全数字化交流伺服控制系统的研究与设计

全数字化交流伺服控制系统的研究与设计*介绍了一种基于DSP（数字信号处理器）＋CPLD（复杂可编程逻辑器件）伺服控制系统。根据伺服电机的特殊要求及TIDSP控制器TMS320F2810的结构，详细阐述了控制策略和软件设计。在硬件逻辑电路设计中，运用ALTERA可编程逻辑器件EPM7128完成各种数字逻辑功能，提高了系统整体的抗干扰性能和保密性。验证结果表明，系统的硬件和软件设计合理，具有良好的伺服性能，可靠性高。关键词：数字信号处理器复杂可编程逻辑器件伺服控制卧龙控股集团任宝栋刘栋良严伟灿辽宁工程技术大学电气与控制学院任宝栋在现代运动控制进程中，实时测控系统对高速数字信号处理提出了更高的要求，为了满足世界范围内运动控制系统的需要，TI公司推出了一种面向高性能、高精度工业控制领域的32位定点DSP控制器TMS320F2810，在x240基础上性能提高了10倍，用软件实现数据处理，功能更强大，算法更灵活，多达128K字的FLASHE2PROM、2K字的ROM，能够满足大计算量、运算速度高的要求[1]；CPLD是一种复杂可编程逻辑器件，采用计算机辅助设计技术把设计生成的数据文件配置进芯片内部的静态数据存储器（SRAM）来完成，具有可重复编程性，可以灵活配置硬件逻辑电路，降低了PCB布板的空间和复杂度。将DSP＋CPLD结合并应用与伺服电机控制中，加以改进的控制算法和硬件结构，使整个电机控制系统达到了快速性和稳定性的要求。系统结构整个控制系统的被控对象为三相1200四级永磁同步电机，编码器为混合式光电编码器，采用差分传递以提高抗干扰能力。处理器采用为数字控制系统专用的TMS320F2810芯片，它是整个控制系统的核心，主要负责控制策略和控制算法的实现，并与人机界面进行通信，实现系统的数据处理，对伺服系统进行保护和报警显示等功能，人机界面的核心处理芯片为周立功单片机的7289显示芯片，主要负责向DSP发送转速给定、控制参数给定、启动/停止信息等，并实时显示驱动系统的数据变化。另外，在硬件控制板块中采用了ALTERA的CPLD-EPM7128,是为某种专门逻辑功能和时序功能而设计的集成芯片，将外部光电编码器信号等逻辑输入、输出引用端等PCB设计完成的大部分工作集成放在芯片设计中进行。这样不仅可以通过芯片设计实现各种逻辑功能，而且由于引端定义的灵活性，大大减轻了电路浙江省重点科技计划项目（2006C21062）设计和电路设计的工作量和难度，从而有效地增强了设计的灵活性，提高了工作效率，便于系统的二次开发[2]。系统的总体框图如图1所示：图1系统的总体框图CPLD的设计永磁伺服电机稳定运行时，其同步转速以及转子位置可以通过与转子同步的光电编码器所产生的脉冲信号来反映，因光电编码器产生的脉冲信号含有谐波成份，毛刺较多，为防止DSP读到误码，将转速、位置脉冲信号送到CPLD逻辑判断滤除干扰信号，同时起到保护DSP的作用[4]。由于篇幅有限，举例转速脉冲信号U+、U-的软件处理，其VHDL语言描述如下：process（U+,U-，U，ERR）beginif（U+＝‘0’andU-＝‘1’）thenU=U+,ERR=0;elsif（U+＝‘0’andU-＝‘0’）thenU=Z,ERR=1;elsif（U+＝‘1’andU-＝‘0’）thenU=U-,ERR=0;elsif（U+＝‘1’andU-＝‘1’）thenU=Z,ERR=1;end;控制方法原理在伺服系统中，通过对交流永磁同步电机电磁转据的控制，可使电机角位置、速度、加速度满足指令信号的要求，电机的电磁转距与电机电压、电流的关系是多变量、非线性的。交流电机矢量控制策略是解决这一难题的有效手段[3]。电机的电磁转距T为sinSfsfTKFF（1）同步电动机励磁磁势fF的方向在转子磁极轴线d轴上，当定子磁动势SF的大小按q轴定向时，sf＝090，只要控制了定子磁动势SF的大小，就能控制电机的转距T,从而实现对电机转速n的控制。