基于DSP交流永磁同步电机伺服系统的设计

1、第26卷 第1期 吉 林 化 工 学 院 学 报Vo.l 26N o .1 2009年2月J OURNAL OF JI L I N I NSTI TUTE OF CHEM ICAL TECHNOLOGYFeb. 2009 收稿日期:2008-11-06作者简介:白 蕾(1983-,女,吉林省吉林市人,青岛科技大学在读研究生,北华大学助教,主要从事控制工程方面的研究.文章编号:1007-2853(200901-0069-03基于DSP 交流永磁同步电机伺服系统的设计白 蕾1,2(1.青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061;2.北华大学工程训练中心,吉林吉林132021摘要:以当前最先进的

2、数字信号处理芯片TM S320F2812为核心控制单元,尝试设计永磁同步电机伺服系统,包括系统硬件电路设计、系统控制策略与软件设计.关键词:永磁同步电机;数字信号处理器;矢量控制中图分类号:TM 351 文献标识码:A永磁同步电动机(P M S M 用永磁体取代普通同步电动机转子中的励磁绕组,节省了励磁线圈、滑环和电刷,具有功率密度大、效率高、高转矩电流比、低惯量和低损耗等优点,成为高级运动控制的理想执行单元.因此被广泛应用于数控机床、工业机器人等伺服控制领域.随着高速度的数字信号处理器(DSP以及大功率、高集成度的电力电子器件的发展,电机控制器朝着小型化、低成本以及更高可靠性的方向发展.本文

3、基于DSP -TM S320F2812电机专用控制芯片和智能功率模块(I P M ,采用空间矢量控制算法控制P M S M,实现位置环、速度环和电流环三环闭环控制的全数字交流伺服系统.1 P M S M 的矢量控制P M S M 矢量控制系统框图如图1所示.图1 PMSM 矢量控制原理框图控制系统采用i d =0的矢量控制方式,从电机端口看,相当于一台他励直流电动机,定子电流中只有交轴分量,且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交,电动机转矩中只有永磁转矩分量,而不包含磁阻转矩1.按转子磁链定向并使i d =0的正弦波永磁同步电机调速系统,定子电流与转子永磁磁通互相独立(解耦,控制系统简单

4、,转矩定性好,可以获得很宽的调速范围.P M S M 的伺服控制器内采用矢量控制的电流环,外环是速度和位置环.这种三环结构通过矢量控制实现了快速转矩响应,通过位置控制器实现位置高精度控制,通过位置和速度的混合控制实现快速跟踪.同时这种结构也确保了系统的稳定性2.2 P M S M 伺服系统硬件电路设计基于TM S320F2812的伺服系统如图2所示.图2 PMSM 伺服系统原理框图主要由DSP 及其外围电路、逆变器两部分组成.主控芯片:S320F2812定点数字信号处理器,是美国TI 公司在20C2000平台上首次使用32位内核DSP 3,利用其控制精度高、硬件简单及可靠性高等优点来设计P M

5、SM全数字交流伺服系统.2.1 主电路功率模块主回路采用富士公司I P M6M BP50RA060智能功率模块作为系统的主开关功率器件,不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起,而且还内置有直流母线过压保护和过流保护电路等故障检测电路,并可将检测信号送入DSP中.本文采用6路相互隔离的开关电源作为I GBT驱动单元供电,而且利用高速光耦实现DSP的P WM输出信号对功率开关的隔离驱动.2.2 系统采样电路2.2.1 位置信号检测在P M S M矢量控制过程中,必须知道电机转子位置和转速的实时信息增量式光电编码器以其高分辨率、高性能价格比等方面的优点,成为最常用的伺服系统机械位置检测元件之一.在本

6、次设计中根据负载需要,选用了日川公司生产的TRD-S H系列最高相应频率为200k H z,分辨率为2500脉冲/转的增量式光电编码器安装在电机轴上.光电编码器输出A、B、Z三个信号.A、B信号是一对正交编码脉冲(QEP,频率是电动机机械转速频率的1024倍,且相位相差90 ;Z信号随转子每转一周输出一个脉冲4.TM S320F2812的每一个事件管理器都有一个正交编码脉冲电路(即QEP单元,可将一对正交编码脉冲完全同步地引入片内的QEP单元的QEP0、QEP1引脚. QEP单元对脉冲序列进行4倍变频后送入相应的32位计数器计数,这样通过软件定时读取该计数器的值即可计算电机转子位置、转速和转向

