基于DSP的伺服系统电流环的分析与设计

1、2002年11月第9卷第6期文章编号:167127848(2002 0620043204控制工程Control Engineering of China Nov . 2002Vol. 9,No. 6基于DSP 的伺服系统电流环的分析与设计张文元, 周俊(东南大学自动控制系, 江苏南京210096摘要:分析了影响同步电动机矢量控制电流控制环动态特性的主要因素, 指出同步电动机反电动势是其中最重要的干扰因素。针对通常采用的PI (比例-积分 电流调节器因工作频带的限制无法在较高转速时抑制反电动势的影响, 提出了前馈补偿和变电流环增益的设计方法, 并应用于基于数字信号处理器的矢量控制系统。给出了系统

2、结构及软硬件设计方案。实验结果表明, 该系统硬件简单, 控制精度高, 动态性能良好。关键词:伺服系统; 矢量控制; 永磁同步电动机; 电流控制环; 数字信号处理器中图分类号:TM 92115文献标识码:A1引言矢量控制系统具有控制精度高、低频特性优良、转矩响应快的优点, 因此矢量控制技术已成为高性能伺服系统的首选方案。制, , 因而电流控制环的动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现, 研究同步电动机矢量控制系统必须涉及到电流控制环的研究。其中反电动势的干扰及电流调节器的作用是影响电流控制环性能的主要因素。电机反电动势对电流控制环的干扰随转速上升而增大, 而且电机反电动势是一个与谐波无关, 幅

3、值和相角不连续的电压信号, 因而它是影响电流控制环性能的一个主要因素。在低速时, 电机反电动势小, 通过PI 电流调节器积分环节的调节可基本抵消反电动势的干扰, 电流跟随误差很小, 因而总的电流控制特性良好; 高速时, 电机反电动势较大, 尽管选择高增益的电流调节器比例放大系数, 可以使反电动势的影响减少, 但是高增益比例放大系数也会将谐波电流放大而影响电流输出性能, 电流控制特性受到较大影响。针对上述原因, 本文在研究了永磁同步电动机矢量控制电流环线性化解耦控制方法的基础上, 提出了一种基于DSP 的矢量控制系统的前馈补偿和变电流环增益的设计和实现方法。2 , 再经过按转子磁场定向, 这样就

4、可以将一台三相交流电动机等效为直流电动机来控制, 因而可获得与直流伺服系统同样好的静态及动态性能1。其控制原理框图如图1所示。其中, u d , u q , i d , i q :分别为d 2q 坐标系上电枢电压和电流分量; 3, m 为给定转速和测量转速; f 为永久磁铁对应的转子磁链; V a , V b , V c 为电机三相电压; i a , i b , i c 为三相反馈电流。由于永磁同步电动机的模型中i d , i q 互相耦合, 是典型的非线性系统, 要想独立控制i d , i q , 必3须使i d , i q 解耦。转矩电流指令i q 由外部给定,d 轴电流指令i d =0,

5、 取三相输出的两相电流i a , i b , 经3/2变换(见式(1 转换成i , i , 再经旋转3变换输出i d , i q , 经电流调节器G I (s 和电枢反33应、反电动势的补偿输出电压信号u d , u q , 根据u d , u q 输出PWM 信号驱动逆变器, 实现i d , i q33之间解耦, 使PMSM 模型线性化。i =i a ; i =i a +i b ; (1i a +i b +i c =0收稿日期:2002-04-26作者简介:张文元(1979- , 男, 安徽阜阳人, 东南大学硕士研究生, 主要研究方向为交流伺服系统和MIS 系统等。 44控制工程第9卷图1矢

6、量控制原理框图根据PMSM 的数学模型, 如果在控制中强制d 轴电流i d =0, 则同步电动机输出转矩可表示为M m =3/2p f i q =K t i q 式中, K t =3/2p f , i q 为转矩常数, 在i d =0的条件下, 电磁转矩仅与i q 成正比, 只要控制i q , 就可线性地控制转矩, 能, 2 变电流调节器增益设计电流调节器采用变增益的PI 控制算法, 比例增益K 是一个很重要的数据, , 希, 但是, 系统对电, 不可能十分。但是如果一味地提高K , 则会影响系统的稳定性, 造成电流纹波增大。当K 较小时, 电流纹波小、静态误差大; 当K 较大时, 电流纹波大

