双轴交流同步电机伺服系统设计文档格式.docx

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因此,非常有必要去研究高性能、低成本、通用性强的系统设计方案。

结合实际需要,充分考虑高性能DSP的灵活外设配置能力,探讨了利用单个DSP实现两台伺服电机驱动控制的方案。

该方案采用一片专用于电机控制的TMS320LF2407A型DSP为主控处理器,辅以单片机和大规模可编程逻辑阵列器件,组成一种新型的具有通用结构的双轴伺服驱动控制平台。

通过系统软硬件设计及实验结果分析,验证了设计方案的合理性和可行性,为实现双轴同步协调控制提供了较好的解决方案。

2交流PMSM矢量控制原理

PMSM在磁路不饱和、磁滞及涡流损耗不计、定

子三相电流产生的空间磁势及永磁转子的磁通分布呈正弦波的条件下,若伺服电动机转子为圆筒形结构,不考虑凸极效应,则Ld=Lq=L。

为了实现PMSM的矢量解耦控制,通过3/2变换和旋转变换可得到d,q坐标系的状态方程,即:

didiqωm

=-R/Lpωm-p0ωm-R/L-pΨf/L0-pΨf/L0idiqωm

+uduq

-TL/

J（1式中:

R为定子绕组等效电阻;

L为定子绕组等效电感;

p为电机磁极对数;

ωm为转子机械角速度;

Ψ为f转子永磁效应对应的每对磁极磁通;

TL为折算到电动机轴上的总负载转矩;

J为折算到电机轴上的总转动惯量。

由式（1可知,三相交流永磁同步伺服电机的模型是一个多变量非线性的状态方程,id,iq之间存在很强的耦合关系,状态变量id,iq,不ω能m独立调节。

为

了使PMSM具有与直流电动机相同的控制性能,实现转矩线性化控制,就必须解决id,iq之间的耦合问题。

转子磁场定向控制是一种常用的解耦控制方法。

将d,q旋转坐标系建立在转子上,随转子同步旋转。

其d轴（直轴与转子的磁场方向重合（定向,q轴（交轴逆时针超前d轴90°

电角度,如图1所示。

三相定子电流合成矢量is在d,q坐标系上的投影为直流量Id,Iq,当is与d轴的夹角β=90°

时可以获得最大转矩。

这时Id=iscosβ=0;

Iq=issinβ=is,

电磁转矩方程为:

Tm=3pΨfiq=3pΨfis

（2式（2说明如果保持is与d轴垂直,控制Id≡使0,Id,Iq解耦,就可以通过调整直流量Iq来实现转矩的线性化控制。

这里采用电流反馈解耦的控制方法,通过快速化电流控制实现近似解耦。

云,李叶松

（华中科技大学,湖北武汉

430074

摘要:

介绍了一种全数字双轴交流永磁同步电机（PMSM伺服系统的实现原理和软硬件设计方案。

系统采用单片

TMS320LF2407A型DSP为控制核心,以智能功率模块（IPM构成双逆变器并联主回路,结构紧凑。

实验及应用结果

表明,该系统性能优良,可方便地实现双轴交流伺服系统的同步控制。

关键词:

永磁电机;

伺服系统;

同步电机/数字信号处理器中图分类号:

TM351

文献标识码:

A

文章编号:

1000-100X（200903-0036-03

TheDesignofaDual-axisDigitalACPMSMServoSystem

ZHAOYun,LIYe-song

（HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China

Abstract:

Thispaperpresentsanovelcompactdual-axisdigitalACPMSMservosystem,inwhichoneDSPisusedtocontroltwosetsofservoloopandtwoIPMareconstructedasdualparallelinverter.Thehardwareandsoftwaredesignaredescribed.Theproposedsystemisverifiedwithhighperformanceandreliabilitybyexperimentandapplicationresultsandcouldimplementdual-axissynchronousservocontroleasily.

Keywords:

permanentmagnetmotor;

servosystem;

synchronousmotor/digital

signalprocesser

图1永磁同步电机a,b,c坐标系与d,q坐标系的关系

3系统硬件结构设计系统硬件设计由控制电路和功率电路（包括开关电源设计两部分组成。

动力电源输入为三相交流

220V（-20%~+15%,50Hz,控制电源由直流母线经

开关电源获得。

总体硬件结构如图2所示。

3.1控制电路的设计

双轴伺服系统的设计首先要为实现双轴的同步

控制创造条件,即两轴的电流采样、脉冲反馈计算和控制输出等要精确同步,同时考虑到低成本要求,采用单DSP控制是比较合适的选择。

但是,双轴的伺服控制任务多、计算量大,为了保障系统的高实时性,必须合理划分系统的功能,并对控制任务进行调度分解。

因此,控制电路采用了DSP+CPLD+MCU的体系结构,相互协作完成双轴的驱动控制功能。

DSP采用专用于运动控制的TMS320LF2407A

型芯片[2]。

作为整个控制器的核心,该器件包括两个事件管理器模块EVA和EVB,每个均由两个16位的通用定时器、3个带可编程死区控制的全比较单元、8个16位的脉宽调制（PWM通道、3个捕获单元和1套正交编码脉冲电路组成,具有高速的运算能力（40MIPS、较高的A/D采样精度,外设配置功能强大灵活。

