1 引言
近年來，交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，特別是在要求高精度、高響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)合，交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著微電子技術(shù)和功率電子技術(shù)的飛速發(fā)展，在交流伺服系統(tǒng)中已經(jīng)采用了各種新穎的器件如數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)、智能功率模塊(ipm)等，使伺服控制器從模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，而數(shù)字控制在精度、可靠性以及靈活性等方面的優(yōu)勢(shì)，也促使交流伺服系統(tǒng)向全數(shù)字化、智能化、小型化方向發(fā)展。
本文研究了采用ti公司的新一代低功耗、高速dsp芯片tms320lf2406的全數(shù)字交流伺服控制器的軟硬件設(shè)計(jì)和控制方案。tms320lf2406采用3.3v供電，在性能上有了進(jìn)一步的增強(qiáng)，不僅具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算能力，并且集成了豐富的電機(jī)控制外圍電路，特別適用于對(duì)控制器體積、性能要求較高的應(yīng)用。
2 交流永磁同步電機(jī)矢量控制
交流永磁同步電機(jī)在磁路不飽和，磁滯及渦流的影響忽略不計(jì)，定子三相電流產(chǎn)生的空間磁勢(shì)及永磁轉(zhuǎn)子的磁通分布呈正弦波形狀的條件下，若不考慮轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的凸極效應(yīng)，即ld=lq=l，可得其在d_q坐標(biāo)系上的狀態(tài)方程為[1]:
其中r:繞組等效電阻;l:等效電感;p:微分算子(d/dt);np:電機(jī)磁極對(duì)數(shù);ωm:轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度;ψf:轉(zhuǎn)子永磁效應(yīng)對(duì)應(yīng)的每對(duì)磁極磁通;tl:折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩;j:折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
式(1)中系數(shù)矩陣含有變量ωm，所以可知永磁同步伺服電機(jī)是一種非線性的控制對(duì)象，且d軸電流分量id和q軸電流分量iq之間存在耦合作用，為使永磁同步電動(dòng)機(jī)具有和直流電動(dòng)機(jī)一樣的控制性能，通常采用id≡0的線性化解耦控制，即在初始定向a相繞組和d軸重合之后, 始終控制電樞電流矢量位于q軸上,和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶空弧Ｈ欢鴱臓顟B(tài)方程可以看出，d_q坐標(biāo)系上的狀態(tài)變量存在著耦合關(guān)系，即vd不僅依賴于id，同時(shí)和iq也有關(guān)系，這給控制器的設(shè)計(jì)帶來了很大的問題，在通常的模擬方式交流伺服控制器中，只能通過增大電流控制器的增益實(shí)現(xiàn)電流矢量的快速跟蹤，得到近似線性化的解耦控制效果，而對(duì)于全數(shù)字化交流伺服控制器，如果知道交流永磁同步電機(jī)的感應(yīng)反電勢(shì)常數(shù)、電樞繞組的電感值，則可以通過完全去耦控制實(shí)現(xiàn)精確地線性化控制。現(xiàn)假設(shè)感應(yīng)反電勢(shì)常數(shù)、電樞繞組的電感值已知，那么令:
這樣vd_decoupled和vq_decoupled作為電流控制的輸出就成為完全解耦的控制量，在d_q坐標(biāo)系上，電流控制器也可以獨(dú)立地按照一階系統(tǒng)設(shè)計(jì)，再對(duì)d_q坐標(biāo)系上的電流控制器輸出進(jìn)行矢量解耦控制，就得到了實(shí)際的d_q坐標(biāo)系電壓矢量，可以產(chǎn)生實(shí)際的pwm驅(qū)動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 交流永磁同步電機(jī)控制器控制結(jié)構(gòu)圖
3 伺服控制器硬件設(shè)計(jì)
以數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心的全數(shù)字控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖上可以看出系統(tǒng)主要有以下幾部分:控制器核心tms320lf2406;外圍接口電路;功率回路。
(1) tms320lf2406的基本結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)
