基于DSP和FPGA的全数字永磁同步电机伺服系统的设计*

纪艳华， 钱佳利

(1. 上海开放大学，上海 200433； 2. 通用电气公司，上海 201100)

0 引 言

永磁同步电动机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低、易于散热及维护保养等优点，在印刷设备、纺织设备、航空航天、数控机床、加工中心、机器人等场合获得广泛应用。随着永磁材料价格的下降、材料磁性能的提高，及新型永磁材料的出现，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中，永磁同步电动机的应用领域逐步得到推广。

要获得高性能的永磁同步电机伺服驱动，就要有性能优良的控制系统。本文介绍了一种基于矢量控制算法(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)的全数字永磁同步伺服系统，其以DSP作为核心控制器，为了获得更高的控制精度和更快的响应速度，还将FPGA作为辅助控制器。DSP选用TI公司的TMS320LF2407A，FPGA选用Altera公司的Cyclone Ⅱ系列FPGA(EP1C3T144C8)。DSP和FPGA的应用，不仅可简化系统结构，使系统获得高精度和高可靠性，还为新型控制理论和方法的应用提供了基础。

1 全数字永磁同步伺服系统的结构与组成

永磁同步伺服系统是一种典型的位置、速度和电流三环调节系统，其基本框图如图1所示。从系统的控制结构来看，伺服的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置输入转换成相应的速度给定信号，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。

图1 永磁同步电机伺服系统基本框图

本设计中采用的全数字伺服系统结构框图如图2所示。

图2 全数字伺服系统结构框图

主回路采用交-直-交电压型逆变器形式。不可控整流由功率二极管模块承担，不可控整流桥和主滤波电容器完成从恒频恒压交流电源到直流电源的变换。逆变器选用三菱公司生产的智能功率模块，实现从直流电到变频变压交流电的转换，为伺服电动机的定子绕组提供所需的交流电。

控制回路以DSP为核心控制器，FPGA作为辅助控制器，还包含外围接口电路、电流反馈的处理电路、光电脉冲编码器信号的处理电路、PWM驱动信号隔离电路、故障处理和保护电路及与上位计算机的串行通信等电路。DSP采用TI公司的运动控制专用芯片TMS320LF2407A，构成伺服系统控制器的核心控制单元，其主要完成模拟指令的接收转换，电机定子电流的AD采样，电机角度、转速及位置的计算，复杂控制算法的实现，PWM驱动信号的产生，故障信号的检测与系统故障的处理，外部控制信号的接收，及与串行外设和显示电路的通信控制等。FPGA采用Altera公司的Cyclone Ⅱ系列FPGA(EP1C3T144C8)实现控制器扩展单元的管理功能，主要完成键盘输入信号的电平转换和输入输出I/O的处理、位置指令脉冲的处理、故障信号的综合及控制信号的逻辑处理等。系统采用两路霍尔电流传感器检测伺服电动机相电流的瞬时值，采用光电脉冲编码器检测伺服电动机的旋转角位移及磁场位置。

2 系统的软件实现

2.1 PMSM的矢量控制

矢量控制通过电机磁场定向将定子电流分为励磁分量和转矩分量，分别加以控制，从而获得良好的解耦特性。对于永磁同步电机，矢量变换的实质是对电机定子电流空间矢量幅值和相位进行控制，最终可归结为对d轴和q轴电流的控制。

在永磁同步电机矢量控制中，电机转矩给定即为iq，与转矩和转子磁链ψf成正比。只要能很好地控制定子励磁电流id，保持转子磁链ψf幅值恒定，则转矩只受定子电流的转矩分量iq控制。通过永磁同步电动机的矢量控制，就能获得与直流电动机调压调速相同的性能。

基于永磁同步电机dq坐标系统的数学模型，电机的矢量控制方法主要有：id=0控制、cosφ=1控制、恒磁链控制、力矩电流比最大控制。

在id=0控制条件下，电磁转矩仅与定子电流的交轴分量iq有关，对于表面式转子结构的永磁同步电机，此时单位定子电流可获得最大转矩，从而使电机铜损耗下降，效率提高，电机调速更易实现。故本文设计的系统采用id=0控制。

采用id=0的线性化解耦控制，电机定子电流只有横轴分量，电机转矩只有基本转矩分量，这与直流电动机的控制原理变得一样，只要能够检测出转子位置，使三相定子电流的合成电流矢量位于q轴上即可。

2.2 系统整体软件设计

整个伺服电机驱动器由串行SCI接口作为指令输入。通过模式选择程序，可选择位置控制模式或速度控制模式。其中位置控制模式由SCI输入指令位置来完成，当电机定位完成以后，驱动器就会通过SCI返回定位完成信息。速度控制模式有两种形式选择： 一种是通过SCI通信输入速度信号，另一种由外部模拟电压作为速度控制信号。

