林立，竇威龍

(1.邵陽學(xué)院多電源地區(qū)電網(wǎng)運行與控制湖南省重點實驗室，湖南 邵陽，422000；2.邵陽學(xué)院 電氣工程學(xué)院，湖南 邵陽，422000)

《中國制造2025》戰(zhàn)略實施以來，我國制造業(yè)發(fā)展迅猛，國內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)需求日益增加，“機器換人”已成為大勢所趨，工業(yè)焊接機器人遍布各個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域[1]。其中,工業(yè)焊接機器人驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)與電機控制領(lǐng)域有著密不可分的關(guān)系，永磁同步電機(permanent magnet synchronous motor，PMSM)憑借結(jié)構(gòu)簡單、效率高、運行可靠、動態(tài)性能好等特點在焊接機器人控制系統(tǒng)中成為主流[2-7]。焊接機器人伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證焊接快速與高精準度。本文根據(jù)焊接機器人系統(tǒng)需高精度控制要求，設(shè)計了一種以TMS320F28335為主要控制芯片、基于空間矢量脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(space vector pulse width modulation,SVPWM)的PMSM矢量控制實驗平臺。以功率為750 W PMSM為研究對象，對PMSM矢量控制系統(tǒng)進行分析，基于MATLAB/Simulink的自動代碼生成技術(shù)在Simulink中完成對PMSM矢量控制算法模型的設(shè)計、驗證及代碼生成，產(chǎn)生的文件可在CCS6.2軟件環(huán)境下進行調(diào)試并在Labview軟件上搭建上位機監(jiān)控界面，實現(xiàn)了電機的矢量控制策略。實驗結(jié)果表明，該平臺具有開發(fā)快速、靈活性高和較好的工作特性等優(yōu)點，滿足工業(yè)焊接機器人伺服驅(qū)動系統(tǒng)高精度控制要求。

1 平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

平臺總體結(jié)構(gòu)見圖1，實驗平臺可分為硬件部分和軟件部分。硬件部分包括TMS32控制器、PMSM、驅(qū)動器、開關(guān)電源和編碼器。軟件部分包括Labview上位機監(jiān)控軟件以及在MATLAB/Simulink和CCS6.2環(huán)境下搭建的PMSM矢量控制系統(tǒng)代碼生成軟件。TMS32控制器采用TMS320F28335驅(qū)動芯片，該芯片能夠支持32位浮點運算的32位定點數(shù)字信號控制器，采用功率750 W PMSM，電機驅(qū)動器采用IR2110S驅(qū)動芯片，驅(qū)動信號為納秒級延時，開關(guān)頻率實現(xiàn)從數(shù)十赫茲到數(shù)百千赫茲，同時，IR2110S還具有比較完善的保護功能，內(nèi)置驅(qū)動電路。上位機監(jiān)控軟件通過USB轉(zhuǎn)RS232串口線與控制器進行通信，傳遞指令碼給TMS32控制器，控制器由通信協(xié)議之間的要求對指令碼進行解碼，然后輸出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)脈沖信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)脈沖信號控制橋臂開斷狀態(tài)，從而實現(xiàn)對電機的控制。TMS32控制器通過編碼器接口采集電機的轉(zhuǎn)速，并通過上位機監(jiān)控界面對電機轉(zhuǎn)速進行實時顯示。

圖1 PMSM實驗平臺總體結(jié)構(gòu)框圖

2 PMSM矢量控制

2.1 永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型

本文以表貼式永磁同步電機(surface permanent magnet synchronous motor，SPMSM)為研究對象，為了易于簡化分析，忽略電機的鐵心飽和、磁滯損耗，且轉(zhuǎn)子永磁體的材料電導(dǎo)率為零。

SPMSM在d-q軸坐標(biāo)系下的定子電壓方程為

(1)

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

(2)

磁鏈方程為

(3)

運動方程為

(4)

式中：ud、uq、id和iq分別為定子電壓和d、q軸電流分量；R為定子電阻；ωe為電角度；ψd、ψq為定子磁鏈的d、q軸分量；Ld、Lq為直軸電感、交軸電感；ωm為電機的機械角速度；J為轉(zhuǎn)動慣量；B為阻尼系數(shù)；TL為負載轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；P為電機的極對數(shù)；ψf為永磁體磁鏈。

由于SPMSM的定子電感Ld=Lq，且采用id=0的控制方法，則電磁轉(zhuǎn)矩方程可變?yōu)?/p>

(5)