7、、静态误差小。静态误差是由电枢反应和反电动势造成的, 而它们的大小和m 成正比, 在同一K 下, m 越大静态误差越大, m 越小静态误差越小, 所以一个恒定的K 很难兼顾整个速度范围内的纹波和静差的要求, 经实验提31 前馈补偿设计由图1, 可写出:33u d =G i (i d -i d -m L q i q ;u q33=G i (i q -i q +m L d i d +m f(2令i d i q333=i d -m L q i q /G i ;=i q3+m L d i d /G i +m f /G 3333(3则式(2 可表示为u d =G i (i d u q =G i (i q

8、-i d -i q (433电流解耦控制可以理解为i d , i q 跟踪i d , i q 的电33流跟踪法, 如果用i d , i q 代替式(3 中的i d , i q ,出一种方法:K 是变化的, 高速时K 大, 低速时K 小, 这样就能兼顾整个调速范围内的纹波和静差要求4。电流调节器传递函数可表示为(7 G I (s =K (1+T I S可得:333i d 1=i d -m L q i q /G i式中, T I 为电机时间常数。K max , >max ;K =i q 1=i q +m L d i d /G i +m f /G 333(5, min <<max

9、; K K min(8<min33如果在电流环中让电流跟踪i d 1, i q 1而不是333i d , i q 就能获得较好的电流解耦效果, 把从i d ,式中, K 由试验测定。i q 变换到i33d 1,32,3i q 1的算法称之为前馈补偿。4系统组成及硬件实现基于DSP320F2405的矢量控制方案的伺服系统的结构框图如图2所示。系统由主电路、控制电路和辅助电路3个部分组成:其主电路中的逆变器采用六管封装的此时, 电流调节器输出为u d =G i (i d 1-i d u q =G i (33i q 133-i q (6 第6期张文元等:基于DSP 的伺服系统电流环的分析与设计

10、45图2系统结构框图IG B T 功率模块, 完成功率变换; 控制电路以TMS320F240芯片为核心, 用来完成矢量控制核心算法、PWM 产生、相关电压电流的检测处理等功能; 辅助电路由辅助开关电源、驱动电路、光电编码器、电流检测装置、霍尔传感器组成, 以实现给系统提供多路直流电源、IG B T 的隔离驱动、电机转速检测及放大功能。1 速度反馈信号检测速度检测器件采用增量式光电编码器, 它输出两个相位相差90°的方波脉冲信号, 经整形后, 入DSP , CL K 和转向信号DIR , 向信息。2 输出电流检测用磁平衡式霍尔电流传感器检测三相输出的两相电流i a , i b , 计算

11、出第三相电流i c =-(i a +i b , 从而获得实时的输出电流信息, 即电机的定子电流信息 , 为矢量计算和系统保护提供实时信号。3 PWM 输出TMS320F240的PWM 发生电路可产生6路具有可编程死区和可变输出极性的PWM 信号, 经隔离驱动单元后, 来控制主电路的IG B T , 实现逆变输出。上述矢量控制系统实验采用交流永磁同步电机:114kW ;380V ;515A ; 1500r/min 光电旋转编码器, 每转输出2500个脉冲。负载从0100%变化, 电流波形对称, 运行平稳, 速度波动率<±013%。速度频率响应在200Hz 以上。该系统达到国内同类

12、产品的水平。基于TMS320F240的矢量控制系统, 充分利用了DSP 的高速运算能力和丰富的片内外设资源, 使伺服系统外围电路少, 结构紧凑, 可靠性高。参考文献:1胡崇岳. 现代交流调速技术M .北京:机械工业出版社, 1998.2秦忆, 等. 现代交流伺服系统M .武汉:华中理工大学出版社, 1995.3张波, 李忠, 毛宗源. PWM 逆变器供电的同步电动机矢量控制电流控制环的研究和设计J.控制理论与应用, 1999,6(10 :64268.4Guney I , Oguz Y Serteller F. Dynamic behaviourmodel of permanent magnet