7、.2.2.2 电流信号检测P M S M矢量控制系统至少需要实时检测电机任意两项的相电流.系统采用中霍公司生产的TBC-XS3.3系列霍尔效应电流传感器,电源电压仅需3.3V,具有较理想参数的线性度、精度、带宽,是DSP专用的电流传感器.系统设置有2个LE M模块分别检测A、B相电流,并通过采样电阻将电流信号转化为模拟电压信号,然后由T M S320F2812的AD变换得到数字信号,最后送入数字滤波和定标处理.2.3 系统保护电路为确保系统安全稳定工作,系统设置了交流电压过压保护、限流启动、过流保护、I P M故障保护等电路.I P M故障保护输出相与所得的信号送 入DSP的PDPI N TA

8、引脚,当PDPI N TA引脚接收到低电平信号时,DSP将做出相应的中断处理,立即封锁P WM输出,直到故障消失和系统复位.3 P M S M伺服系统软件设计本系统利用DSP运算速度快、调试方便、控制策略易于修改等优点,采用C语言开发系统控制软件,将各个功能实现模块调试,包括C lark变换、Park变换、Park逆变换、PI控制算法和SVP-WM算法等5.控制系统软件由包括系统初始化程序模块的系统主程序、定时器下溢中断处理模块、外部中断处理模块和串行中断服务模块4大程序模块组成,如图3所示.采用模块式的设计方法,便于调试和更改.主程序主要完成初始化和相关参数变量初始值的设定,如图4所示;定时

9、器下溢中断子程序作为整个控制程序的核心,实现各种信息读取和计算等;外部中断处理程序能够起到对系统的保护作用;串行中断服务程序确保了控制器的通信需要.图3 PMSM伺服系统程序结构图图4 主程序流程图70 吉 林 化 工 学 院 学 报 2009年4 实验结论实验的电机为交流永磁同步伺服电机,其额定功率2.5k W,额定电流10A,额定转速为2000r/m in ,额定转矩6N m ,定子电感8.5mH,定子电阻2.8 .基于T M S320F2812的伺服系统,通过矢量控制、电流调节、速度和位置调节及永磁同步电机的初始位置检测,成功实现了系统的三闭环控制.当电机以最大转矩启动时,速度爬升迅速,

10、并在120160m s 之间稳定于给定值,如图5所示 .t/s图5 系统动态转速曲线参考文献:1 苏奎峰,蔡昭权,吕 强,等.TM S320X 281X DSP 应用系统设计M .北京:北京航空航天大学出版社.2008.2 廖富全.基于D SP 的永磁同步电机交流伺服控制系统J.兵工自动化,2005,24(3:84-85.3 黄大为,张文凯,于 艾,等.基于DSP TM S320F2812的交流传动系统控制器J.电力电子技术,2005,39(2:1-3.4 王庆建,彭达洲,胥布工,等.基于DSP 的永磁同步电机控制系统J.计算技术与自动化,2006,25(4:51-54.5 苏奎峰,吕 强,常

11、天庆,等.TM S320X 281X DSP 原理及C 程序开发M .北京:北京航空航天大学出版社,2008.Desi gn on per m anentm agnet synchronousm otorservo syste m based on DSPBA I Lei1,2(1.Co lleg e o fM echan i ca l&E lectr i ca l Eng i nee ri ng ,Q i ngdao U niversity o f Sc i ence and T echno logy ,Q i ngdao 266061,Ch i na ;2.Cen ter o f Eng i neer i ng T raini ng ,Be H i ua U niversit y,Jilin C it y 132021,Ch i naAbst ract :Th is paper focuses on the design o f the syste m for per m anentm agnet synchronous m o tor ser vo sys -te m based on t h e m ost advanced DSP ch i p -TM S320F2812,i n cluding hardw are c ircuit des