2.2 id=0矢量控制

PMSM矢量控制的基本思想就是以坐標(biāo)變換為基礎(chǔ)，將PMSM的數(shù)學(xué)模型從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系后，實現(xiàn)電機的三相定子電流解耦為勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，然后分別對這兩個電流分量進行控制，使電機達到同控制直流電機的相似效果。采用id=0的控制實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩比電流控制。在SPMSM的矢量控制過程中，把定子電流is分解為直軸勵磁電流量id與交軸電流轉(zhuǎn)矩分量iq，從而達到分別控制的目的。由于id=0時，is=iq，定子電流is只存在交軸分量，這種控制方法將電機獲得的定子電流全部用在電機的轉(zhuǎn)矩控制上，有效地提高了電機的工作效率。

3 硬件設(shè)計

3.1 驅(qū)動電路

本平臺采用美國國際整流器(international rectifier，IR)公司生產(chǎn)的IR2110S作為驅(qū)動芯片。驅(qū)動電路見圖2。從控制電路中TMS320F28335數(shù)字信號處理器(digital signal processor,DSP)的GPIO口產(chǎn)生PWM1～PWM6六路脈沖分別輸入IR2110S的HIN和LIN引腳，驅(qū)動6個絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的通斷。本平臺中所設(shè)計的逆變器，可由3片IR2110驅(qū)動6個IGBT，僅需一路15 V電源。HO和LO為兩路驅(qū)動信號輸出端，驅(qū)動同一橋臂的IGBT，SD為關(guān)斷信號。IR2110S即可基于自舉驅(qū)動原理構(gòu)成IGBT驅(qū)動電路，驅(qū)動信號延時為納秒級，同時，IR2110S具有比較完善的保護功能，既可滿足IGBT的驅(qū)動要求，又可大大簡化硬件電路，彌補其他驅(qū)動電源的不足。

圖2 驅(qū)動電路原理圖

3.2 過電流檢測電路

IGBT承受短時間的過流，若長時間過流導(dǎo)致會溫度上升，電流容量迅速下降，故要設(shè)置過流保護電路。本實驗平臺在直流回路中采用康銅絲R70進行過流信號采樣并接入保護電路中。過電流檢測電路見圖3，當(dāng)出現(xiàn)過流故障時，即圖I-PROTECT電壓信號大于INPUT-電壓信號值，經(jīng)過LM393電壓比較器，OUT1引腳即I-COMPARE信號輸出高電平，經(jīng)自鎖電路后得到I-OVERLOAD信號。R17為最大值20 k的滑動變阻器，可用于改變電流保護的閾值。

圖3 過電流檢測電路原理圖

4 軟件設(shè)計

4.1 開發(fā)環(huán)境簡介

在軟件系統(tǒng)設(shè)計過程中，主要用到CCS6.2與MATLAB R2017a兩款軟件。CCS是TI公司研發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境，其兼容TI公司各種嵌入式處理器的開發(fā)與調(diào)試，可以進行源文件編輯、環(huán)境配置、程序跟蹤、調(diào)試和分析等功能。MATLAB是一款用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化及非線性動態(tài)系統(tǒng)建模仿真的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。由于在CCS上手寫代碼進行編程要求使用者具有較好的編程基礎(chǔ)，且這種開發(fā)方法周期較長、效率低，本實驗平臺采用利用MATLAB/Simulink庫中C2000處理器的支持包“Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors”結(jié)合CCS一鍵自動生成C代碼，并直接下載到DSP嵌入式設(shè)備上，避免了手寫編程需多次重復(fù)修改的弊端。

4.2 PMSM矢量控制程序設(shè)計

PMSM矢量控制代碼生成模型見圖4，圖4中，轉(zhuǎn)速閉環(huán)程序與電流采集程序在PWM中斷服務(wù)函數(shù)中，轉(zhuǎn)速采集程序在QEP中斷服務(wù)函數(shù)中，其中：state為軟件啟停；speed_base為轉(zhuǎn)速計算參數(shù)，tmpg為單位時間脈沖個數(shù)；rpm_kp、rpm_ki、isd_kp、isd_ki、isq_kp、isq_ki為PI調(diào)節(jié)器參數(shù)；tr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)；lm為互感；ws為轉(zhuǎn)差頻率；usdlimit、usqlimit為勵磁電壓和轉(zhuǎn)矩電壓的限幅、rpm為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的反饋值；ia、ib、ic為三相電流；aaa、bbb為A、B相電流數(shù)字量；ia_k、ib_k為A、B電流數(shù)字量補償。

