DSP在交流伺服系统中的应用

第27卷第4期 长春工业大学学报(自然科学版) V ol 27,N o.4
2006年12月 Jo ur nal of Chang chun U niver sity o f T echo no lo gy (N atural Science Edition) Dec 2006
文章编号:1006 2939(2006)04 0379 03
DSP 在交流伺服系统中的应用
李 赫, 李春梅
(长春工业大学机电工程学院,吉林长春 255013)
摘 要:以T M S320L F2407芯片为控制核心,实现对PM SM (P ermanent M agnetic Synchr onous M oto r)交流伺服电机的转速及位置控制。

对交流永磁同步电机进行数学建模,并用实验验证了DSP 控制的交流伺服系统具有调速范围宽、转子定位准确、响应速度快、智能水平高,以及良好动、静态性能等优点。

关键词:永磁同步电机(PM SM );交流伺服系统;数字信号处理器中图分类号:T B21 文献标识码:A
0 引 言
伺服控制是机电一体化技术的重要组成部分,它广泛地应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。

由于交流伺服系统具有直流系统不可比拟的优越性,因此,研究并制造高性能、高可靠性的交流伺服控制系统具有十分重要的现实意义
[1]。

交流伺服系统在许多高科技领域得到了广泛的应用,如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、柔性制造系统FM S (Flex ible M anufactur ing System ),以及雷达和军用武器随动系统等。

在雷达和军用武器随动系统中,对伺服系统又提出了许多特殊的要求:即高速、高精度、高可靠性和较强的抗干扰能力等性能缺一不可。

全数字控制因其自身高可靠性和抗电磁干扰能力强,己成为伺服控制的发展方向。

1 交流永磁同步电动机的数学建模
PM SM 在不需要励磁电流、逆变器供电的情况下,不需要阻尼绕组,效率和功率因数都比较高,而且体积较之同容量的异步电机小。

PMSM 的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,尤其是在数控机床和机器人等对高精度、高动态性能的伺服驱动需求不断增长的情况下,PMSM 数字控制系统逐渐成为主流[2,3]。

PM SM 的d,q 轴方向的内部电磁结构如图1
所示。

图1 PM SM 的d,q 轴方向的内部电磁结构
图中各相绕组的轴线方向作为各相绕组磁链的正方向,电流的方向也标示在图中,可以看出,定子各相的正值电流产生各相的负值磁链。

定子绕组的电压正方向为电动机惯例。

沿用理想电机模型的一系列假设,经过推导得到PMSM 的数学模型。

定子电压方程:
U d =p d - q r +ri d (1)U q =p q - d r +ri q
(2)
式中,U d ,U q 为定子电压矢量U 的d ,q 轴分
量; 为转子角频率;r 为定子相电阻。

定子磁链方程:
d =L d i d + r (3) q =L q i q
(4) 式中, r 为转子磁钢在定子上的耦合磁链;L d ,L q 为永磁同步电动机的直、交轴主电感;i d ,i q 为定子电流矢量的直、交轴分量。

收稿日期:2006 04 14
作者简介:李 赫(1973-),男,吉林长春人,长春工业大学讲师,大连理工大学硕士研究生,主要从事数字控制研究.
将式(3)和式(4)代入式(1)和式(2),得电磁转矩方程:
T em =P n (i q q -i d d )=
P n [ r i d +(L d -L q )i d i q ]
(5)
式中,P n 是电机极对数。

从上式可以看出,永磁同步电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,均采用转子磁链定向方式来控制永磁同步电机。

电机的运动方程:
J P n d d t
=T em -T L (6)
2 系统的总体设计
实现对永磁同步电机的速度控制,电机的相关参数:额定功率, 1.8kW;额定转速,2000r/min;额定转矩,11.8N m;极对数,4对。

