基于DSP的交流伺服系统

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1996.03.017 第18卷第3期 北京科技大学学报 Vol.18 No.3 196年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun 1996 基于DSP的交流伺服系统 王志良郝玉东胡汉金解仑 北京科技大学自动化信息工程学院，北京100083 摘要推导出永磁同步电动机(PM电机)的数学模型.根据交流电动机矢量控制理论，提出了 PM电动机交流伺服系统控制结构，并实现了以DSP为控制器，IGBT为功率开关器件的永磁同 步电动机矢量控制转矩闭环系统，最后给出了实验结果· 关键词伺服系统，矢量控制，交流电机，数字信号处理器 中图分类号TM383.42,TM921.541 交流伺服控制是电气传动领域的高新技术，它主要应用在机器人、数控机床等需要高精 度调速的领域，本文采用以DSP为控制器的电流、转矩、转速三环控制结构，通过对同轴 安装在PM电机上的光电编码器的输出信号进行处理，得到定子电流相位信号和速度反馈信 号；电流反馈信号从霍尔电流传感器取得，其中，电流环采用滞环控制；转矩环采用矢量控 制；速度环采用PI控制·实验结果表明，此系统具有控制简单、响应速度快、低速运行平 稳、调速范围宽等优点，具有较大的理论意义和实用价值· 1PM电动机的数学模型 在PM电动机中，由于磁场是永磁的，所以励磁电流I,和互感L的乘积是一个常数， 即电势常数，定子回路的电压方程为： u. 「R+(3/2)PL0 0 sina up 0 R+(3/2)PL 0 h sin(e+(2/3)π) (1) ue」 0 0 R+(3/2)PLL元J Lsin(e-(2/3)m)」 式中，R、L一相绕组的电阻、电感；￡一转子位置的电角度；P-微分算子. 前一项是阻抗压降，后一项是旋转电动势.转矩方程为： M,=pLI [i sine+ip sin(e+(2/3)n)+i sin(-(2/3)n) (2) 式中，P为电机极对数·动力学方程为： J·do/dt=M,-M (3) da/dt=w (4) 前面4个方程构成了永磁式同步电动机的数学模型： 2PM同步电动机矢量控制原理 PM电机的矢量控制有多种策略·本文采用=0的方法，即将基准旋转坐标系的水平 1995-04-12收稿第一作者男39岁博士副教授 幸国家博士点基金资助课题

第 1 8卷 第 3期 1 9 9 6 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 oJ u m a l o f U n i v e sr iyt o f Sd en ce a n d Tce h n o fo g y eB ij ign V o l . 18 N o . 3 J . 压 19 9 6 基于 D S P 的交 流伺服系统 王 志 良 都 玉 东 胡汉金 解 仑 北京科技大学 自动 化信息工 程 学 院 , 北京 1(X 幻8 3 摘要 推导出永磁 同步 电动机 (P M 电机) 的数学模型 . 根 据交流电动机矢量控制理论 , 提 出 了 P M 电动机交流伺服系统控制结构 , 并实现了 以 1粥 P 为控制器 , IG B T 为功率开 关器件 的永磁 同 步电动机矢量 控制转矩 闭环 系统 . 最后给 出了 实验结果 . 关键 词 伺服 系统 , 矢量控制 , 交流电机 , 数字信号处理器 中图分类号 T M 383 .4 2 , T M 92 1 . 54 1 交流 伺服 控制是 电气传动领 域的 高新技 术 , 它主要 应用在 机器 人 、 数控 机床等需要高 精 度调 速 的领域 . 本 文采用 以 1〕S P 为控 制器 的 电流 、 转 矩 、 转 速 三 环控 制 结 构 , 通 过 对 同轴 安装 在 P M 电机上 的光 电编码器 的输 出信号进 行处理 , 得 到定 子 电流相位信 号和速 度反馈信 号 ; 电流 反馈 信号从 霍尔 电流传感 器取 得 . 其 中 , 电流 环采用 滞环 控制 ; 转 矩环采 用矢量控 制 ; 速度 环采 用 PI 控 制 . 实验结 果表 明 , 此 系统具 有控 制 简单 、 响应 速 度 快 、 低 速 运行 平 稳 、 调速 范 围宽等优点 , 具有较 大的理 论意 义和 实用价值 . 1 P M 电动机的数 学模型 在 P M 电动 机 中 , 由于 磁场是 永 磁 的 , 所 以 励 磁 电 流 几和 互感 mL 的乘 积 是 一 个 常 数 , 即 电势常 数 . 