基于DSP的永磁同步电动机伺服系统的设计

1万 · 2013-6-17 20:30

本帖最后由 chenci2013 于 2013-6-17 20:42 编辑

[摘要] 为了提高永磁同步电动机伺服系统的控制精度和控制速度，**讨论了基于DSP的永磁同步伺服系统的软硬件组成及设计方案，应用转子磁场定向矢量和弱磁控制，采用TMS320LF2407数字信号处理器，实现了对永磁同步伺服电机的矢量控制。仿真结果表明，应用高速DSP芯片，采用矢量控制的永磁同步电机伺服系统具有良好的动态响应性能和静态性能，并具有结构紧凑，设计合理，控制灵活等优点。
[关键词] 同步电动机；伺服系统；DSP
0.引言
随着生产自动化水平的不断发展，对伺服系统性能的需求越来越高。交流永磁同步电动机因其结构简单，运行可靠等优点，应用矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的速度和位置控制，越来越受到关注。
DSP器件与当前流行的单片机相比,其结构性能都有很大的改善,其处理速度和控制精度极大提高。为了进一步提高对伺服电机的矢量控制控制水平，采用高速DSP芯片TMS320LF2407，实行转子磁场定向矢量和弱磁控制，其不仅具有很好的实时运算能力，而且具有丰富的电机控制外围电路和接口资源，可简化软硬件设计，减小控制系统的体积。
1.控制模型与系统
1.1控制模型
三相永磁同步伺服电动机模型是一个多变量，非线性、强耦合系统。为了实现转矩线性化控制，就必须对转矩的控制参数实现解耦，常用的解耦控制方法是转子磁场定向控制。
转子磁场定向控制实际上是将odq同步旋转坐标系统放在转子上随转子同步旋转。其d轴（直轴）与转子的磁场方向重合（定向），q轴（交轴）逆时针超前d轴90°电角度。假设电动机是线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞、涡流等损耗。基于电动机统一理论的结论可以得到转子坐标系（d-q轴系）中的永磁同步电动机定子磁链方程为：
Ψsd＝Ldisd +Ψr
Ψsq=Lqisq
其中，Ψr：转子磁钢在定子上的耦合磁链；Ld、Lq：永磁同步电动机的直、交轴主电感；isd、isq：定子电流矢量的直、交轴分量。定子电压方程为：
usd＝rsisd＋pΨsd－ωΨsq
usq＝rsisq＋pΨsq－ωΨsq
其中，usd、usq：定子电压矢量us的d、q轴分量；ω：转子角频率。转矩方程为：
Td＝pm(Ψsd isq－Ψsq isd) ＝pm[Ψr isq＋(Ld－Lq) isdisq]
从上式可以看出，永磁同步电动机的电磁转矩基本上取决于定子交轴电流分量和直轴电流分量。在永磁同步电动机中，由于转子磁链恒定不变，故可采用转子磁链定向方式来控制永磁同步电动机。为了简化控制系统常取isd ＝0，isq＝is。这时，电磁转矩只与定子电流的幅值成正比即：
Td＝pmΨris
这与直流电动机原理类似，实现了对力矩的控制参数的解耦，达到矢量控制的目的。

1万 · 2013-6-17 20:31

本帖最后由 chenci2013 于 2013-6-17 20:42 编辑

1．2永磁同步伺服电动机磁场定向矢量控制系统
图1是采用DSP的三相永磁同步伺服电动机全数字控制的结构图。

图1 三相永磁同步伺服电动机磁场定向矢量控制系统结构图
Fig.1 Block diagram of field orientated vector control system of three phase PMSM
通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流，经过DSP的A/D转换器转换成数字量，并利用式iC＝－（iA＋iB）计算出iC。通过Clarke变换和Park变换将电流iA、iB、、iC变换成旋转坐标系中的直流分量isq、isd，isq、isd作为电流环的负反馈量。利用增量式编码器测量电动机的机械转角位移θm，并将其转换成电角度θe和转速n。电角度θe用于参与Park变换和逆变换的计算。转速n作为速度环的负反馈量。
给定转速nref与转速反馈量n的偏差经过PI调节器，其输出作为用于电流q轴参考分量isqref。isqref和isdref（等于零）与电流反馈量isq、isd的偏差经过电流PI调节器，分别输出O旋转坐标系的相电压分量Vsqref和Vsdref。Vsqref和Vsdref再通过Park逆变换转换成Odq直角坐标系的定子相电压矢量的分量Vsαref和Vsβref。当定子相电压矢量的分量Vsαref、Vsβref和其所在的扇区已知时，就可以利用电压空间矢量SVPWM技术,产生PWM控制信号来控制逆变器。以上操作可以全部采用软件来完成，从而实现三相永磁同步伺服电动机的实时控制。
2．系统硬件与软件设计
2.1系统硬件设计