tms320lf2406與tms320f240相比，具有了一些新的特點(diǎn)[2,3]:采用了高性能靜態(tài)cmos技術(shù)，供電電壓降低為3.3v，減小了功耗，同時(shí)指令執(zhí)行周期縮短到33ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)處理能力;片內(nèi)包含32k的flash程序存儲(chǔ)器、544字雙存取 ram和2k字的單存取ram(可以靈活地配置為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器);片內(nèi)外設(shè)采用統(tǒng)一的外設(shè)總線和數(shù)據(jù)空間連接，其中包含兩個(gè)事件管理器模塊，每個(gè)均由兩個(gè)16位通用定時(shí)器、8個(gè)16位的脈寬調(diào)制(pwm)通道、3個(gè)捕獲單元以及一套編碼器接口電路組成;10位a/d轉(zhuǎn)換器采用序列器靈活編程，在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)可以對(duì)一個(gè)通道進(jìn)行多次轉(zhuǎn)換，可選擇分別由兩個(gè)事件管理器來觸發(fā)兩個(gè)8通道輸入a/d轉(zhuǎn)換序列或一個(gè)16通道輸入的a/d轉(zhuǎn)換序列，a/d轉(zhuǎn)換的最小時(shí)間為500ns。從上述的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以知道， tms320lf2406作為整個(gè)控制器的核心，集成了主要的電機(jī)外設(shè)控制部件，具有高速的運(yùn)算能力、較高的采樣精度，外設(shè)配置性能和功能比較強(qiáng)，非常適合構(gòu)成單片電機(jī)伺服控制器，完成實(shí)時(shí)性要求高的伺服控制任務(wù)。在本系統(tǒng)中利用它來實(shí)現(xiàn)矢量變換、電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制以及pwm信號(hào)發(fā)生、各種故障保護(hù)處理等功能。
圖2 交流永磁同步電機(jī)控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖
(2) 系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)
為了使伺服控制器具有緊湊、通用、小型的控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上采用單一dsp構(gòu)成控制器，使系統(tǒng)可以支持位置脈沖輸入、模擬速度輸入、模擬轉(zhuǎn)矩輸入以及通過上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制等多種方式[4]。
a) 控制接口電路設(shè)計(jì):對(duì)于位置脈沖輸入指令，利用tms320lf2406的第二個(gè)事件管理器模塊中的t4計(jì)數(shù)器對(duì)“脈沖+方向”的位置指令進(jìn)行計(jì)數(shù)或正交編碼電路對(duì)兩相正交脈沖輸入位置指令信號(hào)計(jì)數(shù);對(duì)于模擬速度輸入指令，利用dsp中的8個(gè)模擬量輸入通道進(jìn)行分時(shí)采樣，然后采用“過采樣”技術(shù)有效地提高模擬指令的分辨率。
b) 反饋接口電路:對(duì)于位置反饋輸入信號(hào)，利用tms320lf2406的第一個(gè)事件管理器模塊中的正交編碼電路對(duì)兩相正交脈沖輸入信號(hào)計(jì)數(shù);對(duì)于電流反饋采樣部分，兩相電流反饋分別占用dsp的4個(gè)模擬輸入通道，采用分時(shí)采樣和“過采樣”技術(shù)可以將電流反饋的分辨率提高到11位。
c) 外部接口電路:由于tms320lf2406采用3.3v電源供電，常用的+5v電源供電的i/o接口信號(hào)需要進(jìn)行相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換才能進(jìn)入dsp。對(duì)于開關(guān)類型的i/o信號(hào)，電平轉(zhuǎn)換可以采用光電耦合器實(shí)現(xiàn);對(duì)于差動(dòng)輸入的位置脈沖信號(hào)，可以采用高速光耦合器件如tlp112進(jìn)行差動(dòng)隔離接收，在光耦合器件的輸出端直接用3.3v電源實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換;對(duì)于模擬輸入信號(hào)，由于常用的控制器模擬輸入信號(hào)范圍為+/-10v，所以必須要用運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)變換，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換到dsp的模擬輸入范圍0~3.3v之內(nèi);對(duì)于pwm輸出信號(hào)，由于dsp的pwm輸出通道的電流能力有限，也需要擴(kuò)展一個(gè)輸入為ttl電平的緩沖器電路。
