基于DSP和FPGA的三相異步電機(jī)矢量伺服系統(tǒng)

引言

      隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及交流伺服控制理論的發(fā)展，交流伺服驅(qū)動(dòng)已經(jīng)具有可與直流伺服驅(qū)動(dòng)相比擬的性能，并且交流伺服傳動(dòng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于印刷、數(shù)控機(jī)床、食品包裝、紡織、塑料、電子半導(dǎo)體等行業(yè)[1]。交流伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)一般又分為交流永磁同步電機(jī)和鼠籠式交流異步電動(dòng)機(jī)，在小功率范圍交流永磁同步伺服系統(tǒng)有一定的優(yōu)勢(shì)但是在大功率伺服系統(tǒng)中，鼠籠式異步電機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格低廉、應(yīng)用范圍廣、過(guò)流能力大的特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[3]。筆者研制了一套基于ASIPM、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）和專用的數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP ）的鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)，本文介紹了系統(tǒng)控制原理、硬件和軟件的設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

1系統(tǒng)控制原理

      感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的矢量控制通常按照定子磁鏈Ψs、轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr和氣隙磁鏈Ψm來(lái)定向[6]；根據(jù)磁鏈位置檢測(cè)方式的不同，矢量控制可分為直接矢量控制和間接矢量控制。該系統(tǒng)采用定向于轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr利用轉(zhuǎn)差關(guān)系來(lái)估計(jì)磁鏈相對(duì)于轉(zhuǎn)子的位置的間接矢量控制，通過(guò)采用坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電流的解耦；采用可在任何速度范圍內(nèi)使用的基于電流模型估計(jì)，即利用速度信號(hào)和電流信號(hào)估計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈分量 和 [2]。
系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

      以DSP為核心的伺服系統(tǒng)硬件如圖3，整個(gè)系統(tǒng)的控制電路的核心由DSP + FPGA組成。

2.1主控電路
      其中FPGA，型號(hào)為Xilinx 的XC3S400，主要用于信號(hào)的邏輯控制以及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出控制等。DSP型號(hào)為TMS320F2812，作為控制核心，接受外部信號(hào)后控制伺服系統(tǒng)的工作參數(shù)，并轉(zhuǎn)換成逆變器的開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)隔離電路后直接控制ASIPM模塊給電機(jī)供電。

2.2功率電路
      整個(gè)主電路先經(jīng)不控整流，后經(jīng)全橋逆變輸出。功率變換電路中采用三菱公司的一體化智能功率模塊（ASIPM）PS12036。該模塊采用15A，1200V的功率管，內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，并設(shè)計(jì)有短路、過(guò)電流、欠電壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路。系統(tǒng)電源采用變壓器降壓隔離二極管整流濾波后由線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源為各部分提供電源，主要包括DSP和FPGA.、電流采樣和處理電路、光電編碼器接口電路、7路PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電源、串口電路和保護(hù)電路。

2.3電流采樣電路
      本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求采樣三相電流，采樣電路采用霍爾傳感器并經(jīng)AD模擬電路限制在0V～3.0V的電壓范圍內(nèi)，然后送人DSP的AD轉(zhuǎn)換器中。

2.4轉(zhuǎn)子速度位置檢測(cè)電路
      電機(jī)反饋采用增量式光電編碼器，該編碼器分辨率為2000線/轉(zhuǎn)，輸出脈沖信號(hào)A、B、Z，信號(hào)A、B相位依次相差90°（電角度），DSP通過(guò)判斷A、B的相位和個(gè)數(shù)可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。Z信號(hào)每轉(zhuǎn)一圈出現(xiàn)一次，用于位置信號(hào)的復(fù)位。光電編碼盤脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)接口電路隔離電平轉(zhuǎn)換后送入DSP，經(jīng)內(nèi)部QEP電路實(shí)現(xiàn)四倍頻，因此電機(jī)每圈的脈沖數(shù)是8000線/轉(zhuǎn)。

3系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)方案
      本系統(tǒng)的軟件在結(jié)構(gòu)上可分為主程序和PWM中斷服務(wù)子程序。主程序只完成系統(tǒng)硬件和軟件的初始化任務(wù)，然后處于等待狀態(tài)。完整的磁場(chǎng)定向?qū)崟r(shí)矢量控制算法在T1定時(shí)器下溢中斷服務(wù)程序中實(shí)現(xiàn)。
      位置速度的采樣利用DSP的QEP單元，為了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定采用了變周期采樣對(duì)不同速度段的采樣周期不同。電流采樣利用TMS320F2812自帶的AD轉(zhuǎn)換模塊，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波。電流環(huán)和速度環(huán)采用的是PID調(diào)節(jié)器；為了實(shí)現(xiàn)位置跟隨的快速性和無(wú)超調(diào)性，位置環(huán)采用變比例調(diào)節(jié)器?？臻g矢量PWM（SVPWM）根據(jù)逆變器的開(kāi)關(guān)邏輯將轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)空間劃分為6個(gè)區(qū)域，在各區(qū)域?qū)Χㄗ与妷菏噶窟M(jìn)行分解，從而得到產(chǎn)生實(shí)際PWM波形所需的參數(shù)。
      為了提高數(shù)字的表示范圍和運(yùn)算的精度，增強(qiáng)程序的可移植性，將運(yùn)算量進(jìn)行標(biāo)幺化處理，就是將運(yùn)算量與其最大值或額定值進(jìn)行比較，這樣預(yù)算量都化為小數(shù)，為了滿足TMS320F2812的定點(diǎn)運(yùn)算的要求，利用IQmath程序庫(kù)中_iq（）可將小數(shù)轉(zhuǎn)成整數(shù)形式，即小數(shù)的Q格式[5]。這樣浮點(diǎn)運(yùn)算就轉(zhuǎn)換為速度快得多的整型運(yùn)算。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
      本實(shí)驗(yàn)ASIPM選用三菱公司的PS12036, 實(shí)驗(yàn)電機(jī)的額定功率2.2kW, 額定線電壓380 V，額定頻率50 Hz，額定電流4A，Y型接法。SVPWM波的載波頻率為10kHz。實(shí)驗(yàn)波形如圖7，圖8所示。這些波形驗(yàn)證了 SVPWM的正確性，且逆變器輸出電流的諧波成分減小，說(shuō)明了該系統(tǒng)控制精度高，具有良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。

5結(jié)束語(yǔ)
      本文所研究的交流伺服系統(tǒng)，充分利用DSP和FPGA的外圍電路和控制接口，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中采用模塊化方法方便復(fù)雜程序的編寫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該系統(tǒng)具有良好的控制性能。隨著工業(yè)生產(chǎn)中不斷增長(zhǎng)的高精度、高可靠性的需求，交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。