【導讀】本文介紹一套基于DSP和IRMCK201的雙CPUPMSM位置伺服系統,重點介紹該系統結構及軟硬件的設計方案。實驗結果表明,軟硬件設計合理、實時性好,控制精度高,有較好的動態性能;同時,這種交流伺服方案,性能優越,設計簡單,編程任務小,開發周期短,也可用于其他交流伺服控制系統,具有很好的推廣意義。

由于永磁伺服電機具有轉子轉動慣量小、響應速度快、效率高、功率密度大、電機體積小、消除電刷而降低噪聲和減少維護等其他電機難以比擬的優點,在高性能位置伺服領域,由其為伺服電機組成的伺服系統應用越來越廣泛。永磁無刷電機有兩種形式:方波式和正弦波式。本文主要研究以PMSM為伺服電機的伺服系統目前實現永磁同步電動機的控制主要采用DSP、DSP+FPGA和DSP+ASIC三種途徑。前兩種方式實現位置控制編程量較大,美國國際整流器件公司針對高性能交流伺服驅動要求,基于FPGA技術開發出了完整的閉環電流控制和速度控制的伺服系統單片解決方案———IRMCK201。筆者基于這種數字運動控制芯片,設計了DSP和IRMCK201的交流伺服控制系統。該系統同樣具有性能優越、結構簡單、編程任務小、開發周期短等優點,也具有很好的推廣意義。

1IRMCK201芯片簡介

美國國際整流器件(IR)公司針對高性能交流伺服驅動的需求,設計出了基于FPGA技術的完整的伺服驅動控制解決方案———IRMCK201芯片。與傳統的運動控制專用DSP芯片不同的是,IRMCK201不僅包含運動控制的外圍功能(如PWM、編碼計數電路、電流傳感接口等),而且還包含通過硬件實現的FOC算法和速度控制算法,從而省略了編程任務,簡化了高性能交流伺服系統的設計。此外,它還適用于不同類型的永磁電機或感應電機,因而有很好的應用前景。

IRMCK201芯片的主要特點如下:①完整的電流閉環控制和速度閉環控制;②帶死區的空間矢量PWM;③最大時鐘輸入33.3MHz,最高PWM載波頻率83.3kHz,電流環帶寬5.5kHz,速度環更新率5/10kHz;④具有與高壓線性電流傳感器IR2175、高壓驅動芯片IR213x、霍爾A/B/C信號、光電編碼器、RS232或RS422、快速SPI的接口;⑤配置光電碼盤的線數范圍為200PPR～10000PPR;⑥可以監視直流母線電壓;⑦可以配置模擬參考輸入;⑧2MHz的計數器改善低速性能;⑨具有4路采樣/保持的A/D轉換接口;⑩通過主機寄存器接口,AT24C01A可對內部數據/參數進行初始化;11智能IGBT保護封鎖控制。從上面可以看出,作為運動控制芯片,IRMCK201在硬件上具備了伺服控制所必需的控制單元,如帶死區時間設置的空間矢量PWM、PARK變換和Clark變換、電流環PI調節器、速度環PI調節器、速度測量單元等。這樣用戶就省去了編寫代碼任務,簡化了復雜的設計過程。

2系統實現

該交流伺服系統控制電路主要由TMS320LF2407、IRMCK201和少量的外圍電路組成。采用TI公司的DSPTMS320LF2407作為主控芯片,負責伺服電機位置環的處理,同時負責電機的啟動、停止以及鍵盤響應和顯示的操作,并完成IRMCK201的初始化。IRMCK201內部硬件電路完成系統的電流環、速度環控制,最終產生SVPWM驅動信號,以完成對功率模塊的開關控制,同時通過A/D接口對母線電壓進行監測,以實現過壓保護功能。系統采用2000PPR的增量式光電碼盤和霍爾傳感器測量電機位置和速度信號,采用IR2175電流傳感器對相電流采樣。由于IRMCK201提供了IR2175接口,所以采樣的電流信號可直接送到IRMCK201作為控制部分的電流反饋。為了增強系統的抗干擾性,采用高速光耦將系統的控制部分和功率部分進行隔離。主電路由三相橋式全波整流電路、濾波器和逆變器等組成。系統硬件設計結構框圖如圖1所示。

3系統硬件設計

3.1位置環設計

永磁同步電動機矢量控制系統需要精確的轉子磁極位置和速度信息,以進行控制電壓的調整。為了提高控制系統的精度,轉子位置檢測器可采用混合式光電編碼器。本系統采用混合式光電編碼器,輸出的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-六路信號,經過濾波以后,為提高反饋信號的抗干擾能力,送入正交線性接受器DS3486,最后輸出有關轉速、轉向、原點位置及相對角位移的數字信號A+、B+、Z+。輸出的HALLA/B/C三路信號,給出了電機轉子的初始精確定位和初始的絕對位置。采用混合式光電碼盤對伺服電機的位置進行采樣,獲得位置反饋信號。將位置反饋信號送入TMS320F2407A的事件管理模塊中進行后處理。事件管理模塊具有正交解碼脈沖電路(QEP電路),當QEP電路被使能時,會對引腳QEP1和QEP2上的正交編碼輸入脈沖進行解碼和計數。這樣對位置的檢測不需要其他外圍電路,電路簡單可靠。從上述可以看出,位置環的有關硬件設計簡單可靠。在這個系統中,位置環的設計主要是在DSP中用簡單的軟件設計實現的,該部分將在軟件設計中具體介紹。

