基于DS的交流同步电机伺服控制系统

摘

要:

总线化是工业控制系统的一个发展方向,基于CAN（Controller

Area

Network）总线的伺服系统在适用范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面有明显的优越性。本文给出了伺服控制器的硬件设计,选用美国TI公司专门为数字运动和电机控制推出的DSP控制器TMS320LF2407来实现交流伺服系统。并给出了交流伺服系统的全闭环软件实现方案。关键字:

伺服控制,

DSP,

电机,

CAN1

引言伺服系统向着全数字化的方向发展,而高性能DSP器件的出现为其奠定了坚实的基础。从国内外最新的发展情况来看,国外很多公司都已推出了基于DSP的成型的全数字交流伺服产品,象国内引进较多的日本松下、安川等交流伺服系统。目前,国内的控制界也己掀起了利用DSP来实现交流伺服系统的热潮。另外,采用高性能控制策略的控制系统具有很好自适应能力和抗干扰能力,能够在参数时变及干扰等恶劣的工况下保证系统良好的动态和稳态性能。克服了基于常规控制理论设计的电机控制系统存在的缺陷和不足。本文的主要任务是设计一种基于DSP和CAN总线技术的高性能全数字化伺服系统。采用电流、转速双闭环控制方式对永磁同步电动机进行速度和位置控制。2

控制系统总体硬件结构本系统提供的硬件设计能够满足多种控制算法,能够满足本系统的控制要求。它是以TI公司的TMS320LF2407为控制核心设计的。TMS320LF2407芯片是TMS320C2000TM平台下有较高性能价格比的一种定点DSP芯片。该芯片的低成本、低功耗、高性能的处理能力对电机的数字化控制非常有效。可以适用于多种控制策略。我们采用了IGBT

CPV363M4K模块组成逆变桥来实现功率主回路直流到交流的逆变。控制系统的硬件构成见图1。主要包括:TMS320LF2407微处理器及其外围电路,主要负责控制策略和算法的实现,产生PWM信号、响应速度反馈等工作;CAN模块负责与上位机进行通讯,通过总线接收对电机的控制信息;JTAG接口电路为仿真器与微机的接口电路,便于系统进行在线调试。此端口由仿真器直接访问并提供仿真功能;检测电路采用了价格较低的电阻器和价格较高但性能好的电磁隔离式霍尔传感器两套电路来检测永磁同步电机的相电流

,

,送入进行A/D转换并作相应处理,实现控制算法;PWM输出通过光耦传输,使得传递PWM控制信号时控制电路与功率电路隔离;电源模块将开关电源提供的+5V电压变换为+3.3V,为系统供电。图1系统硬件结构图3

控制系统硬件设计3.1电流检测在永磁同步电机交流控制系统中,控制器需要及时准确的知道绕组中实际电流的大小,以实现电流控制和电流保护电路的设计。电流采样必须实时,准确可靠,这对实现控制性能是必须的。电流测量的方法有很多种,一种测量电流的方法是使用简单的、便宜的电阻器来进行测量,当然,这种测量方法比较复杂。然而,在一定的条件下,这种测量方法变得很困难,甚至由于硬件的限制是不可能进行测量的,如当采用智能功率模块（IPM）组成逆变桥时,就没法使用电阻器进行相电流的测量。在本系统中采用电磁隔离霍尔元件进行电流检测。检测电路如下图2:图2电流检测电路3.2功率主回路设计功率主回路是进行能量转换、驱动伺服电机工作的强电电路,主要由整流电路、中间直流电路和逆变器三个环节组成,如图3所示。图3

功率主回路电路图3.3控制驱动电路的设计

D6

Q6控制驱动电路主要完成对PWM

（Pulse

Width

Modulation）信号的功率放大,以及对逆变器功率管的驱动功能。本文中分别采用SPWM技术和SVPWM技术来实现功率逆变,将由TMS320LF2407

DSP芯片产生的PWM信号经过功率驱动模块IR2132进行功率放大、然后驱动三相逆变器的六个功率管。伺服控制器的功率驱动电路主要有功率驱动模块IR2132和IGBT

CPV363M4K组成的三相逆变器组成。将DSP芯片所产生的六路PWM信号直接输入功率驱动模块IR2132对信号进行放大,然后驱动三相逆变器的六个功率管。由于DSP本身通过软件编程可直接产生SPWM信号和SVPWM信号来驱动三相逆变器,所以,大大简化了系统的外围硬件电路结构,提高了系统的可靠性。想3.4

CA疗N眼控制器模块设辫计砍本系统中采拨用竟CA拉N赔总线接收对电砍机的控制信息任并向主机发送心状态信息值。间DS抗P鹅根据信息要求艺对电机进行调需速、制动、正纤反转等控制。斩TMS320滋LF2407罗

DS榨P描芯片石的肢CA袜N袋总线控制器叛与糖CA己N贼物理总线的接涛口采用泉82C变25置0奏驱动器芯片。厚82C意25絮0嫁采用阻抗景为乌12唤0骡。双绞线作通其信介防质止,隐信号采用差动山发送和差动接读收衔,盯具有较强的抗边干扰能生力疑,非其最高通信速哑率可友达水1Mbp如s岸。通过对腹82C跑25家0获引冬脚宏8缎课（瓣R夫s敲）的不同连纲接砖,蜘可以实现三种穷不同的工作方役式先:兰高速、斜率控隶制和待机。本感系统采用斜率归控宝制董,难以降低射频干州扰。为了增强惭抗干扰能赏力呈,祖保线护罚CA然N传控制刮器售,厕在雹TMS320句LF240驶7倦与漠82C慌25届0赵之间加高速光郊隔。光隔采限用榆H锡P朵公司粮的塞HCPL-2饺63楚0昌芯馅片牺,师其速度炼为绢l0MH洁z境。电路如深图待4衫示。墙图繁4

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