng)合下的應(yīng)用提供了參考。

［1］孫鶴旭.交流步進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［2］鄭澤東，李永東.永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.伺服控制，2008(12):20-22.

［3］薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE 9.X FPGA/CPLD設(shè)計(jì)指南［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［4］林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2009.

［5］陳伯時(shí)，謝鴻鳴.交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，15(5):11-15.

Design of Servo-System with Permanent Magnet Synchronous Motor Based on FPGA and AC Stepper Control

ZHANG Kun1，LI Jinsong1，ZHANG Lin2，DONG Yan1，ZHENG Yi1
(1.School of Control Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China;
2.School of Information Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China)

The simulation and theoretical study on the servo-system based on permanent magnet synchronous motor and FPGA in the mode of AC stepper control were conducted.The simulation and the experiment results showed that PMSM with application of AC stepper control has a good ability of speed and position control，it can satisfy the high requires in modern industry.Mean while，the study results also provided the reference for the application of PMSM in high-performance occasions.

field programmable gata array(FPGA);AC stepper control;permanent magnet synchronous motor(PMSM);servo-system

TM 351

A

1673-6540(2012)07-0041-04

2012-03-08