定子 回 路 的电压方 程为 : + ( 3 / 2) P L O R + ( 3 / 2)PL O 0 1「叫 ! 0 _ _ }卜… + smL 寿 { R + (3 / 2 ) P L J L ic J L s i n 仓+ ( 2 / 3) 二 ) s i n 介一 ( 2 / 3) 二 ) ( l ) 00 R 尸. L 一 门lesw esl ` J a卜c U 一lel esL (2)34 式 中 , R 、 L 一 相 绕组 的电阻 、 电感; ￡ 一 转 子位 置的 电角度 ; P 一 微 分算子 . 前 一项是 阻抗 压 降 , 后 一项是 旋转 电动势 . 转 矩方程 为 : 城= P mL 弄ia[ s i n 。 + 礼s i n ( 。 + ( 2 / 3) : ) + ic s i n 住一 ( 2 / 3) 二 ) 式 中 , p 为 电机极 对数 . 动力 学方程 为 : J · d 。 d/ t = M J 一 M : d : d/ r = 。 前 面 4 个方 程 构成 了永磁 式同步 电动机 的数学模 型 . 2 P M 同步电动机矢量控制原 理 P M 电机 的矢 量控 制有 多种 策略 . 本文 采 用 枯二 O 的 方法 , 即 将基 准 旋 转 坐 标系 的水平 1叩5 一 以一 12 收稿 第一 作者 男 39 岁 博士 副教授 * 国 家博士 点基 金 资助 课题 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1996. 03. 017

Vol.18 No.3 王志良等：基于DSP的交流同服系统 ,277. 轴选取在转子轴线上（见图1）·这样，根据磁极的位置可以确定电流信号的相位角· 在d-q轴系上，电压方程为： -R+G32)PL 0 0 R+(3/2)PL Li,. 「3/2)Li, LL.-(32)Lia」 (5) 转矩为： M,=pLolrig (6 由(6)式可以看出，PM电动机的电磁 M 转矩只与i,有关，而与无关，只要控制， 这就可以象控制直流电动机那样控制力矩，在 6 PM电动机矢量控制中用转子磁极定向代替了 图1PM电机矢量变换的坐标系 感应电动机转子磁场定向，不需要观测转子磁通，系统得到了简化， PM电机矢量控制可分为直流控制和交流控制两种方式，交流控制方式是使电动机的实 际电流i。、i,,跟踪交流给定电流、、；直流控制方式是使d-q坐标系的以，跟踪 直流电流给定，，实现转矩闭环控制· 3PM电动机矢量控制系统的硬软件结构 3.1硬件结构 研究采用滞环控制电流跟踪型SPWM技术，这种控制技术是把电动机实际电流和给定 电流之差限制在所设定的滞环带内，实际电流波形围绕给定正弦作锯齿状变化，这种滞环控 制器具有响应速度快、精度高、数学模型简单、实现容易、电流波形好等优点， PM电动机矢量控制就是在滞环控制电流跟踪型SPWM的基础上实现的，其硬件结构 图如图2所示. dsd 电流控制器 数据总线 位置信号处理器 光码盘 PG 图！PM电动机矢量控制系统的硬件结构 DSP(型号：TMS320C25)作为系统的控制器，它是一种为处理数字信号而专门设计的高速芯

V o l . 18 N O . 3 王 志 良等 : 基于 D SP 的交流伺服系统 轴选取 在 转子 轴线 上 ( 见 图 1 ) . 这样 , 根据磁 极 的位置 可 以 确定 电流信号 的相位 角 . 在 d 一 q 轴 系上 , 电压方程 为 : a 「 “ J } L u 尸 R 十 ( 3 /2 ) P L O 〕 「心1 一 _ } } 一 } 十 O R + ( 3 / 2) P L L 几J f (3 /2 )L i 。 1 } ’ ` ” } (5 ) L mlr 一 (3 /2 )L 枯」 转 矩 为: 风 = p L m吞枯 (6 ) 由 ( 6) 式 可 以 看 出 , P M 电动 机 的 电 磁 转矩 只 与 i ; 有 关 , 而 与 岛无 关 , 只 要 控制 ia, 这就 可 以象控制 直流 电动机那样控 制力矩 . 在 PM 电动机矢 量控制 中用 转子磁极 定 向代替 了 感应 电动机 转子 磁场定 向 , 不需 要观 测转 子磁通 , 图 I P 卜1 电机矢一变换的坐标系 系统得 到 了简化 . P M 电机 矢量 控制可分 为直 流控制 和交 流控制 两种方 式 . 