基于DSP的交流同步电机伺服控制系统
Design of Servo System of AC Synchronous Motor based on the DSP
周川Zhou Chuan
(中国地质大学 机械电子工程学院 湖北 武汉 430074)
(School of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Geosciences, Hubei
Wuhan 430074)
摘要: 总线化是工业控制系统的一个发展方向,基于CAN(Controller Area Network)总线的伺服系统在适用范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面有明显的优越性。本文给出了伺服控制器的硬件设计,选用美国TI公司专门为数字运动和电机控制推出的DSP控制器TMS320LF2407来实现交流伺服系统。并给出了交流伺服系统的全闭环软件实现方案。 关键字: 伺服控制, DSP, 电机, CAN
中图分类号:TN492 文献标识码:A
Abstract: Servo System based on CAN (Controller Area Network) has obvious superiorities in applicability scope, in expansibility, in maintainability and in anti-malfunction ability. We present the hardware design of the servo controller. We choose the TMS320LF2407 DSP made by TI to implement the AC Servo System, and the design of closed-loop software implementation of AC Servo System was proposed as well.
Keywords: Servo Controller, DSP, Motor, CAN
1引言
伺服系统向着全数字化的方向发展,而高性能DSP器件的出现为其奠定了坚实的基础。从国内外最新的发展情况来看,国外很多公司都已推出了基于DSP的成型的全数字交流伺服产品,象国内引进较多的日本松下、安川等交流伺服系统。目前,国内的控制界也己掀起了利用DSP来实现交流伺服系统的热潮。
另外,采用高性能控制策略的控制系统具有很好自适应能力和抗干扰能力,能够在参数时变及干扰等恶劣的工况下保证系统良好的动态和稳态性能。克服了基于常规控制理论设计的电机控制系统存在的缺陷和不足。本文的主要任务是设计一种基于DSP和CAN总线技术的高性能全数字化伺服系统。采用电流、转速双闭环控制方式对永磁同步电动机进行速度和位置控制。
2 控制系统总体硬件结构
本系统提供的硬件设计能够满足多种控制算法,能够满足本系统的控制要求。它是以TI公司的TMS320LF2407为控制核心设计的。TMS320LF2407芯片是TMS320C2000TM平台下有较高性能价格比的一种定点DSP芯片。该芯片的低成本、低功耗、高性能的处理能力对电机的数字化控制非常有效。可以适用于多种控制策略。我们采用了IGBT CPV363M4K模块组成逆变桥来实现功率主回路直流到交流的逆变。控制系统的硬件构成见图1。
主要包括:TMS320LF2407微处理器及其外围电路,主要负责控制策略和算法的实现,产生PWM信号、响应速度反馈等工作;CAN模块负责与上位机进行通讯,通过总线接收对电机的控制信息;JTAG接口电路为仿真器与微机的接口电路,便于系统进行在线调试。此端口由仿真器直接访问并提供仿真功能;检测电路采用了价格较低的电阻器和价格较高但性能好的电磁隔离式霍尔传感器两套电路来检测永磁同步电机的相电流ia,ib,送入进行A/D转换并作相应处理,实现控制算法;PWM输出通过光耦传输,使得传递PWM控制信号时控制电路与功率电路隔离;电源模块将开关电源提供的+5V电压变换为+3.3V,为系统供电。
220V 交流电
+5V源输出 图1系统硬件结构图
3控制系统硬件设计
3.1电流检测