d) 控制器emi設(shè)計(jì)要求:tms320lf2406的供電電源分成了兩種，分別是數(shù)字電源，包括內(nèi)核電源+3.3v、i/o電源+3.3v;模擬電源即a/d轉(zhuǎn)換器電源，其中a/d轉(zhuǎn)換器的電源要和數(shù)字供電電源隔離，因此在pcb電路設(shè)計(jì)上要將模擬電源與數(shù)字電源嚴(yán)格分離，一件小叔子電路對(duì)模擬電路的干擾，這兩種電源的參考地在dsp內(nèi)部進(jìn)行了連接。比較好的pcb設(shè)計(jì)是采用4層板工藝，電源和地線在中間兩層進(jìn)行處理。
(3) 主電源電路
伺服系統(tǒng)的主回路逆變器采用智能功率模塊pm30csj060，該模塊采用30a 600v igbt功率管，內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，并設(shè)計(jì)有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路。同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)電路以減少強(qiáng)電對(duì)主回路的沖擊。在系統(tǒng)故障保護(hù)環(huán)節(jié)中，設(shè)置了主回路過壓、欠壓、過熱、過載、制動(dòng)異常、光電編碼器反饋斷線等保護(hù)，故障信號(hào)由軟硬件配合檢測(cè)，一旦出現(xiàn)保護(hù)信號(hào)，通過軟件或硬件邏輯立刻封鎖pwm驅(qū)動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)采用磁平衡式霍爾電流傳感器csne151采樣兩相電流反饋ia、ib，獲得實(shí)時(shí)的電流信息。系統(tǒng)的控制電源采用開關(guān)電源供電，開關(guān)電源功率開關(guān)器件選用top223。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
交流永磁同步電機(jī)控制器軟件包含兩個(gè)部分，一是 dsp的主程序部分;二是 dsp伺服控制程序，它由四個(gè)部分組成:pwm定時(shí)中斷程序;光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序;功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷程序;通訊中斷程序。在主程序中完成dsp系統(tǒng)以及外設(shè)部件的初始化、i/o控制信號(hào)管理、節(jié)電模式管理、故障檢測(cè)及處理等。在pwm定時(shí)中斷程序中實(shí)現(xiàn)電流環(huán)采樣及控制、矢量控制、pwm信號(hào)生成，中斷控制周期設(shè)定為100us，1ms完成一次速度環(huán)和位置環(huán)控制，伺服控制器的pwm開關(guān)周期設(shè)置為10khz，pwm信號(hào)采用空間矢量調(diào)制模式;通訊中斷程序主要實(shí)現(xiàn)接收并刷新伺服控制參數(shù)、設(shè)置伺服運(yùn)行模式;光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)編碼器反饋零脈沖精確地捕獲，得到交流永磁同步電機(jī)矢量變換磁場(chǎng)定向角度的修正值;功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷程序則檢測(cè)智能功率模塊的故障輸出，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，dsp的pwm通道將被封鎖，強(qiáng)制輸出變成高阻態(tài)。控制器軟件的初始化程序和pwm定時(shí)中斷程序的流程圖如圖3所示。
圖3 控制器軟件流程框圖
5 結(jié)論
本文提出的的交流永磁同步電機(jī)全數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方案采用單片tms320lf2406 ，充分利用了dsp的高速運(yùn)算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，保證了伺服控制的實(shí)時(shí)性，有效地簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔、緊湊。
參考文獻(xiàn)
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[4] 畢承恩等.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床[m].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.
作者簡(jiǎn)介
張小強(qiáng) 男 工程師 南京市中青年行業(yè)技術(shù)、學(xué)科帶頭人后備人員。南京力源強(qiáng)磁股份有限公司技術(shù)副總，兼南京蘇強(qiáng)機(jī)電數(shù)控機(jī)電有限公司總經(jīng)理，主要從事永磁同步電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器研制開發(fā)與生產(chǎn)。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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