郭鎖喜，邊黨偉，劉國(guó)濤，周 文，李長(zhǎng)紅

（1.海軍裝備部西安軍代局，陜西西安 710001；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽 712099；3.西安近代化學(xué)研究所，陜西西安 710065）

永磁同步電動(dòng)機(jī)的全數(shù)字增量位置控制研究

郭鎖喜1，邊黨偉2，劉國(guó)濤3，周 文2，李長(zhǎng)紅2

（1.海軍裝備部西安軍代局，陜西西安 710001；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽 712099；3.西安近代化學(xué)研究所，陜西西安 710065）

在矢量變換的基礎(chǔ)上，提出并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP）的永磁同步電動(dòng)機(jī) （PMSM）的位置控制系統(tǒng)，利用永磁同步電動(dòng)機(jī)自帶的旋轉(zhuǎn)變壓器來進(jìn)行矢量控制與位置控制，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件，給出了電流環(huán)、速度環(huán)與位置環(huán)的算法流程，在開發(fā)的基于DSP的電機(jī)控制平臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，并利用PC104完成上位機(jī)的監(jiān)控，試驗(yàn)結(jié)果表明，該位置控制系統(tǒng)具有良好的性能。

數(shù)字信號(hào)處理器；永磁同步電動(dòng)機(jī)；位置控制

交流永磁同步電動(dòng)機(jī)作為新一代的控制電機(jī)在高性能傳動(dòng)系統(tǒng)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，具有運(yùn)行效率高、功率密度大、體積小和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；逐漸取代直流電機(jī)和其他電勵(lì)磁電機(jī)。由PMSM組成的交流伺服系統(tǒng)具有很高的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能及很寬的調(diào)速范圍，在現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

矢量控制［1-5］即磁場(chǎng)定向控制，最初是由德國(guó)Blaschke等人于1971年提出的，永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制是將三相定子的電流和電壓變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，并對(duì)電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量分別控制，可獲得和直流電機(jī)相媲美的性能，筆者在PMSM矢量變換的基礎(chǔ)上，采用TI公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407，完成了PMSM的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的實(shí)現(xiàn)。

1 PMSM位置控制系統(tǒng)組成原理

PMSM在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐標(biāo)系）下的電壓方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程為［6］：

式中：Id和Iq分別為電機(jī)d軸電流和q軸電流；Ud、Uq分別為電機(jī)d軸電壓和q軸電壓；Ld、Lq分別為電機(jī)d軸電感和q軸電感；R為電機(jī)定子繞組電阻；pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)；Ψr為電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極磁通鏈；Te為電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩。

實(shí)現(xiàn)該P(yáng)MSM位置控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)組成，其中，電流環(huán)采用了dq坐標(biāo)系下的電流調(diào)節(jié)，被控量Id、Iq穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)為直流量，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，可消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高了電流環(huán)的跟蹤精度。圖中的分別為d軸電流、q軸電流給定值。

為了實(shí)現(xiàn)速度環(huán)的快速且超調(diào)小的控制，采用積分分離的PI算法，則速度調(diào)節(jié)器輸出為

式中：kpv、kiv分別為速度調(diào)節(jié)器比例增益和積分增益；ev（t）為速度誤差。

2 硬件及軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件

利用TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320LF-2407開發(fā)了一套永磁同步電動(dòng)機(jī)的位置控制系統(tǒng)，其中DSP芯片TMS320LF2407是專用于電機(jī)數(shù)字化控制的芯片，內(nèi)部集成了事件管理模塊、PWM電路和A／D轉(zhuǎn)換器等單元。

該控制系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)包括DSP主控制器、IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測(cè)與保護(hù)電路和軸角轉(zhuǎn)換電路等，位置參考信號(hào)由上位機(jī)PC104通過CAN總線傳輸給DSP控制器，并利用上位機(jī)完成PMSM控制系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控。電流的檢測(cè)采用LEM霍爾傳感器LA28-NP，檢測(cè)后的電流經(jīng)過運(yùn)算放大器濾波放大加偏置后送入DSP的A／D轉(zhuǎn)換單元。軸角轉(zhuǎn)換電流選用RDC芯片AD2S83，與電機(jī)同軸相聯(lián)的旋轉(zhuǎn)變壓器連接，轉(zhuǎn)換的角度數(shù)字量直接送入DSP參與控制。執(zhí)行電機(jī)選用KOLLMORGEN公司生產(chǎn)的伺服電機(jī)，型號(hào)為M- 403- B，電機(jī)內(nèi)部集成了旋轉(zhuǎn)變壓器。

2.2 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)中，作為主控制器的DSP芯片主要完成電機(jī)電流的采集、電機(jī)轉(zhuǎn)角位置的采集，根據(jù)這些采集量來完成位置環(huán)、電流環(huán)、速度環(huán)及矢量變換的運(yùn)算，并產(chǎn)生6路帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM控制脈沖，由IGBT驅(qū)動(dòng)電路放大后加到IGBT模塊上。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電流環(huán)的控制流程如圖3所示。