在永磁同步电机交流控制系统中,控制器需要及时准确的知道绕组中实际电流的大小,以实现电流控制和电流保护电路的设计。电流采样必须实时,准确可靠,这对实现控制性能是必须的。电流测量的方法有很多种,一种测量电流的方法是使用简单的、便宜的电阻器来进行测量,当然,这种测量方法比较复杂。然而,在一定的条件下,这种测量方法变得很困难,甚至由于硬件的限制是不可能进行测量的,如当采用智能功率模块(IPM)组成逆变桥时,就没法使用电阻器进行相电流的测量。在本系统中采用电磁隔离霍尔元件进行电流检测。
检测电路如下图2:
图2电流检测电路
3.2功率主回路设计
功率主回路是进行能量转换、驱动伺服电机工作的强电电路,主要由整流电路、中间直流电路和逆变器三个环节组成,如图3所示。
图3 功率主回路电路图
3.3控制驱动电路的设计 D6 Q6
控制驱动电路主要完成对PWM (Pulse Width Modulation)信号的功率放大,以及对逆变器功率管的驱动功能。本文中分别采用SPWM技术和SVPWM技术来实现功率逆变,将由TMS320LF2407 DSP芯片产生的PWM信号经过功率驱动模块IR2132进行功率放大、然后驱动三相逆变器的六个功率管。伺服控制器的功率驱动电路主要有功率驱动模块IR2132和IGBT CPV363M4K组成的三相逆变器组成。将DSP芯片所产生的六路PWM信号直接输入功率驱动模块IR2132对信号进行放大,然后驱动三相逆变器的六个功率管。
由于DSP本身通过软件编程可直接产生SPWM信号和SVPWM信号来驱动三相逆变器,所以,大大简化了系统的外围硬件电路结构,提高了系统的可靠性。
3.4 CAN控制器模块设计
本系统中采用CAN总线接收对电机的控制信息并向主机发送状态信息。DSP根据信息要求对电机进行调速、制动、正反转等控制。
TMS320LF2407 DSP芯片的CAN总线控制器与CAN物理总线的接口采用82C250驱动器芯片。82C250采用阻抗为120。双绞线作通信介质,信号采用差动发送和差动接收,具有较强的抗干扰能力,其最高通信速率可达1Mbps。通过对82C250引脚8 (Rs)的不同连接,可以实现三种不同的工作方式:高速、斜率控制和待机。本系统采用斜率控制,以降低射频干扰。为了增强抗干扰能力,保护CAN控制器,在TMS320LF2407与82C250之间加高速光隔。光隔采用HP公司的HCPL-2630芯片,其速度为l0MHz。电路如图4示。
GND
图4 CAN驱动器接口电路
4 系统软件设计
在伺服系统的设计中,在实时性允许的前提下,一般来说,总是尽可能的用软件资源代替硬件资源,以降低成本,简化硬件系统结构,提高系统的性价比。TMS320LF2407,通过软件变成
可以灵活的实现矢量PWM输出、速度检测、电流检测等功能。
在伺服驱动控制中有两部分软件:DSP控制程序和上位机软件。DSP程序由两个模块组成,即主程序模块和中断服务程序模块,主程序模块主要完成中断矢量的声明、内存变量的定义、各个功能模块的初始化等工作;中断模块主要是进行速度环和电流环的处理以及与上位机交换数据。
主程序内完成系统的初始化,I/O接口控制信号,DSP内各个控制模块寄存器的设置等,然后进入循环程序。初始化工作主要包括:DSP内核的初始化;电流环、速度环的周期设定;PWM初始化,包括PWM的周期设定,死区设定,以及PWM的启动;ADC初始化及启动;QEP初始化;CAN控制器初始化;永磁同步电机转子的初始位置初始化;进行多次伺服电机相电流采样,求出相电流ia和ib。的零偏移量;电流PI调节初始化;速度PI调节初始化等。所有的初始化工作完成后,主程序进入等待状态,以等待中断的发生,进行电流环和速度环的调节。主程序流程如图5所示。
图5 主程序流程图
本文作者创新点:
本文开发了一套基于DSP的高性能交流同步电机伺服控制系统。该系统采用TI公司的电机控制专用DSP-TMS320LF2407作为控制核心,实现了高精度的电流和速度双闭环控制,实现了转速调节器、电流调节器、电压空间矢量的数字化,并且实现了上位机对于系统的参数设置和实时监控,取得了良好的控制效果。
参考文献:
[1] 蔡春伟,采用USB和DSP技术的全数字伺服控制器的研究与开发[D],山东大学硕士学位论文,2004.5.
