基于DSP的永磁同步电机伺服控制模块设计

发布时间:2017-10-16    供稿单位:秘书处    点击量:550

基于一种可以工作在恶劣环境下的高性能伺服控制系统,为了适应复杂多变的恶劣环境,提高现有伺服控制系统的性能及可靠性,选择基于旋转变压器的永磁同步电机组成伺服系统。旋转变压器具有在高低温、震动、电磁干扰等恶劣环境下正常工作的优点,还具有和光电编码器相媲美的角度分辨率,可以实现高性能的伺服控制系统。此伺服控制模块,搭配不同的安装有旋转变压器的永磁同步电机和驱动模块就能灵活组成多种伺服控制系统,可以满足不同的应用需要。目前这种电机的价格还比较高,但随着将来应用领域对伺服控制系统要求的提高和电机价格的下降,这种伺服控制模块会有很广泛的应用前景。

  2永磁同步电机伺服系统原理伺服系统采用SPWM波驱动方式和转速、电流双闭环控制的方法,其原理框图见。

  伺服控制模块获取旋转变压器的位置信号和永磁同步电机的电流信号,根据外界速度指令,进行实时信号处理,产生控制电机的驱动信号。经过驱动模块放大处理后,直接驱动电机,并让电机的实时转速和外界要求达到一致。

  永磁同步电机上固定了旋转变压器。旋转变压器是利用电磁感应原理的一种模拟式测角器件,与光电编码器相比,它的抗震性能更好、不易损坏、使用环境不受限制,具有更广泛的应用领域。旋转变压器定、转子绕组之间的电磁耦合程度与转子的转角有关。当输入端送入同频同幅的激磁信号给旋转变压器时,输出端会产生同频不同幅度的响应信号,并且响应信号的幅度和转子的角位置成正余弦的函数关系。通过鉴幅电路就能检测出电机转子的绝对角位置。

  驱动模块选用IPM智能功率模块,其内部集成了过流、过热、过压、欠压等异常情况保护功能,与伺服控制模块连接方便,运行时安全性、可靠性高。

  3伺服控制模块硬件设计伺服控制模块硬件电路由DSP控制芯片电路、位置信号检测电路、电流检测电路组成。其硬件框生正弦波、方波、三角波等多种波形,这里只使用其图如所示。

  伺服控制模块硬件框1DSP控制芯片电路该伺服控制模块采用TI公司的专用控制DSP处理器TMS320LF2406A为核心控制芯片。该芯片具有4级流水线,运算速度为每秒最大4(MIPS是普通51内核单片机的几十倍,足以满足复杂高速信号处理的要求。芯片上集成有FLASH、SRAM存储器、多通道AD转换器、SCISPI控制器等常用外设硬件,不但降低了电路设计的复杂度,还使电路具有良好的电磁兼容特性。PWM控制单元可以实现SPWM、SVPWM等驱动波形,满足各种应用要求。PDPNT引脚可以监测驱动模块返回的故障信号,实现紧急停机功能,提高了伺服系统运行的安全性。在芯片的周围设计好时钟电路、电源复位电路就可以组成最小的DSP系统。

  伺服系统的运行参数保存在EEPROM中,可以实时通过程序修改,并不受掉电状态的影响。光电隔离电路选用高速光耦做为隔离器件,让快速驱动信号传输时不发生失真,还能在电气上隔离控制模块和驱动模块,保护控制模块不受驱动模块干扰、正常工作。伺服模块和上位PC机之间只需要低速率数据的双工通信,采取RS232串行通信方式,具有简单方便的特点。

  32位置信号检测电路为位置信号检测电路的硬件原理框图。

  位置信号检测电路硬件原理框图位置信号检测电路产生旋转变压器需要的激磁信号。本系统中激磁信号为频率6KHZ、峰峰值10V正弦波发生器的功能。它产生稳定的6KHz正弦波信号,经过OPA547F高稳定运算放大器电路放大,得到激磁信号。

  位置信号检测的核心芯片是AD公司的旋转变压器-数字转换器芯片AD2S83它可根据同频率激磁、响应信号之间的幅度关系,通过计算得到旋转变压器的绝对位置信息,并输出为数字量。它的转换速度很快,测量一次位置信号所需的时间不到Ws而实际使用时2ms才测量一次位置信号,因此具有很强的升级潜力。其数据接口DB1~DB16能并行输出四种精度格式的位置信号,可跟据实际需要选择不同精度。可编程逻辑器件GAL16V8D实现对AD2S83芯片不同工作方式的选择。