如图2所示，永磁同步电动机伺服系统的硬件主要由以下几部分构成：1.以TMS320LF2407为核心的主控单元；2.整流器；3.IPM逆变器；4.电动机及编码器；5.检测及保护电路；6.驱动及隔离电路等部分组成。

图2 永磁同步电动机伺服系统的硬件结构框图

Fig.2 Block diagram of hardware for PMSM serfo system

1万 · 2013-6-17 20:31

本帖最后由 chenci2013 于 2013-6-17 20:42 编辑

2.2系统软件设计

永磁同步电动机的控制软件主要分为主程序模块和中断程序模块。主程序主要完成控制寄存器的初始化和相关参数变量的初始值的设定，等等。中断服务程序主要有PWM定时中断程序，功率驱动保护程序和通讯中断程序三部分组成。其中PWM定时中断程序是整个伺服控制程序的核心。它实现了电流环以及矢量控制、PWM信号的生成；每个控制周期完成一次对速度环和位置环的控制。PWM定时中断子程序流程图如图3所示。

图3 PWM定时中断子程序框图
Fig.3 Block diagram of subprogram for PWM time interruption
3系统仿真
应用Matlab/simulink建立PWSM控制系统仿真模型，仿真参数设置如下：电机额定转速1000r/min，额定功率800W，额定电压380V，额定转矩2N﹒m，定子机绕组电阻3.3Ώ，轴有效电感0.083H，转子磁链0.223Wb，转动惯量0.0008kg﹒m2

图4 PWSM仿真输出曲线

1万 · 2013-6-17 20:32

本帖最后由 chenci2013 于 2013-6-17 20:43 编辑

从仿真曲线可以看出，转速、转矩、相电流在起动之后，很快达到稳定值。表明应用高速DSP芯片，采用矢量控制的永磁同步电机伺服系统具有良好的动态响应性能和静态性能。
4 结论
TMS320LF2407数字信号处理器作为单片机的换代产品，实现了对永磁同步电机伺的速度、位置的矢量控制，充分发挥了矢量控制的作用，提高了控制速度和精度。本文的创新点在于应用转子磁场定向矢量和弱磁控制，采用新型数字信号处理器，使得系统硬件设计更加简单，并具有体积小、重量、，效率高过载能力强和性价比高等优点。
参考文献

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[2] 韩安太, 刘峙飞, 黄海. DSP控制原理及其在运动控制系统中的应用[M]. 北京:清华大学出版社, 2005.3.

[3] 王晓明, 王玲. 电动机的DSP控制——TI公司DSP应用[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2004.7.

[4] 邢杰. 基于DSP的全数字交流伺服驱动器设计[J]. 机械管理开发, 2005[4]: 59～60.

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[7] 刘建棚, 刘建辉. 基于TMS320F240的交流变频调速系统[J]. 微机算机信息,2004[2]:43～44.

只看该作者 · 2013-6-17 22:22

基于DSP的永磁同步伺服系统的软硬件组成及设计方案，应用转子磁场定向矢量和弱磁控制，采用TMS320LF2407数字信号处理器，实现了对永磁同步伺服电机的矢量控制。

只看该作者 · 2013-6-17 22:23

三相永磁同步伺服电动机模型是一个多变量，非线性、强耦合系统。为了实现转矩线性化控制，就必须对转矩的控制参数实现解耦，常用的解耦控制方法是转子磁场定向控制。
转子磁场定向控制实际上是将odq同步旋转坐标系统放在转子上随转子同步旋转。其d轴（直轴）与转子的磁场方向重合（定向），q轴（交轴）逆时针超前d轴90°电角度。