[2] 江思敏等,TMS320LF240x DSP硬件开发教程[M],机械工业出版社,2003。
[3] 王纪俊,刘贤兴,王德明,王丽敏等,神经元控制器在感应电机矢量控制中的应用[J],江苏大学学报(自然科学版),2003年3月第24卷第2期。
[4] 章恒,朱纪洪,蒋志宏. 双通道伺服控制系统设计[J]. 微计算机信息, 2007, 2-1: 110-111 作者简介:
男, 黑龙江省佳木斯市人, 汉族, 中国地质大学（武汉）机械电子工程学院硕士研究生, 研究方向: 控制理论与控制工程。
Biography:
Zhou Chuan (1979.02-), Male, Born in Heilongjiang Jiamusi, Han Nationality, China University Of Geosciences, Master, Control theory and control engineering
通信地址:
湖北省武汉市中国地质大学1200714信箱, 邮编：430077, 邮箱: [email protected]
基于DSP的交流同步电机伺服控制系统
Design of Servo System of AC Synchronous Motor based on the DSP
周川Zhou Chuan
(中国地质大学 机械电子工程学院 湖北 武汉 430074)
(School of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Geosciences, Hubei
Wuhan 430074)
摘要: 总线化是工业控制系统的一个发展方向,基于CAN(Controller Area Network)总线的伺服系统在适用范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面有明显的优越性。本文给出了伺服控制器的硬件设计,选用美国TI公司专门为数字运动和电机控制推出的DSP控制器TMS320LF2407来实现交流伺服系统。并给出了交流伺服系统的全闭环软件实现方案。 关键字: 伺服控制, DSP, 电机, CAN
中图分类号:TN492 文献标识码:A
Abstract: Servo System based on CAN (Controller Area Network) has obvious superiorities in applicability scope, in expansibility, in maintainability and in anti-malfunction ability. We present the hardware design of the servo controller. We choose the TMS320LF2407 DSP made by TI to implement the AC Servo System, and the design of closed-loop software implementation of AC Servo System was proposed as well.
Keywords: Servo Controller, DSP, Motor, CAN
1引言
伺服系统向着全数字化的方向发展,而高性能DSP器件的出现为其奠定了坚实的基础。从国内外最新的发展情况来看,国外很多公司都已推出了基于DSP的成型的全数字交流伺服产品,象国内引进较多的日本松下、安川等交流伺服系统。目前,国内的控制界也己掀起了利用DSP来实现交流伺服系统的热潮。
另外,采用高性能控制策略的控制系统具有很好自适应能力和抗干扰能力,能够在参数时变及干扰等恶劣的工况下保证系统良好的动态和稳态性能。克服了基于常规控制理论设计的电机控制系统存在的缺陷和不足。本文的主要任务是设计一种基于DSP和CAN总线技术的高性能全数字化伺服系统。采用电流、转速双闭环控制方式对永磁同步电动机进行速度和位置控制。
2 控制系统总体硬件结构
本系统提供的硬件设计能够满足多种控制算法,能够满足本系统的控制要求。它是以TI公司的TMS320LF2407为控制核心设计的。TMS320LF2407芯片是TMS320C2000TM平台下有较高性能价格比的一种定点DSP芯片。该芯片的低成本、低功耗、高性能的处理能力对电机的数字化控制非常有效。可以适用于多种控制策略。我们采用了IGBT CPV363M4K模块组成逆变桥来实现功率主回路直流到交流的逆变。控制系统的硬件构成见图1。
主要包括:TMS320LF2407微处理器及其外围电路,主要负责控制策略和算法的实现,产生PWM信号、响应速度反馈等工作;CAN模块负责与上位机进行通讯,通过总线接收对电机的控制信息;JTAG接口电路为仿真器与微机的接口电路,便于系统进行在线调试。此端口由仿真器直接访问并提供仿真功能;检测电路采用了价格较低的电阻器和价格较高但性能好的电磁隔离式霍尔传感器两套电路来检测永磁同步电机的相电流ia,ib,送入进行A/D转换并作相应处理,实现控制算法;PWM输出通过光耦传输,使得传递PWM控制信号时控制电路与功率电路隔离;电源模块将开关电源提供的+5V电压变换为+3.3V,为系统供电。
220V 交流电
+5V源输出 图1系统硬件结构图
3控制系统硬件设计
3.1电流检测
