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1、基于DSP永磁同步伺服系统速度环的研究ronggang导语：要获得高性能的沟通永磁同步伺服驱动就需要有性能优良的控制系统，80年度代以来随着各种相关技术的飞速开展要获得高性能的沟通永磁同步伺服驱动就需要有性能优良的控制系统，80年度代以来随着各种相关技术的飞速开展，有关永磁同步电动机矢量控制系统的研究成果不断涌现，为高性能永磁同步伺服系统的研究与应用奠定了根底。随着微型计算机技术十分是dsp技术的飞速开展，永磁同步伺服系统的数字化正在如火如荼地进展着。数字控制技术的应用不仅使系统获得高精度高可靠性，还为新型控制理论和方法的应用提供了根底。dsp和单片机的应用大大简化了系统构造，进步了系统性能，
2、显著进步了永磁同步伺服系统的可靠性柔性和动态性能。这种高精度快速响应的沟通伺服驱动系统被广泛应用在高精度数控机床，机器人，特种加工装备和精细进给系统中1。沟通伺服系统是电流、速度、位置三闭环控制系统,需要依靠传感器准确地检测被控对象的瞬时信息,进展误差校正，沟通伺服系统的三环构造如图1所示。align=center图1沟通伺服系统的三环构造/align各环节性能的优化是整个伺服系统性能进步的根底，外环性能的发挥依靠于系统内环的高性能，尤其是电流环和速度环，它是高性能伺服系统构成的根本。速度环是伺服系统动态跟踪实现的重要环节，系统需要速度环具有良好的动态响应速度、宽广的调速范围、优异的抗扰特性，
3、进而为伺服系统快速准确的定位与跟踪提供根底与条件。一个高性能的沟通伺服系统不仅要对指令做出快速响应，当外部出现大的扰动或者对象特性发生变化时，还应保持良好的响应性能，系统要具备很强的抗干扰性能，使其动态特性不随外部参数的变化而变化。下面，我们结合实际试验系统的构成、调试，研究永磁同步伺服系统速度环节的构造设计。永磁同步伺服系统构成原理目前，永磁同步电机电流控制的方案主要有两种:直接转矩控制和矢量控制。使用矢量控制，电流环很好地处理电机电枢电流响应问题，在实际系统运行范围内，只要系统给定在该转速下所需电流波形，电机电流均能很好地响应，所得电流交轴分量就是电机旋转所需的转矩分量，电机响应性能优异2
4、。而且，磁场定向矢量控制时，电机电枢磁场和转子励磁磁场间成90度恒定不变交直轴间解耦，具有转矩控制的线性特性，电流利用率高，调节器的设计轻易实现。坐标变换如式1所示:由于面装式永磁同步电机的交、直轴电感相等，比拟合适的就是id=0的控制方式3。1伺服系统电流环的设计设计多环控制系统的一般原那么是:从内环到外环，一环一环地逐步向外扩展。所以先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再设计转速调节器。当电机转速较低时，电机反电势也比拟小，因此在进展电流环设计的时候，可以先忽略反电势，这样可以得到电流环传递函数构造图如图2所示。align=center图2电
5、流环传递函数构造图/align图2各参数的意义为:kv为逆变器电压放大倍数，表示逆变器直流侧电压与三角载波幅值之比，v为逆变器时间常数，它与开关频率有关，rs为电枢绕组电阻，lq为交轴电感，ti是反应滤波时间常数，gacr为电流调节器。永磁同步伺服系统电流控制采用硬件电路实现。采用硬件电流控制用具有不占用计算机的运算时间，动态响应速度快，工作可靠，保护电路实现简单、稳定的优点。电流环控制对象包括pwm信号形成、延时、隔离驱动及逆变器、电机电枢回路、电流采样和滤波电路。在伺服系统中，三个电流环是独立的，而伺服系统实现转子磁场定向控制时，严格按照id=0的矢量控制方法给出电机三相电流，在电流环作用
6、下，电机实际电流便为所给定的转矩电流。考虑到电流环一般以其跟随性能要求为主，对电网电压的抗干扰作用是次要因素，按照调节器工程设计方法，将电流环校正成典型型系统，电流调节器gacr选为pi调节器，硬件构造如图3所示。align=center图3电流环硬件构造/align图3，包括信号调理、pi调节、pwm信号形成、前后沿延时处理及保护局部组成。其中ia是由dsp来的电流给定信号，iaf是电机电流采样信号，分别经过运算放大器调理以后送到调节器，经过调节运算输出误差信号。该误差信号与三角载波信号比拟形成pwm信号来控制逆变桥相应桥臂开关管的开关状态。同一桥臂的两个管子互补导通，为防止器件在开关经过中
7、直通而损坏，需要对pwm信号的前后沿做适当延时。电阻r12、r13和电容c1、c2及门电路组成互锁延时电路，实现pwm信号的前后沿延时。引入保护信号是为了当在系统需要时，或主开关器件故障时，可关断所有的开关器件。在实际的电路中，采用galgal16v8d来完成对pwm信号的前后延时。得到电流环的开环传递函数为:2其中km=1/rs，tli=lq/rs为电机电枢回路时间常数，ti=ti+v为等效小惯性环节时间常数，i为电流调节器积分时间常数，为了使电流环具有较快的响应速度，超调又不至于太大，可以使，转速环的截止频率一般比拟低，所以可对gik进展降阶处理，等效为式3所示的一阶惯性环节，其中，。3伺