永磁同步电机的数学模型如下：dddeqURip（2）qqdedURip（3）dddfLi（4）qqqLi（5）其中e为转子旋转电角度；f为永磁体对应的转子磁链将（3）、（4）、（5）式代入（2）式得：()ddddfeqqURipLiLidddeqqRiLpiLi(6)变换得：()deqqddULiRLpi（7）同理得：()()qeddfqqULiRpLi（8）导出电机的电磁转矩为：3()2epdqqdTNiiψψ3()2pfqdqdqNiLLiiψ(9)多了个1.5倍的系数是因为坐标变换采用了幅值不变原则而不是功率不变原则。当0di时，qfpeiNTψ5.1，即通过控制qi就可以线性地控制电磁转矩。系统控制环路结构如下图所示。图2dq电流反馈跟踪控制环路结构图(直流法)dq轴电流的控制是通过dq轴电压的控制来完成的。但dq轴电压无法直接输出，需要转换到三相静止坐标系中输出，见图2系统反馈控制环路图。软件算法实现在考虑软件设计时，必须紧紧依赖其硬件核心F2810的基础上，要保证工作的实时性，软件的灵活性和可靠性，软件设计也采用模块化设计方法。该软件主要包括三个部分：初始化模块、系统控制模块和通信模块[5]。下面结合例子介绍DSP实现SVPWM的控制以及软件实现方法。空间矢量的计算当空间合成矢量outU以O坐标系上的分量形式outU、outU给出时，先用下式计算0B、1B、2B012sin60sin30sin60sin30outoooutoutoooutoutBUBUUBUU再用下式计算扇区号P=4sign（2B）＋2sign（1B）＋sign（0B）式中sign（x）是符号函数。如果x0,sign(x)=1;如果x0,sign(x)=0.采用F2810进行空间矢量的计算，软件实现如下：If1refV0{A=1;elseA=0;}If2refV0{B=1;elseB=0;}If3refV0{C=1;elseC=0;}Sector=4C+2B+A变量运算为了能够采用定点处理器实现浮点运算，系统软件必须采用适当的定表格示，考虑到各种系统参数，本系统选用Q12定表格示。int2DCDCDCTPWMPRDVVV注释：当DSP定时器采用连续增/减计数方式，周期寄存器的周期值等于T/2。其中DCV为母线直流电压，intDCV为电压定标系数，T为PWM的中断周期。时间参数饱和计算当根据逆变器单独输出零矢量000和111时，电动机的定子磁链矢量是不动的。根据这个特点，在PWMT期间插入零矢量作用的时间0t，使PWMT＝0t＋1t＋2t。其中0t为零矢量导通的时间，1t、2t分别为合成目的矢量相邻60定子矢量的作用时间。当计算的时间饱和时，也即1t＋2tPWMT时，软件实现如下：If（2t＋1t）PWMPRD1112satPWMPRDtttt；2212satPWMPRDtttt；结论经大量实验证明，本控制系统将数字信号处理器与可编程逻辑器件相结合控制效果良好，可靠性高，稳定性好，为批量化生产奠定了坚实的基础。主要优点列举如下：（1）系统性能提高，由于高速的集成控制器的应用，提高了系统的精度，响应速度，静动态性能以及稳定性:（2）可编程能力强，用可编程控制器件实现的控制，算法易于用软件实现，调试维护方便，而且易于系统的升级:（3）较高的集成度，大大减小了控制系统的休积，节省了现场空间。（4）节省能源，环保。（5）可操作性强，具有友好的人机界面。参考文献[1]王晓明王玲。电动机的DSP控制－TI公司DSP应用[M]。北京航空航天大学出版社，2004[2]王聘。基于数字信号处理器的直流电机弱磁调速系统设计[J]。电机与控制应用2006（02）：51－55[3]孙殿忠。电机控制[M]。吉林科学技术出版社，2002[4]候伯亭。VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计[M]。西安电子科技大学出版社，1998[5]张卫宁编译。TMS320C28x系列DSP的CPU与外设[M]。清华大学出版社，2000作者简介任宝栋硕士主要研究方向是计算机在工业控制方面的应用。刘栋良博士后主要研究方向是交流伺服驱动系统及非线性控制策略研究。严伟灿高级工程师主要从事电机控制方面的研究