在永磁同步电机交流控制系统中,控制器需要及时准确的知道绕组中实际电流的大小,以实现电流控制和电流保护电路的设计。电流采样必须实时,准确可靠,这对实现控制性能是必须的。电流测量的方法有很多种,一种测量电流的方法是使用简单的、便宜的电阻器来进行测量,当然,这种测量方法比较复杂。然而,在一定的条件下,这种测量方法变得很困难,甚至由于硬件的限制是不可能进行测量的,如当采用智能功率模块(IPM)组成逆变桥时,就没法使用电阻器进行相电流的测量。在本系统中采用电磁隔离霍尔元件进行电流检测。
检测电路如下图2:
图2电流检测电路
3.2功率主回路设计
功率主回路是进行能量转换、驱动伺服电机工作的强电电路,主要由整流电路、中间直流电路和逆变器三个环节组成,如图3所示。
图3 功率主回路电路图
3.3控制驱动电路的设计 D6 Q6
控制驱动电路主要完成对PWM (Pulse Width Modulation)信号的功率放大,以及对逆变器功率管的驱动功能。本文中分别采用SPWM技术和SVPWM技术来实现功率逆变,将由TMS320LF2407 DSP芯片产生的PWM信号经过功率驱动模块IR2132进行功率放大、然后驱动三相逆变器的六个功率管。伺服控制器的功率驱动电路主要有功率驱动模块IR2132和IGBT CPV363M4K组成的三相逆变器组成。将DSP芯片所产生的六路PWM信号直接输入功率驱动模块IR2132对信号进行放大,然后驱动三相逆变器的六个功率管。
由于DSP本身通过软件编程可直接产生SPWM信号和SVPWM信号来驱动三相逆变器,所以,大大简化了系统的外围硬件电路结构,提高了系统的可靠性。
3.4 CAN控制器模块设计
本系统中采用CAN总线接收对电机的控制信息并向主机发送状态信息。DSP根据信息要求对电机进行调速、制动、正反转等控制。
TMS320LF2407 DSP芯片的CAN总线控制器与CAN物理总线的接口采用82C250驱动器芯片。82C250采用阻抗为120。双绞线作通信介质,信号采用差动发送和差动接收,具有较强的抗干扰能力,其最高通信速率可达1Mbps。通过对82C250引脚8 (Rs)的不同连接,可以实现三种不同的工作方式:高速、斜率控制和待机。本系统采用斜率控制,以降低射频干扰。为了增强抗干扰能力,保护CAN控制器,在TMS320LF2407与82C250之间加高速光隔。光隔采用HP公司的HCPL-2630芯片,其速度为l0MHz。电路如图4示。
GND
图4 CAN驱动器接口电路
4 系统软件设计
在伺服系统的设计中,在实时性允许的前提下,一般来说,总是尽可能的用软件资源代替硬件资源,以降低成本,简化硬件系统结构,提高系统的性价比。TMS320LF2407,通过软件变成
可以灵活的实现矢量PWM输出、速度检测、电流检测等功能。
在伺服驱动控制中有两部分软件:DSP控制程序和上位机软件。DSP程序由两个模块组成,即主程序模块和中断服务程序模块,主程序模块主要完成中断矢量的声明、内存变量的定义、各个功能模块的初始化等工作;中断模块主要是进行速度环和电流环的处理以及与上位机交换数据。
主程序内完成系统的初始化,I/O接口控制信号,DSP内各个控制模块寄存器的设置等,然后进入循环程序。初始化工作主要包括:DSP内核的初始化;电流环、速度环的周期设定;PWM初始化,包括PWM的周期设定,死区设定,以及PWM的启动;ADC初始化及启动;QEP初始化;CAN控制器初始化;永磁同步电机转子的初始位置初始化;进行多次伺服电机相电流采样,求出相电流ia和ib。的零偏移量;电流PI调节初始化;速度PI调节初始化等。所有的初始化工作完成后,主程序进入等待状态,以等待中断的发生,进行电流环和速度环的调节。主程序流程如图5所示。
图5 主程序流程图
本文作者创新点:
本文开发了一套基于DSP的高性能交流同步电机伺服控制系统。该系统采用TI公司的电机控制专用DSP-TMS320LF2407作为控制核心,实现了高精度的电流和速度双闭环控制,实现了转速调节器、电流调节器、电压空间矢量的数字化,并且实现了上位机对于系统的参数设置和实时监控,取得了良好的控制效果。
参考文献:
[1] 蔡春伟,采用USB和DSP技术的全数字伺服控制器的研究与开发[D],山东大学硕士学位论文,2004.5.
[2] 江思敏等,TMS320LF240x DSP硬件开发教程[M],机械工业出版社,2003。
[3] 王纪俊,刘贤兴,王德明,王丽敏等,神经元控制器在感应电机矢量控制中的应用[J],江苏大学学报(自然科学版),2003年3月第24卷第2期。
[4] 章恒,朱纪洪,蒋志宏. 双通道伺服控制系统设计[J]. 微计算机信息, 2007, 2-1: 110-111 作者简介:
男, 黑龙江省佳木斯市人, 汉族, 中国地质大学（武汉）机械电子工程学院硕士研究生, 研究方向: 控制理论与控制工程。
Biography:
Zhou Chuan (1979.02-), Male, Born in Heilongjiang Jiamusi, Han Nationality, China University Of Geosciences, Master, Control theory and control engineering
通信地址:
湖北省武汉市中国地质大学1200714信箱, 邮编：430077, 邮箱: [email protected]