8、服系统速度环的设计在设置转速调节器的时候，可以把已设计好的电流环看成是转速调节器的一个环节，得到如图4所示的闭环传递函数，其中gasr为电流调节器，k为电机电势系数，tm为电机机电时间常数，ton为速度反应滤波时间常数，所以速度调节器控制对象传递函数为:4对小惯性环节进展近似处理，小时间常数tl和ton合并成时间常数为tn=tl+ton的惯性环节，速度环控制对象为一个惯性环节和一个积分环节串联。在负载扰动作用点以后已经有了一个积分环节，基于稳态无静差的要求，必须在扰动作用点之前设置一个积分环节，因此需要型系统，再从动态性能上看，调速系统首先需要有较好的抗扰性能，典型型系统正好知足这个要求。速度
9、调节器选择pi调节器，传递函数为:该系统需要确定两个未知参数，为分析方便，引入变量h，定义h=n/tn，h为型系统中频宽，当对象参数tn一定时，改变n就改变中频宽。在n确定后，再改变kn，使幅频特性上下平移，进而改变截止频率cn。因此，在设计时，选择h和cn，就选择了n和kn，参见典型二型系统波德图如图5所示4,5。align=center图4速度环传递函数构造图图5典型二型系统波德图/align确定好h和cn后，可得n和。一般情况下，中频宽h=56时，型系统具有较好的跟随和抗扰性能。本系统速度调节器由dsp微控制器实现，我们采用“离散pi调节pi分时调节的算法来实现。速度pi调节运算表达式为
10、:7式中，t、ek、unk分别采样周期、第k次采样偏向值、第k次采样时输出。速度环的调节为pi调节器，但为了进步速度环的阶跃响应速度，抑制pi调节器的饱和，在速度调节控制中引入bang-bang控制机制，将速度调节器设计成这样的形式，在速度变化较小，或是仅在负载的扰动经过中，按照速度范围分段设定不同的比例积分系数。而当速度变化量超过规定值，使系统按照最大或最小电枢电流进展加减速，充分发挥了电机潜力。其控制算法为:9其中kp和ki为速度环比例积分系数，em为速度误差阀值，um为bang-bang控制输出电流限幅给定。采用以上的bang-bang控制方法以后，系统的速度环的动态响应性能无疑得到了很
11、大的改善，但由于pi调节器的作用，转速超调必然无可防止，解决这个问题的一个简单有效的方法就是在转速调节器上引入转速微分负反应，使得转速调节器的退饱和时间提早了。采用带微分负反应的pi型调节器在构造上符合当代控制理论中的“全状态反应的最优控制，因此可以获得实际可行的最优动态性能。系统软件的设计主控电路采用ti公司的高性能dsp控制器tms320lf2407a作为控制核心,它将一个高性能dsp核、大容量的片上存储器和专用的运动控制外设电路和其它功能的外设电路集成在单个芯片上,具有可编程、集成度高、灵敏性、适应性好及晋级方便等优点6。永磁同步电机转速控制器软件包括dsp主程序和dsp伺服控制程序。主
12、程序主要完成控制存放器的初始化，使能中断的功能和相关参数变量的初始值的设置。dsp伺服控制程序由定时中断程序、光电编码器零脉冲捕捉中断程序、功率驱动保护中断程序和通讯中断程序4个局部组成。在中断程序中设有位置计算、速度计算、速度调节等子程序，由于采用了高性能dsp器件确保了控制系统复杂矢量控制运算的执行，同时也进步了系统的响应时间。电流检测采用霍尔电流传感器和dsp内部集成的a/d转换模块完成。只要检测电机定子三相绕组中的两相即可,另外一相可以由三相平衡计算得出。从两路ad采样可计算转子位置角和转速，转子位置检测采用增量式光电编码器。光电编码器检测的位置脉冲信号两路正交脉冲信号a和b，一路零位
13、脉冲信号z和三路相差120度的初始位置脉冲信号u、v、w，实现初始位置的定位。a，b，z，u，v及w均为差分形式的信号,先经4线接收器am26ls32转换为单路信号,再分别送到dsp的捕捉端口a,b,z和通用i/o端口u、v、w。其中断周期设定为0.1ms完成一次速度环和位置环的控制，控制器的pwm频率设置为18khz。通讯中断程序主要用来接收并刷新控制参数，同时设置运行形式;功率驱动保护中断程序那么用于检测智能功率模块的故障输出，当出现故障时，dsp的输出通道将被封闭，进而使输出变成高阻态，控制软件的构造如图6所示。align=center图6中断效劳程序/align本文讨论了永磁伺服系统的控制策略，采用具有良好控制性能，价格又相对廉价的tms32of24o7来设计系统的转速环节，设计的永磁同步电机沟通伺服系统具有较宽的调速比及优良的动态响应特性轻易控制，具有良好的静动态性能，适用于中小功率伺服系统，应用前景特别广阔。