圖4 PMSM矢量控制代碼生成模型

矢量控制PWM中斷服務(wù)函數(shù)見圖5，其中：ADC為DSP的AD采集模塊，采集電流傳感器輸出信號，經(jīng)過數(shù)字量轉(zhuǎn)化輸出實際的三相電流；三相電流經(jīng)過坐標(biāo)變換得到勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流，送往相應(yīng)調(diào)節(jié)器進行電流內(nèi)環(huán)控制；轉(zhuǎn)速外環(huán)通過采集轉(zhuǎn)速進行PI調(diào)節(jié)后輸出給定轉(zhuǎn)矩電流。經(jīng)過SVPWM控制，得到三路調(diào)制波變量送往PWM模塊，PWM設(shè)置成死區(qū)互補輸出，完成六路開關(guān)信號的生成，實現(xiàn)電機的驅(qū)動控制。

圖5 矢量控制PWM中斷服務(wù)函數(shù)

4.3 上位機監(jiān)控界面設(shè)計

為便于直觀觀察結(jié)果、改變參數(shù)及實驗分析，本平臺的上位機監(jiān)控界面程序采用Labview設(shè)計，實現(xiàn)上、下位機的通信和數(shù)據(jù)傳輸?；贚abview的電腦端監(jiān)控界面見圖6，上位機界面主要由通信設(shè)置、啟停開關(guān)、參數(shù)調(diào)節(jié)和波形顯示等4部分組成。其中，通信設(shè)置含有VISA資源名稱即串口端口選擇，參數(shù)調(diào)節(jié)部分主要包括a相電流數(shù)字量、b相電流數(shù)字量、a相電流漂移量補償、b相電流漂移量補償、usd電壓限幅、usq電壓限幅、速度環(huán)kp、速度環(huán)ki、轉(zhuǎn)矩電環(huán)kp、轉(zhuǎn)矩環(huán)ki、磁鏈環(huán)kp、磁鏈環(huán)ki和給定轉(zhuǎn)速。a相電流漂移量補償和b相電流漂移量補償應(yīng)等于a相電流數(shù)字量和b相電流數(shù)字量，以對霍爾電流傳感器零點漂移進行補償。波形顯示包含了轉(zhuǎn)速采樣和相電流采樣等，監(jiān)控界面的PI參數(shù)實時調(diào)節(jié)可方便觀察PI參數(shù)的改變對調(diào)速系統(tǒng)的影響。

圖6 基于Labview的電腦端監(jiān)控界面

5 基于串口通信的在線調(diào)試

完成上述硬件設(shè)計和軟件編寫之后，搭建了PMSM矢量控制實驗平臺(圖7)，該平臺由A、B、C、D、E、F和G 7部分組成。其中：A為上位機；B為TMS320F28335實用板；C為功率板；D為15 V開關(guān)電源；E為220 V開關(guān)電源；F為永磁同步電機；G為磁粉制動器。通過編碼器對電機的轉(zhuǎn)速進行實時監(jiān)測，由電流傳感器檢測電機三相電流運行的狀態(tài)。

圖7 PMSM矢量控制實驗平臺

實驗平臺PMSM額定參數(shù)為：PN=0.75 kW，TN=2.39 N·m，UN=48 V，IN=22 A，nN=3 000 r/min。在該實驗平臺上對PMSM矢量控制策略進行實驗，在線調(diào)試結(jié)果見圖8。圖8中，給定轉(zhuǎn)速為500 r/min，空載啟動時能夠迅速達到給定轉(zhuǎn)速，某一時刻突加負載1.5 N·m時，轉(zhuǎn)速波動較小，具有良好的抗負載干擾性，總體控制性能良好，表明矢量控制系統(tǒng)的實驗，可滿足實際應(yīng)用要求。

圖8 實驗調(diào)試結(jié)果

6 結(jié)論

根據(jù)焊接機器人伺服驅(qū)動系統(tǒng)高精度控制要求，設(shè)計了基于DSP的PMSM矢量控制實驗平臺。設(shè)計中采用TMS320F2835為主要芯片，完成了控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件程序設(shè)計。硬件采用模塊化搭建方法，軟件采用模型化設(shè)計，以可視化的形式進行模塊拖動和模型搭建。通過MATLAB/Simulink嵌入式編碼器實現(xiàn)從模型到代碼的自動生成，再靈活搭配硬件模塊電路進而控制電機運行。實驗結(jié)果表明，平臺具有編程簡單、開發(fā)快速、穩(wěn)定性及可擴展性好等優(yōu)點，可以高效完成電機調(diào)速、模型在環(huán)、處理器在環(huán)、軟件在環(huán)、快速原型開發(fā)和PMSM矢量控制等電機控制算法的設(shè)計與驗證，為以后研究高性能的工業(yè)焊接機器人奠定了基礎(chǔ)。