基于TMS320F2812的永磁同步

    電動機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計

    曾祥華

    (贛南師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院，江西贛州341000)

    摘要：永磁同步電動機(jī)(PMsM)是一個多變量、非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，其伺服系統(tǒng)的控制策略直接影響PMsM的性能指標(biāo)。以TMs320n812為主控芯片，詳細(xì)論述了以PMsM為執(zhí)行元件的交流伺服系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。試驗(yàn)表明，該伺服系統(tǒng)反應(yīng)快，精度高，能滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。

    關(guān)鍵詞：永磁同步電動機(jī)；伺服系統(tǒng)；脈寬調(diào)制

0  引  言

    永磁同步電動機(jī)(PMsM)具有結(jié)構(gòu)簡單、功率密度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、特種加工等工礦場所得到了廣泛應(yīng)用。為了滿足精密數(shù)控機(jī)床、特種機(jī)器人等負(fù)載驅(qū)動的要求，對以PMsM為執(zhí)行元件的伺服系統(tǒng)提出了越來越高的性能和技術(shù)要求。隨著智能功率集成電路和數(shù)字信號處理器(DsP)的出現(xiàn)，伺服控制技術(shù)也已進(jìn)入了一個全薪時期，它使伺服系統(tǒng)模塊化和全數(shù)字化得以更加容易實(shí)現(xiàn)。

    本文以TMs320F2812為主控芯片，詳細(xì)論述了以PMsM為執(zhí)行元件的交流伺服系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。該芯片的運(yùn)算能力比DsP(c24x)提高了一倍，而且具有外部集成度更高、A／D轉(zhuǎn)換速度更快等特點(diǎn)。試驗(yàn)表明，該伺服系統(tǒng)反應(yīng)快，精度高，可滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。

1  PMsM數(shù)學(xué)模型

    在假設(shè)磁路不飽和，不計磁滯和渦流損耗影響，空間磁場呈正弦分布的條件下，對于面裝式PMsM，在電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系中，采用磁場定向控制，即i_d=O時，電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為：

PMsM電壓方程

PMsM轉(zhuǎn)矩方程

PMSM運(yùn)動方程

式中：腳標(biāo)為dq的量分別是在dq軸的電壓、電流分量；R_s、P_n、J，e₀、R_Ω、p分別為定子繞組電阻、極對數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量、定子電動勢、摩擦系數(shù)、微分算子；T_f、ψ_f分別為負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁鏈。

2伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計

    TMs320F2812是美國TI公司TMS320F281x系列中的一種定點(diǎn)DsP，該芯片由于采用高性能靜態(tài)cM0s技術(shù)，使得供電電壓降為3．3 v，大大減小了控制器的功耗。TMS320F28lx提供了強(qiáng)大的計算能力，****運(yùn)行速度可達(dá)到150 MIPS(每秒百萬條指令)，應(yīng)用于電機(jī)的數(shù)字化控制顯得游刃有余。TMS：320F2812與現(xiàn)存24x DsP芯片代碼兼容的同時，具有處理性更強(qiáng)、外設(shè)集成度更高、程序存儲器更大及A／D轉(zhuǎn)換速度更快等特點(diǎn)。

    基于TMS320F2812的PMSM伺服控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖l所示。

    (1)位置與轉(zhuǎn)速檢測。電動機(jī)的磁極位置及其轉(zhuǎn)速反饋信號均來自通用增量式的光電編碼器。該編碼器共有A、B、z、u、v、w六對脈沖輸出信號，相差90^o的A、B脈沖信號用于位置與轉(zhuǎn)速的檢測和電機(jī)轉(zhuǎn)向的判別，z信號為每轉(zhuǎn)輸出一個脈沖的零位參考信號，u、V、w信號則用于電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始定位。TM$320F2812事件管理模塊具有正交解碼脈沖電路(QFP電路)，當(dāng)該電路被使能后，引腳cAPl／QEPl和cAP2／QEP2接收脈沖，并進(jìn)行解碼和計數(shù)。光電編碼器輸出的正交編碼脈沖經(jīng)接口電路輸入到DsP的OEP電路輸入端，通過QEP電路對接收到的脈沖進(jìn)行解碼并處理，從而獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置及速度信息。

    (2)定子電流的檢測。為了滿足高性能伺服系統(tǒng)的要求，提高系統(tǒng)的電流環(huán)響應(yīng)速度，電流檢測采用霍爾電流傳感器(LEM)，實(shí)際檢測三相電流只需兩個lFM即可。由于TMS320F2812的A／D輸入信號范圍是O～3 V，所以霍爾元件檢測到的電流信號須變換成電壓信號，再經(jīng)過濾波放大成O～3 V區(qū)間內(nèi)變化的模擬電壓信號，輸入到DsP芯片內(nèi)的ADc模塊。

    (3)故障檢測及保護(hù)。故障檢測及保護(hù)包括過壓保護(hù)、過流保護(hù)和智能功率模塊(IPM)的保護(hù)。在電機(jī)制動過程中，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能將由逆變器轉(zhuǎn)化成電能反送到直流側(cè)，而整流電路是三相不可控橋式整流，不能將直流側(cè)的電能返回電網(wǎng)，故電容兩端電壓將升高，這將危及器件的安全。因此，在主電路上設(shè)置過壓檢測電路。當(dāng)程序跑飛時，電樞電流有可能過大，進(jìn)而損害