交流 控制方式 是 使电动 机 的实 际电流 ia 、 礼 、 ic 跟踪 交流 给定 电流 ’ia 、 i’e 、 ic\ 直 流控 制 方 式 是 使 d 一 q 坐 标 系 的 岛 、 几跟 踪 直 流 电流 给定 iu’ 、 · ’ia , 实现转 矩 闭环控制 · 3 . 1 P M 电动机 矢量控 制系统的硬 软件结构 硬件结构 研究 采用滞环控制 电流跟踪 型 S PW M 技 术 , 这种 控制技 术是 把 电动 机 实 际 电流 和 给 定 电流之差 限制在所 设定 的滞环带 内 . 实际 电流波形 围绕给定 正 弦作 锯齿 状变化 . 这种 滞环控 制器具 有 响应速度 快 、 精度高 、 数学 模型 简单 、 实现容 易 、 电流 波形 好等优 点 . P M 电动 机矢量 控制就 是在 滞环控 制 电流 跟 踪 型 S P W M 的基 础 上 实 现 的 , 其硬 件 结 构 图如图 2 所示 . D /A 电 逆 灿尸】 1 r 」 # . 流 变 鬓鬓 成 控 器 ia . 制 卜州 以 J 器 舀 : 口 , D A/ 产 口 位置信号处理器 图 1 P M 电动机矢且控制系统 的硬件结构 那(P 型号 : T M S 32 0C 25 ) 作为系统的控制器 , 它是一种为处理数字信号而专门设 计的高速芯

·278 北京科技大学学报 1996年No.3 片，适用于大量的高速数据处理.与通用的微处理器相比，相同位数的DSP运算速度可以 提高10倍甚至近100倍.以TMS320C25为例，因为芯片内部有硬件乘法器，一条16×16 乘法运算仅需l00s.DSP强大的数据处理能力为PM电动机矢量控制奠定了可靠的物质基 础.尤其DSP内部有硬件乘法器，一条乘法运算只需一个指令周期·由于矢量控制需要大 量的乘法运算，所以DSP作为本系统的控制器是非常合适的. 图2中的数模转换器使用DAC1210.DAC1210的分辨率是12位，精度高，转换速度 快，是数字信号与模拟信号的理想接口器件，位置检测采用光电编码器，从编码器中出来的 信号是2个互差90°脉冲序列（正弦脉冲信号和余弦脉冲信号），从这2个信号能计算出电 动机速度和转动方向，光电编码器还给出一个定位信号，根据这个信号就能确定PM电动机 转子相对于定子的位置，脉冲信号记数和转向鉴别都是由“位置信号处理”电路来实现的， 3.2软件结构 软件设计的框图如图3所示，由于++=0，所以只输出A、B相给定电流，C相电 流=-(+).主程序运行前，先把正弦数据表放置在存储器的数据区中.主程序从PA15 口读取PM电机位置信号，然后对=0，进行旋转变换和2-3变换，得到交流给定、 6、,最后由PA8口、PA9口输出数据. 程序初始化 输出A相电流给定 所需数据存储 输出B相电流给定 转矩给定存储 是否停机 采样位置信号 (0)旋转变换 送制动控制信号 2相→3相变换 结束 图3PM电动机矢量控制软件框图 速度环采用一般的PI算法，输出为，计算公式如下： i(n+1)=K[6'(T)-T]+K,∑[0-0] (7) 式中，n-电流环采样点；T-速度环采样点；KK,一速度调节器的P、I增益· 4实验结果 图4所示为A相电流给定和电机实际波形比较图，图中是从DA转换器输出的电流

· 2 78 . 北 京 科 技 大 学 学 报 19 96 年 N o . 3 片 , 适用 于 大 量 的高速 数据处理 . 与通用 的微处 理器 相 比 , 相 同位 数 的 D S P 运 算速 度 可 以 提 高 10 倍甚 至近 10 倍 . 以 T M S 32 0C 25 为例 , 因 为芯 片 内部 有 硬 件 乘法 器 , 一 条 16 x l6 乘法 运算仅需 10 0 ns . D S P 强大 的数据处理 能力 为 P M 电动 机矢量 控制 奠定 了可 靠 的物 质 基 础 . 尤其 D S P 内部有 硬件 乘法器 , 一条 乘法 运算 只需 一 个 指令 周 期 . 由 于 矢 量 控制 需 要 大 量 的乘法 运算 , 所 以 D S P 作为本系统 的控制 器是非 常合 适 的 . 图 2 中 的数 模 转 换 器 使 用 D A C I 2 10 . D A C 12l O 的分 辨 率是 12 位 , 精 度 高 , 转 换 速 度 快 , 是数 字信 号 与模拟 信号 的理想 接 口器 件 . 位 置检 测采用 光 电编码 器 , 从 编码 器 中出来 的 信号 是 2 个互 差 9 0 脉冲 序列 (正 弦脉 冲信 号和余弦脉 冲信号 ) . 从 这 2 个 信 号 能 计 算出 电 动机 速度 和转 动方 向 . 