  AD2S83和DSP的I/O接口分别为5V、33V的CMOS电平格式,不能直接连接。用电平转换芯片~5V电平转换电路,分别连接DSP和AD2S83每次读取位置信号,DSP会发出锁存和位选指令,分别控制AD2S83的InhibitByteSe lect端口,实现检测和接收位置信号的功能。

  33电流检测电路电流检测电路硬件原理框图如所示。

  电流检测电路使用LEM公司的电流传感器,LEM电流传感器的电流检测准确度和输出电流分辨率很高,并几乎不受后级电路匹配电阻大小的影响。后级的运算放大电路完成电流信号到电压信号的转换,输出给DSP的AD采样端口0V~33V内的电压信号。调整R1、R2R3的阻值可以改变电流信号和电压信号的线性关系,从而检测不同范围的电流值。R4C1为低通滤波网络,完成平稳输入信号和匹配输入的功能。二极管电路保护DSP的A/D采样端口,防止过、欠电压信号损坏DSP器件。

  4伺服控制模块软件设计伺服控制模块的软件功能是通过DSP芯片独立完成的。DSP程序用C、汇编语言混合编写,包括主程序和中断处理程序两部份。

  主程序完成的功能主要有初始化时钟、看门狗、的正弦波信号。i讼司的洲8芯片可以产中断寄存器'事件管理器和配置串口通信、采样、EEPROM等外设电路。初始化完成后,打开总中断,并进入发送串口数据的查询等待程序。

  中断程序实现转速、电流双闭环PID控制算法和产生SPWM驱动信号的功能。

  转速、电流环使用增量式的PD控制方法,并力口入变化幅度的限制。它和位置式PID算法相比的优点是计算量小、伺服系统的安全性好。调试好的PID参数存储在EEPROM存储器中,可以在程序运行的时候加载和修改,断电后也不会丢失。电流环程序的执行频率和驱动模块的开关频率一致,而速度环周期比电流环的周期长,一般为电流环周期的整数倍。本系统中驱动模块的开关频率为5KHz即电流环周期应该为200s用DSP的定时器1设定下溢中断,定时200s每次中断执行一次电流环程序。通过软件计数器判断执行速度环程序,每2ms执行一次。

  产生SPWM波形需要知道调制度M和角度0,调制度M通过速度环程序算出,角度0通过读位置信号程序得到。另外查存储在FLASH存储器的正弦数据表程序完成求sin0值的运算。在中断程序的最后,输出SPWM驱动波形,并正常退出。

  除上述程序外,中断程序里还包括的基本程序有读AD单元电流值程序、读AD2S83位置信号程序、电流滤波程序、上位机通信程序等。

  5实验结果实验的电机为科尔摩根公司的GoldenLine系列电机,型号为M-805-C.电机的额定功率为157娜,额定转速为3000RPM,额定电流为70A额定电压为230V,电机定子电阻为0 058U定子电感为32mH,转动惯量为0 06kgm2.实验的智能功率模块的开关频率为5KHz位置检测电路的数据转换精度为14位,速度环周期为2ms电流环周期为2(0Fs死区时间为在实验时,对转速、电流双闭环分别调试。在进行电流环的PD参数调试时,为了防止电机转动后产生的反电动势影响观察电流波形,要固定住电机的转子。用软件给出一个电流值指令,用示波器检测反馈回的电流波形。反复调整参数,让电流环的上升时间、超调量、误差带、调节时间等指标变得理想。接着调整速度环PID参数,用上位机观测电机实时转速,让电机的速度响应曲线指标变得理想。

  调整好的电流环指标为:上升时间4ms超调量24%、稳定误差<±6%、动态调节时间2ms动态降落10%.电机从静止到给定转速启动过程的速度响应指标:上升时间约为120ms超调量为18%,稳态速度误差小于1%. 6结束语基于AD2S83芯片的位置检测电路和高性能DSP控制芯片实现的伺服控制模块,可以方便的与装有旋转变压器的永磁同步电机、驱动模块组成永磁同步电机伺服控制系统,并具有很强的环境适应性、良好的速度控制特性。要提高系统性能,只需选择更高开关频率的驱动模块、适当降低死区时间、把位置检测电路的数据转换精度提高到16位、再把DSP软件做相应的修改即可,无需重新设计伺服控制电路,因此具有灵活的可升级性。综上所述,这种伺服控制模块将会有广泛的应用前景。


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