位置控制信号首先输入位置环，位置环输出速度信号，速度环对输入速度信号进行PI调节，输出q轴参考电流，d轴参考电流始终保持为0，然后再分别对两电流作PI调节，得到两相运动的电流信号。通过逆PARK变换，变换成两相静止的电流信号，静止的电流信号通过SVPWM模块产生六路PWM信号控制功率逆变器驱动电机。

安装在U相和V相的电流传感器负责检测U相和V相的电流，得到Iu和Iv，通过CLARKE变换为静止的两相电流，再通过PARK变换把静止的两相电流转换成运动的两相反馈电流，分别送到电流环里进行运算。

安装在电机尾部的光电码盘将测量到的速度作为速度环的反馈速度，同时提供PARK变换和PARK逆变换所需的电角度。通过计算得出电机所转过的位置，反馈给位置环进行运算。

2.3 利用TMS320F2407实现SVPWM算法

TMS320F2407的事件管理器具有产生对称空间矢量PWM波形的内置硬件电路。为了输出空间矢量PWM波形，需要设置以下相关寄存器：

(1) 设置ACTRx寄存器的比较输出引脚的输出方式；

(2) 设置COMCONx寄存器的使能比较操作和空间矢量PWM模式，并且把CMPRx的重载入条件设置下溢；

(3) 将通用定时器1或2，4或5设置成连续增/减计数模式，并起动定时器；

然后，将输入到电机的电压Uo分解为αβ坐标系下的Uα和Uβ，以确定每个PWM周期的相关参数，具体步骤如下：

(1) 确定两个相邻矢量Ux和Ux+60(通过确定Uo所在的扇区数即可达到此要求)；

(2) 根据SVPWM的调制周期T，计算两个基本的空间矢量和0矢量分别的作用时间T1、T2和T0；

(3) 将相应于Ux的开启方式写入到ACTRX的14～12位中，并将1写入ACTRX第15位中；

(4) 将T1/2的值写入到CMPR1或CMPR4寄存器，将(T1+T2)/2的值写入到CMPR2或CMPR5寄存器；

在空间矢量PWM模式中，当两个比较寄存器CMPR1和CMPR2装入的值都是0时，3个比较输出全都变成无效，故在使用空间矢量PWM时应满足如下关系式：

CMPR1≤CMPR2≤T1PR或CMPR4≤CMPR5≤T3PR

生成的空间矢量PWM波形关于每个PWM周期中心对称，故该方法被称为对称空间矢量PWM生成法。该空间矢量PWM波形如图3所示。

图3 空间矢量PWM波形

3 试验与结果分析

本文的控制对象是一台面装式永磁同步电动机，型号为M90-8F02430LF。其额定功率750W，额定电压220V，额定电流3A，额定转速3000r/min，额定力矩2.4N·m，转子惯量2.45×10-4，机械时间常数4.65ms，绕组电阻3.2Ω，绕组电感7.0mH。系统的调速范围是1～2000，调速比是2000。

(1) 电机带固定小负载情况下的转速跟踪波形如图4所示。

图4 电机带固定小负载的情况下的转速跟踪波形图

由图4可知，给定电机频率为5Hz，转速为1500r/min 时，反馈速度上升时间快，超调量非常小。

(2) 电机带可变负载情况下的转速跟踪波形如图5所示。

图5 电机带可变负载的情况下的转速跟踪波形图

给电机带上一个发电机和能耗电阻作为负载，由于电机所带的负载是随速度的增加而增加，且电流环已处于饱和值，故当速度上升到一定值时，电机的加速度变小，速度曲线变弯。但由图5可知，反馈速度值仍上升很快，基本无超调。

4 结 语

本文设计以DSP芯片TMS320LF2407A作为主控制器，FPGA芯片EP1C3T144C8作为辅助控制器的全数字永磁同步伺服系统，减少了系统功能对硬件电路的依赖，尽可能由DSP和FPGA的软件实现。这不仅简化了系统结构，使系统获得高精度和高可靠性，且大大增强了交流伺服系统的灵活性、可移植性和可扩展性，为新型控制理论和方法的应用提供了基础。

【参考文献】

[1] 秦忆.现代交流伺服系统[M].武汉： 华中理工大学出版社,1995.

[2] 尹泉.基于DSP的全数字交流伺服系统研究和设计[D].武汉： 华中科技大学,2000.

[3] CHEN C L, LI C M, TU R J, et al. A novel simplified space vectormodulated control scheme for three-phase switch-mode rectifier[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics, 1999(46)： 512-515.