基于DSP的永磁同步电机伺服控制系统设计

摘要：目前，在数控机床、自动化生产线、工业机器人等小功率应用场合，以永磁同步电机(PMSM)为控制对象的全数字交流伺服系统正逐步取代直流伺服系统。介绍了PMSM的数学模型和磁场定向控制原理，并以TMS320F2808型DSP为核心，结合伺服控制特点，设计了一套功能完善、实时性好的PMSM交流伺服系统。实验结果表明电流环响应迅速、速度和位置闭环控制无稳态误差，证明所设计的硬件系统工作可靠，控制速度快。
关键词：永磁同步电动机；数字信号处理器；伺服控制

1 引言
    随着高效率的逆变器、数字信号控制器、高性能伺服电机和控制理论的发展，交流伺服系统取代直流伺服系统成为必然的趋势。
    PMSM转子无励磁绕组，电机运行效率高，采用高效的稀土永磁材料励磁可以有效地减少电机体积重量，实现高力矩输出，转子转动惯量明显降低。因而PMSM广泛应用于高性能的交流伺服驱动系统中。
    此处设计了一种以TMS320F2808型DSP为核心的全数字PMSM伺服控制硬件平台，在此平台上采用矢量控制算法控制PMSM，实现了位置、速度和电流三闭环控制。

2 位置伺服控制策略简介
    沿用理想电机模型的一系列假设，经过一系列推导可得PMSM在转子同步旋转d，q坐标系下的数学模型。

    如果不考虑磁路的凸极效应，那么Ld=Lq。由式(2)可知，当is与d轴的夹角为90°时，可获得最大转矩。此时，Te=3npψfsisq／2，由此可得，只要保持is与d轴垂直，可像控制直流电机那样，通过控制isq来控制转矩，实现PMSM转矩的线性化控制。图1示出基于转子磁场定向的PMSM伺服控制系统的结构图。

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3 硬件系统设计
    此处以F2808DSP为核心，结合多种外围扩展，构成一套功能完善、驱动简单的PMSM驱动系统，其结构框图如图2所示。

    由图可知，本系统的硬件结构主要由以下6部分构成：①PMSM；②DSP主控单元；③速度和位置检测电路；④主功率部分和驱动电路；⑤电流检测电路；⑥D／A转换电路；⑦保护电路。
3．1 逆变电路设计
    主电路由三相桥式逆变电路组成。根据控制对象的额定参数，选用MOSFET功率管IRF540N作为逆变电路的功率开关器件。考虑到功率器件的发热问题，MOSFET功率管采用壁贴的安装方法，解决了功率管的散热问题。这种结构保证了系统有足够的电压、电流裕量，提高了系统的可靠性。
3．2 MOSFET驱动
    功率管的驱动芯片采用半桥驱动集成芯片IR2106。该芯片内部集成了互相独立的驱动输出电路。由于IR2130内部的6个驱动器输出阻抗较低，直接应用其驱动功率MOSFET器件会引起MOSFET器件的快速开通与关断，这样会造成MOSFET器件漏-源极间的振荡，将引起射频干扰和造成MOSFET器件由于承受过高的du／dt而击穿。所以在本设计中在MOSFET管的栅极与IR2106的输出之间串联一个4．7Ω的无感电阻。
3．3 采样通道
    电流检测的方法很多，在本伺服系统中采用电磁隔离霍尔电流传感器CS040G进行电流检测。CS040G的初级电流测量范围为-20～20 A，对应的次级输出电压是-1～1 V。由于DSP A／D输入端只能接收直流信号(0～3．3 V)，故由传感器输出来的信号还要经过电平抬升电路。
    采样通道电压抬升电路采用运算放大器LM324与外围器件构成加法器，其输入信号有：①霍尔元件的输出电压Uis；②电平抬升参考电压信号Uref。输出为电压信号Uino，Uiso=1．5(Uin+Uref)。
    Uis信号幅值在±1 V内，Uref=1 V，因此可保证Uiso为正值。通过RC阻容构成低通滤波电路，消除开关干扰。DSP A／D输入端通过二极管与3．3 V相连实现筘位保护。
3．4 D／A转换电路
    为方便观测电机调试过程中出现的中间变量，硬件系统增加了D／A输出电路。目前D／A输出主要有两种方法：①采用软件PWM方法，将数字量经一个I／O口输出并接在一个简单的RC低通滤波器上获得模拟信号，该方案在高频时效果不好；②硬件方法，该方案在低频和高频时，效果都很好，缺点是成本较高。本系统采用硬件方法实现。
    D／A转换电路系统采用TLC5620芯片外加双极性输出电路，TLC5620是串联型8位D／A转换器。在控制TLC5620时，只要对该芯片的DATA，CLK，LDAC，LOAD端口控制即可。其中DATA为芯片串行数据输入端，与DSP的SPI从输入／主输出引脚相连，CLK为芯片时钟，接到DSP的SPI时
钟引脚。数据在每个时钟下降沿输入DATA端，数据输入过程中LOAD始终处于高电平，一旦数据输入完成，LOAD置低，则转换输出，实验中LDAC一直保持低电平。
3．5 过流故障信号检测
    此平台通过电流霍尔传感器对母线电流进行检测得到电压信号MC，再通过跟随器送入迟滞比较器与阈值电平比较，输出电压信号OC送入DSP的错误控制子模块来实现过流信号的检测。
3．6 脉冲输入接口电路
    采用高速光耦合器6N137，其内部是由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基箝位的集电极开路的三极管组成。