3.2速度環設計

從光電編碼器中輸出的A、B信號是2個互差90°的脈沖序列,從這2個信號能計算出電動機速度和轉動方向。采用混合式光電碼盤對伺服電機的速度進行采樣,獲得速度反饋信號。將速度反饋直接送入IRMCK201芯片中,進行速度閉環的處理。速度環主要由IRMCK201來解決,只要設定IRMCK201速度環寄存器相應的值,就可實現速度閉環。由此可以看出,速度環的設計完全是靠硬件實現的,不需要任何軟件設計,省去了很大的一部分工作。

3.3IR2175與霍爾電流傳感器實現電流環

IR2175是一個單片式線性電流傳感器,是針對電機驅動應用而設計的。使用IRMCK201芯片實現伺服系統時,電流反饋用采樣電阻結合IR2175作為電流的反饋回路。采樣電阻對伺服電機的相電流進行采樣,輸出260mV以內的采樣電壓信號,將該信號輸入到電流傳感器IR2175中,通過它的內部處理后輸出一個占空比隨電流幅值大小改變的脈沖信號。該脈沖信號經過光電隔離后送入IRMCK201中,作為伺服電機的電流反饋信號。由于IR2175的輸入電壓限制在±260mV之間,當采樣電阻一定時,主回路的最大電流就被限制,即系統的功率等級被限制,很難實現功率型伺服系統。在本方案中,采用霍爾電流傳感器加取樣電阻和IR2175的方法來解決功率等級受限的問題,最終可實現功率型的位置伺服系統。用霍爾電流傳感器(可以根據功率等級的需要進行選型)對電機相電流進行采樣,輸出接一個取樣電阻獲得一個±260mV之間的電壓。將該電壓作為IR2175的輸入,IR2175的輸出通過光耦送入IRMCK201中進行計算。一路電流反饋的示意圖如圖2所示。

3.4DSP與IRMCK201之間通信接口設計

DSP的低8位數據線與IRMCK201的8位并行數據線相連,將IRMCK201作為DSP的外圍接口擴展芯片,用I/O空間選擇信號和并口的高三位信號通過GAL進行譯碼作為它的片選信號。

在電動機運行過程中,DSP要實時訪問IRMCK201的寄存器并進行配置,因此它們之間的通信對可靠性和快速性的要求就比較高。本方案采用并口方式,經GAL16V8B譯碼實現DSP與IRMCK201的準確、可靠通信。圖3為DSP與IRMCK201的通信接口電路。

4系統程序設計

由于系統的電流環、速度環控制和過流、過壓、欠壓等保護功能都由IRMCK201內部硬件實現,所以系統軟件主要是用DSP實現交流伺服系統位置環的控制和對IRMCK201的通信。相比之下,程序設計比較簡單。作為位置伺服系統,在定位控制中,必須保證以下3個方面的要求:定位精度,要求系統穩態誤差為零;定位速度,要求系統有盡可能高的動態響應速度;要求系統位置響應無超調。本系統中位置環采用前饋控制:按照給定變化進行控制,當給定的變化出現時,調節器立刻根據其性質和大小對被控參數進行控制,使被控量能及時跟隨給定值的變化,大大減小控制的滯后。當伺服系統引入前饋控制后,永磁交流伺服系統的位置環控制器傳函結構模型伺服系統的等效結構如圖4所示。為比例調節器加一個前饋補償環節,KPP為位置環比例系數,KPR為前饋系數,TR為前饋濾波時間常數,這一結構可滿足性能指標的要求。在前饋環節中加入低階濾波器,可以有效抑制波動,減小超調。

當把電機參數測定之后,就可以根據電機的實際需要,選取合適的控制器參數。采用前饋控制后,位置跟蹤滯后誤差可減小至20%左右,從而大幅度提高位置控制精度。位置環中斷處理子程序如圖5所示。

5實驗波形與結論

采用的電機為表面貼裝式永磁同步電動機,圖6為無前饋時的位置跟隨曲線,圖7為前饋控制時的位置跟隨曲線,圖8為位置給定后電動機的速度響應曲線。實驗表明,采用位置前饋控制系統獲得了快速的動態響應,同時保證了定位高精度和無超調。

本系統采用了IRMCK201芯片,結合使用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407,大大簡化了系統的軟硬件設計,縮短了系統開發周期,提高了系統的可靠性,從而實現了高性能的交流伺服系統。此系統已成功運用于電梯門機伺服系統和功率伺服系統。實踐證明,這種位置伺服系統是可靠的、高性能的。對此位置伺服系統作相應的改動,可以應用到其他伺服系統中,應用場合十分廣泛。

參考文獻

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