位置環(huán)和速度環(huán)共用一個(gè)中斷服務(wù)程序，采樣周期為1 ms，在位置環(huán)中，位置反饋直接來源于電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器的位置，利用該位置信號(hào)，對(duì)電機(jī)整圈數(shù)進(jìn)行記數(shù)（轉(zhuǎn)數(shù)值），并與原來RDC位置組合成位數(shù)更寬的位置量，設(shè)RDC轉(zhuǎn)換角度為θ1（電機(jī)角度數(shù)字量，12位二進(jìn)制數(shù)），轉(zhuǎn)數(shù)值為θ2，組合后的位置記為θ，組合方法為

即θ2與θ1的高8位組合成16位角度。

一般來說，位置系統(tǒng)主要有跟蹤和定位兩種，筆者在此基礎(chǔ)上，給出了一種增量式定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法及流程，如圖4所示，該定位系統(tǒng)由CAN總線讀取增量位置主令θ*（位置給定增量值），并使系統(tǒng)在當(dāng)前組合位置上再旋轉(zhuǎn)θ*角度，在流程中，將系統(tǒng)的組合位置量加上增量位置主令得到絕對(duì)位置主令θ′*，即組合位置量的設(shè)定值，之后由位置環(huán)實(shí)現(xiàn)該定位，當(dāng)定位誤差e小于ε，并等待若干個(gè)位置環(huán)采樣周期后置到位標(biāo)志為1，完成定位，其中，采用計(jì)數(shù)器變量si累加到設(shè)定值實(shí)現(xiàn)若干個(gè)位置環(huán)采樣周期的等待，否則將到位標(biāo)志和計(jì)數(shù)器si清零，位置調(diào)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)器，離散化后表達(dá)式為

式中：kp和ki分別為比例增益和積分增益；Tc為位置環(huán)采樣周期。

增量位置控制使上位機(jī)在當(dāng)前位置下，通過給定增量位置，進(jìn)行位置累計(jì)定位，它無需知道當(dāng)前具體的位置信息量，對(duì)于外能源的鏈?zhǔn)脚诳刂?、?shù)控機(jī)床進(jìn)給控制是非常方便的。

2.3 上位機(jī)

選用PC104嵌入式計(jì)算機(jī)作為該位置控制系統(tǒng)的上位機(jī)操縱臺(tái)，該上位機(jī)系統(tǒng)包括有PC 104CPU板、CAN板、顯示屏和鍵盤等。一方面通過CAN總線把位置參考值傳送給DSP；另一方面，DSP系統(tǒng)實(shí)時(shí)將一些運(yùn)算的中間變量（如轉(zhuǎn)速、實(shí)際的角度、電流等）通過CAN總線傳送給上位機(jī)并顯示，該上位機(jī)硬件框圖如圖5所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)際開發(fā)的PMSM全數(shù)字位置控制系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)中的電機(jī)軸裝有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.015 54 kg·m2的慣量輪，圖6給出了電機(jī)位置開環(huán)時(shí)（速度環(huán)工作模式下）的A相電流i和轉(zhuǎn)速ω波形，可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)快速，超調(diào)量小，圖7～9分別給出了電機(jī)增量位置為5、10、20 r時(shí)的電機(jī)角度θ1波形和轉(zhuǎn)速ω波形，電機(jī)定位快速，精度高，超調(diào)量小。

4 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了永磁同步電動(dòng)機(jī)的全數(shù)字化的位置控制，位置的反饋量由電機(jī)旋變檢測(cè)的角度對(duì)高位過零時(shí)記數(shù)，并與原位置組合，可有效降低位置伺服系統(tǒng)的成本，同時(shí)給出并實(shí)現(xiàn)了一種增量式定位控制方法，并采用PC104的上位機(jī)的系統(tǒng)，通過CAN總線來對(duì)該位置控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。在開發(fā)的基于DSP2407的永磁同步電機(jī)控制平臺(tái)上，對(duì)筆者提出的方法進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和工程可實(shí)現(xiàn)性。

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CHEN Mingjun，LI Changhong，YANG Yan.Weapons servo system engineering practice［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2013.（in Chinese）

Full Digital Incremental Position Control for Permanent Magnet Synchronous Motor

GUO Suoxi1，BIAN Dangwei2，LIU Guotao3，ZHOU Wen2，LI Changhong2

（1.Xi’an Military Representatives Bureau of Navy Equipment Department，Xi’an 710001，Shaanxi，China；2.Northwest Institute of Mechanical＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China；3.Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi，China）

A digital signal processor（DSP）based position control system for permanent magnet synchronous motor（PMSM）is presented and developed on the basis of vector transformation.Vector control and position control are implemented using the inherent revolving transformer of PMSM，which greatly simplifies the hardware of the system.The algorithm procedures of current loop，speed loop and position loop are offered.An experiment is carried out on the DSP-based PMSM control platform for empirical validation.System surveillance is accomplished by using the PC104 computer.The experimental results show that the position control system exhibits favorable performance.

digital signal processor；permanent magnet synchronous motor；position control

TM351

A

1673-6524（2015）03-0031-04

2014- 12- 17；

2015- 05- 06

郭鎖喜（1976－），男，工程師，主要從事火炮及彈藥技術(shù)研究。E-mail：295313649＠qq.com