4 实验研究
    实验中采用三相PMSM，额定电压为36 V，额定电流为7．6 A，额定转速为3 000 r·min-1，额定功率为200 W，极对数为4，直轴电感为0．162 mH，交轴电感为0．142 mH，定子电阻为0．215 Ω，转子感应到定子侧的磁链为0．012 405 Wb。为了验证硬件系统设计的可行性，编制了PMSM伺服控制软件进行实验研究，其软件流程如图3所示。

    采用C语言编写伺服控制软件，系统控制周期为40μs，ePWM事件下溢触发A／D转换，然后进入周期中断，对采样信号进行处理得出新的PWM控制信号。编码器线数为1000。 [p]
4．1 电流环实验
    电流环是内环，其动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现。实验中，给定电机定子q轴电流分量iqref为±8 A方波信号，给定d轴电流分量idref为零，使电机在电流环模式下运行，d，q轴电流响应如图4所示。其中电流控制器比例系数Kp=0．72，积分系数Ki=0．06。
    由图可知，实际q轴电流快速跟踪其给定值，电流阶跃8 A响应时间约为0．5 ms，且基本无超调；实际d轴电流控制在其给定值零附近，电流脉动仅有±0．4 A。实验结果达到电流环的设计目的。

4．2 速度环实验
    速度给定决定于外部脉冲频率，其中Kp=2．14x10-2，Ki=1．62x10-6。其速度阶跃响应波形如图5所示。可知，速度阶跃响应时间约为250 ms，速度动态响应较快，稳态时速度跟踪稳定。

4．3 位置环实验
    位置给定采用外部脉冲给定。在连续输入指令脉冲电机连续运行时，位置响应及其误差波形如图6所示。θref表示位置脉冲给定Pg，θf表示位置反馈Pf。图6b为位置误差波形。可见，电机连续运行，位置跟踪稳态误差均值为零；动态脉动±12个指令脉冲，对应机械角误差为±1．08°，实验结果表明位置环工作稳定。

5 结论
    以TMS320F2808 DSP为核心，结合永磁伺服控制特点，设计了一套永磁同步电动机伺服控制系统，实验结果表明：①单片TMS320F2808型DSP资源即可最大限度地满足永磁同步电动机伺服控制需要，系统成本低廉；②电流环响应迅速、速度和位置闭环控制无稳态误差，所设计系统工作速度快，且工作可靠。