全数字交流永磁同步电机伺服系统设计

介绍了一种全数字交流永磁同步电机伺服系统的软硬件组成及设计方案,系统采用数字信号处理器(DSP)ADMC401、单片机89C52和FPGA组成核心控制电路,以智能功率模块构成主电路,具有通用紧凑的系统结构.实验及应用结果表明,该系统设计合理,性能可靠。

第36卷第3期电力电子技术Vol.36,No.3

2002年6月PowerElectronicsJune,2002

全数字交流永磁同步电机伺服系统设计

李叶松,宋　宝,秦　忆

(华中科技大学,武汉　430074)

　　摘要:介绍了一种全数字交流永磁同步电机伺服系统的软硬件组成及设计方案,系统采用数字信号处理器

(DSP)ADMC401、单片机89C52和FPGA组成核心控制电路,以智能功率模块构成主电路,具有通用紧凑的系统

结构。实验及应用结果表明,该系统设计合理,性能可靠。

关键词:永磁电机;伺服系统/数字信号处理器;智能功率模块

中图分类号:TM383.4　　文献标识码:A　　文章编号:1000-100X(2002)03-0026-03

StudyonDesignofDigitalACPMSMServoSystem

LIYe2song,SONGBao,QINYi

(HuazhongUniversityofScienceand,Abstract:Thepaperpresentsthesoftwareandservosystemanditsde2sign.Thesystemstrutureisuniversaland,ofDSPADMC401,microcontroller89C52andFPGA,andmainupofexperimentsandapplicationshowedthatthesystemispossessedofKeyw:motor;servosystem;digitalsignalprocessor;intelligentpowermodule.

1　引　言

交流伺服系统在数控机床、机器人、火炮等领域的应用已经十分广泛,特别是对于要求高精度、高响应的应用场合,交流永磁同步电机(PMSM)伺服系统具有非常明显的优势。近年来,随着微电子技术和电力电子技术的飞速发展,在交流伺服系统中开始采用各种新颖的器件如数字信号处理器(DSP)、智能功率模块等,使伺服系统从模拟控制转向数字控制,克服了传统模拟式伺服系统中存在的零漂、低可靠性以及生产一致性差等问题。数字控制在精度、可靠性以及灵活性等方面的优势,也促使交流伺服系统向全数字化、智能化、网络化方向发展。

研究了一种采用美国ADI公司的高速DSP芯片ADMC401和ACTEL公司的FPGA芯片A42MX16的新型通用结构全数字交流永磁同步电

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形状的条件下,若不考虑转子磁场的凸极效应,即Ld=Lq=L,可得永磁同步伺服电机在d2

q坐标系上的状态方程为idpiq

[1]

:

0-NpΨf/

L

(1)

-R

/L=

Npωm

ωm-Np

id

-R/L

NpΨf/J

vdvq

ω　　　　iq+

ω式中　R

LpNP

-Tl/绕组等效电阻等效电感微分算子(d/dt)电机磁极对数转子机械角速度

转子永磁效应对应的每对磁极磁通折算到电动机轴上的总负载转矩折算到电机轴上的总转动惯量

ωmΨf

Tll

机伺服系统,介绍了系统的软硬件设计,并给出了实验和应用结果。

2　永磁同步伺服电机矢量控制方案

在磁路不饱和、磁滞及涡流的影响忽略不计、定

收稿日期:2001-08-27定稿日期:2001-12-07

作者简介:李叶松(1970-),男,湖南人,副教授,博士,

研究方向为交直流传动系统及智能化控制。

式(1)中系数矩阵含有变量ωm,所以可知永磁同步伺服电机是一种非线性的控制对象,且d轴电流分量id和q轴电流分量iq之间存在耦合作用,为使永磁同步电动机具有和直流电动机一样的控制性能,通常采用id≡0的线性化解耦控制,即在初始定向U相绕组和d轴重合之后,始终控制电枢电流矢量位于q轴上,和转子磁链矢量正交。然而,从状