选用永磁同步电机控制方法是基于空间电压矢量控制方法[4]
,其永磁同步电机矢量控制结构
如图2
所示。

图2 电机速度控制系统结构图
2.1 DSP 控制永磁同步电机的硬件结构 永磁同步伺服电机的控制,以DSP 数字信号处理器为核心
[5]。

其硬件结构如图3
所示。

图3 永磁同步电机控制器硬件结构图
从图3可以看出,该系统主要由控制器核心
TM S320LF2407A 和外围接口电路等几部分组成。

2.2 系统软件设计
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。

其中,DSP 伺服控制程序由PWM 定时中断程序、光电编码器零脉冲捕获中断程序、功率驱动保护中断程序和通讯中断程序4个部分组成。

主程序只完成系统硬件和软件的初始化任务,然后处于等待状态。

电机转速控制算法在PWM 定时中断服务程序中实现。

在一个中断周期内,从两路AD 采样电流可计算转子位置角和转速,当完成所有反馈通道计算后,再调用正向通道中的计算模块函数,最后输出三相逆变器的空间矢量PWM 波信号。

其中断周期设定为60 s,0.5ms 完成一次速度环和位置环的控制,控制器的PWM 开关周期设置为16kH z 。

通讯中断程序主要用来接收并刷新控制参数,同时设置运行模式;功率驱动保护中断程序则用于检测智能功率模块的故障输出,当出现故障时,DSP 的PWM 通道将被封锁,从而使输出变成高阻态。

系统的主要保护功能有:过电流保护、DSP 故障检测、过载保护、短路保护等。

通过各种保护功能,使系统能在安全的环境下正常工作,达到预定目标。

软件主程序结构框图如图4所示。

图4 主程序结构框图
3 实验结果分析
3.1 实验对象及其参数
交流永磁同步电机型号为130ST Z6 2 H M 。

(1)额定功率:1.8kW;(2)额定转速:
380
长春工业大学学报(自然科学版) 第27卷
2000r/min;(3)额定转矩:11.8N m;(4)极对数:4对。

采用TM S320LF2407A DSP 芯片实现对电机的控制。

3.2 实验结果
电机在不同情况下运行的实验图,如图5~图8
所示。

图5 低速空载稳态运行时的定子电流I
R
图6
空载正向最大转速起动时的速度波形
图7
正向最大转速空载起动时的制动转速波形
图8 最大正向转速空载起动时的定子电流I R
4 结 论
在线识别电机的一些特性参数(如负载转矩、转动惯量等)和性能指标,根据它们的变化实时地闭环调节系统控制器的参数,使系统控制性能趋
于最优,这种智能化伺服系统无疑将是今后研究的一个重要方向[6]。

文中得出以下结论: (1)永磁同步电动机功率较高、无转子发热。

(2)T MS320LF2407采用改进的哈佛结构,运算功能强大,能实现高速输入和高速率传输数据,并实现了实时控制。

(3)从实验结果可以看出,TM S320LF2407对PM SM 的控制精度高,较好地完成了对电机速度控制的要求。

参考文献:
[1] A no n.交流伺服电动机及其微机控制[M ] 胡玉雁,
徐崇庶,译 北京:中国矿业大学出版社,1997
[2] 王成元.矢量控制交流伺服驱动电动机[M ] 北京:
机械工业出版社,1995
[3] 郭庆鼎,王成元.异步电动机的矢量变换控制原理
及应用[M ] 沈阳:辽宁民族出版社,1988
[4] 王成元,周美文,郭庆鼎.矢量控制交流伺服驱动电
动机[M ] 北京:机械工业出版社,1995
[5] 张雄伟.DSP 芯片的原理与开发应用[M ] 北京:电
子工业出版社,1997
[6] 白恩远,王俊元,孙爱国.现代数控机床伺服及检测
技术[M ] 北京:国防工业出版社,2001
DSP application in AC servo drive system
LI He, LI Chun mei
(Sch ool of M echatronic Engin eering,Ch angchun University of T echn ology,Ch angchun 130012,Ch ina)
Abstract:With DSP T MS320LF2407as the centr al control unit,the rate and position of the AC permanent magnetic synchronous motor (PM SM )is successfully controlled.It is mathem atically
modeled,and the ex perimental results show that the system has the advantages like w ide speed rang e,accurate po sitioning,quick r esponse,hig h intelligence and bo th dynamic and static performances.Key words:PM SM;AC servo sy stem;DSP.
381
第4期 李 赫,等:DSP 在交流伺服系统中的应用。