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全数字化交流伺服控制系统的研究与设计

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在现代运动控制进程中，实时测控系统对高速数字信号处理是出了更高的要求，为了满足世界范围内运动控制系统的需要，TI公司推出了一种面向高性能、高精度工业控制领域的32位定点DSP控制器TMS320F2810，在x240基础上性能提高了10倍，用软件实现数据处理，功能更强大，算法更灵活，多达128k字的FLASH E2PROM、2k字的ROM，能够满足大计算量、运算速度高的要求，CPLD是一种复杂可编程逻辑器件，采用计算机辅助设计技术把设计生成的数据文件夹配置进芯片内部的静态数据存储器（SPAM）来完成，具有可重复编程性，可以灵活配置硬件逻辑电路，降低了PCB板的空间和复杂度。将DSP+CPLD结合并应用与伺服电机控制中，加以改进的控制算法和硬件结构，使整个电机控制系统达到民快速性和稳定性的要求。

系统结构

整个控制系统的被控对象为三相120°四级永磁同步电机，编码器为混合式光电编码器，采用差分传递以提高抗干扰能力。处理器采用为数字控制系统专用的TMS320F2810芯片，它是整个控制系统的核心，主要负责控制策略和控制算法的实现，并与人机界面进行通信，实现系统的数据处理，对伺服系统进行保护和报警显示等功能，人机界面的核心处理芯片为周立功单片机的7289显示芯片，主要负责向DSP发送转速给定、控制参数给定、启动/停止信息等，并实时显示驱动系统的数据变化。另外，在硬件控制板块中采用了ALTERA的CPLD-EPM7128，是为某种专门逻辑功能和时序功能而设计的集成芯片，将外部光电编码器信号等逻辑输入、输出引用端等PCB设计完成的大部分工作集成放在芯片设计中进行。这样不仅可以通过芯片设计实现各种逻辑功能，而且由于端子定义的灵活性，大大减轻了电路设计的工作量和难度，从而有效地增强了设计的灵活性，提高了工作效率，便于系统的二次开发。系统的总体框图如图1所示：

CPLD的设计

永磁伺服电机稳定运行时，其同步转速以及转子位置可以通过与转子同步的光电编码器所产生的脉冲信号来反映，因光电编码器产生的脉冲信号含有谐波成份，毛刺较多，为防止DSP读到误码，将转速、位置脉冲信号送到CPLD逻辑判断滤除干扰信号，同时在起保护DSP的作用。由于篇幅有限，举例转速脉冲信号U+、U-的软件处理，其VHDL语言描述如下：

process (U+,U-,U,ERR)

begin

if(U+=’0’and U-=’1’)

then U<=U+,ERR=0;

elsif(U+=’0’ and U-=’0’)

then U<=Z, ERR=1;

elsif(U+=’1’ and U-=’0’)

then U<=U-, ERR=0;

elsif(U+=’1’ and U-=’1’)

then U<=Z,ERR=1;

end;

控制方法原理

在伺服系统中，通过对交流永磁同步电机电磁转矩的控制，可使电机角位置、速度、加速度满足指令信号的要求，电机的电磁转矩与电机电压、电流的关系是多变量、非线性的。交流电机矢量控制策略是解决这一难题的有效手段。

电机的电磁转矩T为：（ 1 ）

（1）

同步电动机励磁磁势的方向在转子磁极轴线轴上，当定子磁动势的大小按q轴定向时，只要控制了定子磁动势的大小，就能控制电机的转矩T，从而实现对电机转速n的控制。

永磁同步电机的数学模型如下：（ 2 ）

（3）

（4）

（5） [p]

其中为转子旋转电角度；为永磁体对应的转子磁链。将式（3）、（4）、（5）代入式（2）得：

（ 6 ）

变换得：

（7）

同理得：

（8）
导出电机的电磁转矩为：

（9）

多了个1.5倍的系数是因为坐标变换采用了幅值不变原则而不是功率不变原则。当id=0时，Te=1.5Npψfiq，即通过控制iq就可以线性地控制电磁转矩。系统控制环路结构如图2所示。

dq轴电流的控制是通过dq轴电压的控制来完成的。但dq轴电压无法直接输出，需要转换到三相静止坐标系中输出，见图2系统反馈控制环路图。

软件算法实现

在考虑软件设计时，必须紧紧依赖其硬件核心F2810的基础上，要保证工作的实时性，软件的灵活性和可靠性，软件设计也采用模块化设计方法。该软件主要包括三个部分：初始化模块、系统控制模块和通信模块。下面结合例子介绍DSP实现SVPWM的控制以及软件实现方法。

空间矢量的计算

当空间合成矢量U out以Oαβ坐标系上的分量形式U out、U outβ给出时，先用下式计算成本B0、B1、B2：

B0=U outβ

B1=sin60°U outα-sin30°U outβ

B2=-sin60°U outα-sin30°U outβ

再用下式计算扇区号

P=4sign(B2)+2sign(B1)+sign(B0)式中：sign(x)是符号函数。如果x>0，sign(x)=1；如果x<0，sign（x）=0。采用F2810进行空间矢量的计算，软件实现如下：

If Vref1>0

{A=1;else A=0;} [p]

If Vref2>0

{B=1; else B=0;}

If Vref3>0

{C=1；else C=0;}

Scetor=4C+2B+A

变量运算

为了能够采用定点处理器实现浮点运算，系统软件必须采用适当的定表格示，考虑到各种系统参数，本系统选用Q12定表格示。

注释：当DSP定时器采用连续增/减计数方式，周期寄存器的周期值等于T/2。

其中VDC为母线直流电压，V DC in t为电压定标系数，T为PWM的中断周期。

时间参数饱和计算

当根据逆变器单独输出零矢量O000和O111时，电动机的定子磁链矢量ψ是不动的。根据这个特点，在TPWM期间插入零矢量作用的时间t0，使TPWM=t0+t1+t2。其中t0为零矢量导通的时间，t1、t2分别为合成目的矢量相邻60°定子矢量的作用时间。当计算的饱和时，也即t1+t2>TPWM时，软件实现如下：

If (t1+t2)>PWMPRD

；