由于上述特点,TMS320LF2407A非常适合作为双轴伺服系统的主控CPU,完成实时性要求很高的伺服控制任务。

在此,它主要完成模拟指令和双轴定子电流的采样计算;

电机转子磁极角度、转速以及位置的实时反馈计算;

矢量坐标变换;

两轴的位置、速度、电流调节;

SVPWM调制及双逆变器驱动信号的产生以及系统故障的检测与处理等。

EPM240型CPLD用来完成外部IO信号（使能信号、报警清除等处理、DSP与单片机之间的并行

数据交换、位置脉冲指令信号接收转换以及硬件故障信号处理等任务。

AT89S8252型MCU主要完成实时性要求不高

的系统任务,包括按键输入参数设定、控制参数存储、LED状态显示和串行通信等。

采用这种结构将系统的软硬件功能进行了有效的整合,使系统可以高效、低成本地实现双轴的伺服控制。

3.2功率电路及其可靠性设计

（1主回路部分

主回路采用AC/DC/AC电压型逆变器模式。

输

入三相交流220V电源经过桥式整流器整流得到310V直流电源（直流母线。

为防止电网浪涌的影响,在整流桥三相输入端与地之间接入安规电容,在各相之间接入安规电阻以有效吸收浪涌电压。

为保持直流母线电压的相对稳定,在母线之间并联了若干大容量的电解电容,起滤波稳压的作用;

同时系统设计了软起动电路和泵升制动吸收电路,以减少功率强电对主回路的冲击。

双轴伺服控制需要两个逆变器各驱动一台伺服电机。

由于两个逆变器分别给不同的负载供电,并联

时不存在负载均流和环流的问题,对两逆变器的输出电压幅值、频率和相位也没有同步要求,因此系统设计了双逆变器并联于公共直流母线的拓朴结构,如图2所示。

采用了两块PS21867型IPM,该器件采用600V/30A低损耗IGBT三相逆变桥,内部集成了驱动缓冲电路和各种故障检测保护电路。

逆变桥开关器件均采用差动结构通过光耦驱动,所有PWM引脚都上拉为高电平以防止开关管误导通。

在逆变器输出端串联精密采样电阻,通过线性光耦实时检测两台电机相电流的瞬时值。

在系统故障保护环节中,设计了母线电压检测电路和逆变器模块故障检测电路,对主回路过压、欠压、过载、制动异常和IPM故障等信号由软硬件配合检测,一旦确定故障,通过软件和硬件逻辑立刻封锁PWM驱动信号并显示故障类型。

（2开关电源部分

控制电源由直流母线输入经开关电源获得,由于伺服电机在高速起动、制动过程中对直流母线电压的冲击很大,因此开关电源的可靠性设计极其重要。

系统中用两片TOP244Y芯片设计了开关电源及外围电路,为功率主回路的双逆变器模块提供8路15V驱动电源,为控制板提供5V,24V电源,再经电平转换芯片NCP1117DT33将5V转换成3.3V为控制电路提供电源。

4双轴交流伺服系统控制软件设计

考虑到双轴伺服控制功能较多,软件计算负荷

较重,为保证系统的高实时性要求,根据前述硬件结构的特点可知,其中的关键是DSP控制软件的设计,需要保证硬件运行可靠,控制任务调度高效合理,以精确实现双轴伺服控制的同步功能。

DSP的双轴伺服控制软件总体结构如图3所示。

按照软件工程的思想:

系统BIOS功能模块完成上电初始化工作,具体包括DSP内核、片上外设、中断设置初始化、伺服控制参数初始化、双轴转子初

图2双轴PMSM伺服系统总体结构图

始位置检测等。

实时调用RTOS功能模块分为周期查询和中断调用两类任务。

对实时性要求不高的系统任务如I/O信号处理、控制参数在线修改、故障警示输出、监控状态显示等,在DSP的背景循环程序中周期性地轮询调度;

而对实时性要求很高的双轴伺服控制任务则采用中断的方式