紀艷華， 錢佳利

(1. 上海開放大學(xué)，上海 200433； 2. 通用電氣公司，上海 201100)

0 引 言

永磁同步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、轉(zhuǎn)矩電流比高、轉(zhuǎn)動慣量低、易于散熱及維護保養(yǎng)等優(yōu)點，在印刷設(shè)備、紡織設(shè)備、航空航天、數(shù)控機床、加工中心、機器人等場合獲得廣泛應(yīng)用。隨著永磁材料價格的下降、材料磁性能的提高，及新型永磁材料的出現(xiàn)，在中小功率、高精度、高可靠性、寬調(diào)速范圍的伺服系統(tǒng)中，永磁同步電動機的應(yīng)用領(lǐng)域逐步得到推廣。

要獲得高性能的永磁同步電機伺服驅(qū)動，就要有性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)。本文介紹了一種基于矢量控制算法(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)的全數(shù)字永磁同步伺服系統(tǒng)，其以DSP作為核心控制器，為了獲得更高的控制精度和更快的響應(yīng)速度，還將FPGA作為輔助控制器。DSP選用TI公司的TMS320LF2407A，F(xiàn)PGA選用Altera公司的Cyclone Ⅱ系列FPGA(EP1C3T144C8)。DSP和FPGA的應(yīng)用，不僅可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)獲得高精度和高可靠性，還為新型控制理論和方法的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

1 全數(shù)字永磁同步伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

永磁同步伺服系統(tǒng)是一種典型的位置、速度和電流三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其基本框圖如圖1所示。從系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)來看，伺服的位置閉環(huán)系統(tǒng)可看作是位置調(diào)節(jié)為外環(huán)、速度調(diào)節(jié)為內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，其內(nèi)部的實際工作過程是把位置輸入轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度給定信號，再通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機，實現(xiàn)實際位移。

圖1 永磁同步電機伺服系統(tǒng)基本框圖

本設(shè)計中采用的全數(shù)字伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 全數(shù)字伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主回路采用交-直-交電壓型逆變器形式。不可控整流由功率二極管模塊承擔(dān)，不可控整流橋和主濾波電容器完成從恒頻恒壓交流電源到直流電源的變換。逆變器選用三菱公司生產(chǎn)的智能功率模塊，實現(xiàn)從直流電到變頻變壓交流電的轉(zhuǎn)換，為伺服電動機的定子繞組提供所需的交流電。

控制回路以DSP為核心控制器，F(xiàn)PGA作為輔助控制器，還包含外圍接口電路、電流反饋的處理電路、光電脈沖編碼器信號的處理電路、PWM驅(qū)動信號隔離電路、故障處理和保護電路及與上位計算機的串行通信等電路。DSP采用TI公司的運動控制專用芯片TMS320LF2407A，構(gòu)成伺服系統(tǒng)控制器的核心控制單元，其主要完成模擬指令的接收轉(zhuǎn)換，電機定子電流的AD采樣，電機角度、轉(zhuǎn)速及位置的計算，復(fù)雜控制算法的實現(xiàn)，PWM驅(qū)動信號的產(chǎn)生，故障信號的檢測與系統(tǒng)故障的處理，外部控制信號的接收，及與串行外設(shè)和顯示電路的通信控制等。FPGA采用Altera公司的Cyclone Ⅱ系列FPGA(EP1C3T144C8)實現(xiàn)控制器擴展單元的管理功能，主要完成鍵盤輸入信號的電平轉(zhuǎn)換和輸入輸出I/O的處理、位置指令脈沖的處理、故障信號的綜合及控制信號的邏輯處理等。系統(tǒng)采用兩路霍爾電流傳感器檢測伺服電動機相電流的瞬時值，采用光電脈沖編碼器檢測伺服電動機的旋轉(zhuǎn)角位移及磁場位置。

2 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

2.1 PMSM的矢量控制

矢量控制通過電機磁場定向?qū)⒍ㄗ与娏鞣譃閯畲欧至亢娃D(zhuǎn)矩分量，分別加以控制，從而獲得良好的解耦特性。對于永磁同步電機，矢量變換的實質(zhì)是對電機定子電流空間矢量幅值和相位進行控制，最終可歸結(jié)為對d軸和q軸電流的控制。

在永磁同步電機矢量控制中，電機轉(zhuǎn)矩給定即為iq，與轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子磁鏈ψf成正比。只要能很好地控制定子勵磁電流id，保持轉(zhuǎn)子磁鏈ψf幅值恒定，則轉(zhuǎn)矩只受定子電流的轉(zhuǎn)矩分量iq控制。通過永磁同步電動機的矢量控制，就能獲得與直流電動機調(diào)壓調(diào)速相同的性能。

基于永磁同步電機dq坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，電機的矢量控制方法主要有：id=0控制、cosφ=1控制、恒磁鏈控制、力矩電流比最大控制。

在id=0控制條件下，電磁轉(zhuǎn)矩僅與定子電流的交軸分量iq有關(guān)，對于表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機，此時單位定子電流可獲得最大轉(zhuǎn)矩，從而使電機銅損耗下降，效率提高，電機調(diào)速更易實現(xiàn)。故本文設(shè)計的系統(tǒng)采用id=0控制。

采用id=0的線性化解耦控制，電機定子電流只有橫軸分量，電機轉(zhuǎn)矩只有基本轉(zhuǎn)矩分量，這與直流電動機的控制原理變得一樣，只要能夠檢測出轉(zhuǎn)子位置，使三相定子電流的合成電流矢量位于q軸上即可。