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介绍了一种全数字交流永磁同步电机伺服系统的软硬件组成及设计方案,系统采用数字信号处理器(DSP)ADMC401、单片机89C52和FPGA组成核心控制电路,以智能功率模块构成主电路,具有通用紧凑的系统结构.实验及应用结果表明,该系统设计合理,性能可靠。

全数字交流术磁同步电机伺服系统设计研究

态方程可以看出,d2q坐标系上的状态变量存在着耦合关系,即vd不仅依赖于id,同时和iq也有关系,这给控制器的设计带来了很大的问题。在以往的模拟式交流伺服系统中,只能通过增大电流控制器的增益实现电流矢量的快速跟踪,得到近似线性化的解耦控制效果,而对于全数字化交流伺服系统,如果已知伺服电机的感应反电势常数、电枢绕组的电感值,则可以通过安全去耦控制实现精确的线性化控制。假设参数已知,则令:

vd=vd2dec-NpωmLiq

(2)

vq=vq2dec+NPωmLiq+NpωmΨf将式(2)代入式(1),就可以看到:

vd2dec=Rid+Li

dtd(3)vq2dec=Riq+Li

dtq

于是,vd-dec和vq-dec为完全解耦的控制量,在d-,d2q坐标,就得到了实际的d2q,可以产生实际的PWM驱动信号。

加载到内部RAM中高速运行。

和电机控制有关的结构特点:①片内集成了高精度8通道A/D转换器(ADC),ADMC401采用了“管道爆发式”A/D转换结构,具有12位的转换精度,支持两通道同步采样

μs,转换启动可以由内和顺序采样,转换时间小于2

部PWM同步信号或外部引脚信号控制;

②片内集成了三相16位PWM发生器:可编程

设定开关周期、死区时间、最小脉宽限制时间,有单刷新和双刷新两种模式,可产生对称和非对称PWM波形、空间矢量PWM波形,PWM输出可被

外部引脚或软件编程封锁,;

(EIU):具有可、辩向、计数,可以方M/T法速度检测,为高性能电机控制提供高精度的位置和速度反馈;

④12个可编程I/O端口;2个8位辅助PWM输出;2通道事件捕获单元;16位看门狗定时器。

ADMC401是整个伺服系统的核心,具有高速的运算能力、较高的采样精度[3],外设配置性能和功能较强,能胜任实时性要求高的伺服控制任务。本系统用它来实现矢量变换、电流环、速度环、位置环控制以及PWM信号发生、各种故障保护处理等

。

3　伺服系统硬件设计

以DSP为控制核心的全数字交流永磁同步电

机伺服系统的结构如图1所示。由图可以看出,系统主要有以下几部分:伺服控制中心ADMC401;外设接口FPGA+单片机89C52;主电路以及开关电源电路。以下对这3个部分分别加以说明。

(1)DSP芯片ADMC401的基本结构和功能[2]ADMC401是面向电机控制的高性能数字信号处理器,它采用16位定点DSPADSP2171的内核,并将高性能DSP内核与丰富的外设控制器集成于单片之中,其主要特点如下:

①兼容ADSP21XX的特点,为单周期指令,指令执行速度为26MIPS(指令执行时间3815ns);3个独立的计算单元(16位算术逻辑单元,40位乘法器,32位移位器),两个独立的数据地址发生器;

②具有高效率的多功能指令,最多可以在一个指令周期内执行3条指令;

③存储器结构:2K×24位片内可编程程序RAM,2K×24位片内程序ROM(管理芯片的加载和通讯),1K×16位片内数据RAM,具有14位地址总线和24位数据总线,可进行外部存储器扩展;

④具有自动加载能力,DSP在系统复位后,可以从外部EPROM或EERPOM自动将程序和数据

图1　全数字交流永磁同步电机伺服系统的结构图

(2)系统外部接口电路设计

为了实现伺服系统的快速实时控制,系统在设计上采用了单片机+DSP双CPU结构,这是基于以下考虑:ADMC401内部只有2K×24位的程序空间,如果要运行较大的程序就必须在外部扩展RAM空间,但这样会 …… 此处隐藏：3988字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……