光 电编码器 还给 出一个定 位信 号 , 根 据这 个信号 就能 确定 P M 电动机 转 子相 对于定 子 的位置 . 脉 冲信号 记数 和转 向鉴 别都是 由 “ 位置信 号处 理 ” 电路来 实现 的 . .3 2 软件结构 软件 设计 的框 图如 图 3 所示 . 由于 ’ia + it’ + ic’ = 0 , 所 以 只输 出 A 、 B 相给 定 电流 , C 相 电 流 *ic = 一 ’ia( 十 i’)t . 主程序运 行前 , 先 把正 弦数据表 放置在 存储器 的数 据 区 中 . 主程 序从 P A 巧 口 读 取 P M 电 机 位 置 信 号 , 然 后 对 i’u = O , ’ia 进行 旋 转 变 换 和 2 一 3 变换 , 得 到交 流 给 定 ’ia. ’ib 、 iC’ , 最 后 由 P A S 口 、 P A g 口 输 出数 据 . 程序 初始化 输出 A 相 电流给定 所需 数据存储 输出 B 相 电流给定 转矩 给定存储 采样位置信号 ( 0 , *ia) 旋转变换 送制动控制信号 2 相~ 3 相变换 结束 图 3 P M 电动机 矢量控 制软件框图 速度 环采 用一般 的 PI 算 法 , 输 出为 ’i0 , 计 算公 式如 下 : i了( n + l ) 一 K , [ 0 ’ ( 7) 一 0( 7) ] + K , 艺[ 0 ` ( i ) 一 o ( i ) ] ( 7 ) 式 中 , n 一 电流环采 样 点 ; T 一 速 度环 采样点 ; K o K , 一 速度 调 节器 的 尸 、 I 增 益 4 实验 结果 图 4 所 示 为 A 相 电流 给定和 电机 实际波形 比 较 图 , 图中 *ia 是 从 D /A 转换 器 输 出的 电 流

Vol.18 No.3 王志良等：基于DSP的交流同服系统 279. 给定，分析图3所示的PM电机矢量控制软件框图可知：如此稳定的正弦波形说明电动机运 行是平稳的，因为电流给定是由位置信号来决定的.图4中，是电动机实际电流波形，与 电流给定相差很小，这说明电流跟踪效果很好， t/s 图4A相电流给定和电机实际电流波形 PM电动机的速度检测是通过光电编码盘测得转子位置，由后向差分法得到的，计算公式为： n,=(6-￡-)/T (⑧) 式中，ε，表示第i时刻的位置，ε，，表示前一时刻的位置，T是采样周期把各个采样点采到 的速度存储在TMS320C25开发板的存储区内，通过DBGC25仿真软件把速度波形显示在 计算机屏幕上，然后用PZP屏幕拷贝软件记录下来·由观测电机的转速波形得出：电机的 启动时间短、稳态运行平稳、转速脉动小，控制效果好， 5结论 由于永磁同步电动机转子是永磁的，所以对其进行矢量控制不需要观测转子磁通，这就 大大简化了控制方案·在永磁同步电动机上实行4=0的矢量控制、永磁同步电动机的电磁 转矩与直流机完全相似，直流机的控制理论可以应用到交流电动机中，数字信号处理器DSP 强大的数字信号处理能力为PM电动机伺服系统高性能控制提供了保证， 参考文献 1郝玉东.基于DSP的PM电机双闭环交流伺服系统的研究：【硕士论文】北京科技大学自动化系.199S 2 Meshkat Dr S.Using DSP in AC Induction Motor Drive System.Control Engineering.1988(2):54~56 3秦晓平.交流同服电动机数字控制系统，冶金自动化，19932：28~92 DSP-Based AC Servo System Wang Zhiliang Hao Yudong Hu Hanjin Xie Lun College of Automation and Infommation Engineering.USTB.Beijing 100083.PRC ABSTRACT The mode of PM motor is derived.A control structure of PM motor AC servo system is put forward on the basis of vector control theory.The torque close-loop vector control system,in which DSP is used'as controller and IGBT is used as power switch component,is completed for PM motor.Finally experimental results are presented. KEY WORDS servo system.vector control,AC motor.digital signal processer