2.2 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計

整個伺服電機驅(qū)動器由串行SCI接口作為指令輸入。通過模式選擇程序，可選擇位置控制模式或速度控制模式。其中位置控制模式由SCI輸入指令位置來完成，當(dāng)電機定位完成以后，驅(qū)動器就會通過SCI返回定位完成信息。速度控制模式有兩種形式選擇： 一種是通過SCI通信輸入速度信號，另一種由外部模擬電壓作為速度控制信號。

位置控制信號首先輸入位置環(huán)，位置環(huán)輸出速度信號，速度環(huán)對輸入速度信號進行PI調(diào)節(jié)，輸出q軸參考電流，d軸參考電流始終保持為0，然后再分別對兩電流作PI調(diào)節(jié)，得到兩相運動的電流信號。通過逆PARK變換，變換成兩相靜止的電流信號，靜止的電流信號通過SVPWM模塊產(chǎn)生六路PWM信號控制功率逆變器驅(qū)動電機。

安裝在U相和V相的電流傳感器負責(zé)檢測U相和V相的電流，得到Iu和Iv，通過CLARKE變換為靜止的兩相電流，再通過PARK變換把靜止的兩相電流轉(zhuǎn)換成運動的兩相反饋電流，分別送到電流環(huán)里進行運算。

安裝在電機尾部的光電碼盤將測量到的速度作為速度環(huán)的反饋速度，同時提供PARK變換和PARK逆變換所需的電角度。通過計算得出電機所轉(zhuǎn)過的位置，反饋給位置環(huán)進行運算。

2.3 利用TMS320F2407實現(xiàn)SVPWM算法

TMS320F2407的事件管理器具有產(chǎn)生對稱空間矢量PWM波形的內(nèi)置硬件電路。為了輸出空間矢量PWM波形，需要設(shè)置以下相關(guān)寄存器：

(1) 設(shè)置ACTRx寄存器的比較輸出引腳的輸出方式；

(2) 設(shè)置COMCONx寄存器的使能比較操作和空間矢量PWM模式，并且把CMPRx的重載入條件設(shè)置下溢；

(3) 將通用定時器1或2，4或5設(shè)置成連續(xù)增/減計數(shù)模式，并起動定時器；

然后，將輸入到電機的電壓Uo分解為αβ坐標(biāo)系下的Uα和Uβ，以確定每個PWM周期的相關(guān)參數(shù)，具體步驟如下：

(1) 確定兩個相鄰矢量Ux和Ux+60(通過確定Uo所在的扇區(qū)數(shù)即可達到此要求)；

(2) 根據(jù)SVPWM的調(diào)制周期T，計算兩個基本的空間矢量和0矢量分別的作用時間T1、T2和T0；

(3) 將相應(yīng)于Ux的開啟方式寫入到ACTRX的14～12位中，并將1寫入ACTRX第15位中；

(4) 將T1/2的值寫入到CMPR1或CMPR4寄存器，將(T1+T2)/2的值寫入到CMPR2或CMPR5寄存器；

在空間矢量PWM模式中，當(dāng)兩個比較寄存器CMPR1和CMPR2裝入的值都是0時，3個比較輸出全都變成無效，故在使用空間矢量PWM時應(yīng)滿足如下關(guān)系式：

CMPR1≤CMPR2≤T1PR或CMPR4≤CMPR5≤T3PR

生成的空間矢量PWM波形關(guān)于每個PWM周期中心對稱，故該方法被稱為對稱空間矢量PWM生成法。該空間矢量PWM波形如圖3所示。

圖3 空間矢量PWM波形

3 試驗與結(jié)果分析

本文的控制對象是一臺面裝式永磁同步電動機，型號為M90-8F02430LF。其額定功率750W，額定電壓220V，額定電流3A，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定力矩2.4N·m，轉(zhuǎn)子慣量2.45×10-4，機械時間常數(shù)4.65ms，繞組電阻3.2Ω，繞組電感7.0mH。系統(tǒng)的調(diào)速范圍是1～2000，調(diào)速比是2000。

(1) 電機帶固定小負載情況下的轉(zhuǎn)速跟蹤波形如圖4所示。

圖4 電機帶固定小負載的情況下的轉(zhuǎn)速跟蹤波形圖

由圖4可知，給定電機頻率為5Hz，轉(zhuǎn)速為1500r/min 時，反饋速度上升時間快，超調(diào)量非常小。

(2) 電機帶可變負載情況下的轉(zhuǎn)速跟蹤波形如圖5所示。

圖5 電機帶可變負載的情況下的轉(zhuǎn)速跟蹤波形圖

給電機帶上一個發(fā)電機和能耗電阻作為負載，由于電機所帶的負載是隨速度的增加而增加，且電流環(huán)已處于飽和值，故當(dāng)速度上升到一定值時，電機的加速度變小，速度曲線變彎。但由圖5可知，反饋速度值仍上升很快，基本無超調(diào)。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計以DSP芯片TMS320LF2407A作為主控制器，F(xiàn)PGA芯片EP1C3T144C8作為輔助控制器的全數(shù)字永磁同步伺服系統(tǒng)，減少了系統(tǒng)功能對硬件電路的依賴，盡可能由DSP和FPGA的軟件實現(xiàn)。這不僅簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)獲得高精度和高可靠性，且大大增強了交流伺服系統(tǒng)的靈活性、可移植性和可擴展性，為新型控制理論和方法的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

【參考文獻】

[1] 秦憶.現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)[M].武漢： 華中理工大學(xué)出版社,1995.

[2] 尹泉.基于DSP的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)研究和設(shè)計[D].武漢： 華中科技大學(xué),2000.

[3] CHEN C L, LI C M, TU R J, et al. A novel simplified space vectormodulated control scheme for three-phase switch-mode rectifier[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics, 1999(46)： 512-515.