13、 synchronous motor fed by PWM inverter and fuzzy logic controller for stator phase current ,flux and toque control of PMSMJ.IEEE Electric Machines and Drives Conference , 2000, (6 :4792485.5张芳兰, 等. TMS 320C2XX 用户指南M .北京:电子工业出版社, 1999.5系统软件设计系统软件由主程序和电流环中断子程序构成。主程序中完成系统初始化、上电检测和报警检测。电流环中断子程序完成坐标变换及旋转

14、变换, 其中电流调节器采用上文提到的前馈补偿和PI 算法。这样既可以保证速度控制精度, 又大大减少中断时间, 提高开关频率, 减小静态误差。其软件流程图如图3所示。(下转第64页64控制工程第9卷发酵生产平稳、不同发酵批次间重复性提高, 发酵单位都有了不同程度的提高。同时, 由于生产过程自动化水平的提高, 使工人的操作强度大大降低。该系统已在L 2谷氨酰胺、L 2蛋氨酸、多粘菌素、柠檬酸等发酵生产过程控制中取得成功应用。目前计算机控制在发酵工业中的应用与其他机电等行业相比还有差距, 计算机在线优化分析和控制、模糊人工神经网络和专家系统的应用将是发酵工业工程的系统控制发展的必然趋势。参考文献:1

15、Pan F , Chen J ,Lun S Y. Intelligent control of theproduction process for L 2lsoleuine fermentation C .Beijing :Tsinghua University Press , 1997. 2孙增圻. 智能控制理论与技术M .北京:清华大学出版社, 1997.3张虹, 王林涵, . 2PI 复合控制在电站J.自动化仪 , M .西安:, 1994.力是通过调节排出气体的流量来控制, 用简单的单回路常规PID 控制即可取得满意控制精度。由于发酵过程中基质浓度等参数目前尚无在线检测手段, 因此实现

16、营养物质补料的闭环控制比较困难。如果发酵过程不同阶段的营养物质需求量较为明确, 则可以实现开环的程序设定控制。在实际发酵过程中, 根据补料性质的不同, 可以采用补料电磁阀按时间比例的方式进行开关补料。如果对补料量需要精确计量, 可以采用高精度流量计进行补料量累计, 也可以采用计量罐进行连续滴加补料。4结语采用自主开发的FPC2000发酵过程集散控制系统对补料分批发酵过程进行控制, 实践表明, 该系统运行可靠性高, 可对发酵过程进行全面的测控, 具有很强的数据采集和存贮、曲线优化分析等功能。采用智能控制提高了系统控制精度(温、p H 、溶氧的控制精度提高50 , Control in the F

17、ed 2batch Process(School of Communication and Control Engineering ,Southern Yangtze University , Wuxi 214036, China PA N FengAbstract :According to handle the strong nonlinear biotechnological processes with time varying parameters and time delay property , the intellingent control technology is inc

18、orporated into the traditional distribute control system to promote good control performances. The advantage of fuzzy control technique is its capability of treatment with uncertainty. The temperature fuzzy 2PI control system and p H parameter self 2tuning fuzzy control system were designed to deal

19、with the time varying and time delay properties in the strong nonlinear biotechnological processes. There are many factors that determine the change of dissolved oxy 2gen in the fermentation process and different regulation rules need to be implemented to different fermentation stages. The ex 2pert

20、control system can effectively utilize the process information , so expert control system of dissolved oxygen concentration varying areas is used to control the dissolved oxygen parameters. The control accuracy increases by 50%in comparison with the accuracy via normal control method. It has already

21、 been successfully applied to the biotechnological process in more than ten fac 2tories.K ey w ords :ferment process ; intelligent control ; expert system ; fuzzy control(上接第45页Analysis and Design on Current Control Loop of Servo System Based on DSP(Department of Automation , Southeastern University , Nanjing 210096, China ZHA N G Wen 2yuan , ZHO U J unAbstract :The main reasons affecting dynamic characteristic of current vector control loop system are analysed. It is pointed out that E. M. F (electromotiveforce of synchronous motor is the most important inter