Vo l . 18 N o . 3 王志 良等 : 基于 D SP 的交流伺服 系统 . 2 97 给定 . 分 析 图 3 所示 的 P M 电机矢量 控制 软件框 图可知 : 如此稳 定 的正 弦波形 说明电动 机运 行 是平 稳 的 , 因为 电流给 定是 由位置信号来 决定 的 . 图 4 中 i 。 是 电 动机 实际 电流 波形 , 与 电流 给定相 差很 小 , 这说明 电流跟 踪效 果很 好 . t / s 图 4 A 相 电流给定和电机实际 电流波形 P M 电动机的速度检测是通过光电编码盘测得转子位置 , 由后 向差分法得到的 . 计算公式为 : n ; = ( 。 , 一 : 卜 1 ) / T ( 8) 式 中 , 。 , 表示 第 i 时刻 的位置 , 。 卜 , 表 示前 一 时 刻 的位 置 , T 是 采样 周 期 把 各 个 采样 点 采 到 的速度存储在 T M 3S 2 0C 25 开发板 的存 储 区 内 , 通 过 D B C茂{2 5 仿 真 软 件 把 速 度 波 形 显示在 计算 机屏 幕上 , 然后 用 P ZP 屏幕拷 贝软件 记 录下 来 . 由 观测 电机 的 转 速 波形 得 出: 电机 的 启 动时 间短 、 稳 态运行 平稳 、 转速脉 动小 、 控制 效果 好 . 5 结论 由于永 磁 同步 电动机 转子是 永磁 的 , 所 以 对其进行 矢量 控制 不 需要观 测转子磁通 , 这 就 大大 简化 了控制方 案 . 在 永磁 同步 电动机上 实行 几= O 的 矢量控 制 , 永 磁 同 步 电动 机 的 电 磁 转矩 与直 流机完全 相似 , 直流机 的控 制理论 可 以 应用到 交流 电动机 中 . 数字信 号处理器 D S P 强大 的数字信 号处 理能力 为 P M 电动 机伺服 系统 高性能 控制 提供 了保证 . 参 考 文 献 1 郝玉 东 . 基于 邵P 的 P M 电机双 闭环 交流伺服 系统的研究 : 【硕 士论文 ] . 北京科技大学 自动化系 , l卯5 Z M es l l k a t D r S . U s ign 现P in A C Idn l 】c t l o n M o to r D ir 说 S声l e n l . 6 n t ro l E n g n e ir gn , 198域2) : 义 一 56 3 秦晓平 . 交流伺服 电动机数字控 制系统 . 冶金 自动化 、 l卯及2) : 28 一 92 D S P 一 B a s e d A C S e r vo Sys te m 1币飞i n g Z h i li a n g H a o uY d朋g H “ H a nj i n iX e L “ ” oC ll e ge o f A u t o皿t 一o n a n d I n of arm t i o n E n g n e ir n g , U S T B , Be ij i n g l。 犯83 , p R C A B S T R A ( T 1l l e In o d e o f P M In o to r 15 d e ir v ed . A co n t or l s t ur ct u er o f P M m o ot r A C s e l、 , 0 s ys t e ln 15 P u t fo ~ dr o n t h e b a s 治 o f v eC t o r co n t or l t h o yr . hT e to qr u e d o s e 一 l o o P V eC t o r co n t or l s ys te m , i n w h ich DS P 已 us de ’ a s co n t or l e r a n d IG B T 15 us de a s P o we r s w ict h co m P o n e n t , is co n 1 Pl e tde fo r P M mo t o r . F i n a lly e x P e ir me n at l esr u lst a er P心e n det . K E Y 认 『 0 R I万 s e vr o s ys t em , v ce t o r 印n tro l A C mo t o r , d ig iat l s ig n a l P or 璐s e r