基于DSP和FPGA的三相異步電機矢量伺服系統(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)動已經(jīng)具有可與直流伺服驅(qū)動相比擬的性能，并且交流伺服傳動技術(shù)已廣泛應(yīng)用于印刷、數(shù)控機床、食品包裝、紡織、塑料、電子半導(dǎo)體等行業(yè)[1]。交流伺服傳動系統(tǒng)的電機一般又分為交流永磁同步電機和鼠籠式交流異步電動機，在小功率范圍交流永磁同步伺服系統(tǒng)有一定的優(yōu)勢但是在大功率伺服系統(tǒng)中，鼠籠式異步電機因結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格低廉、應(yīng)用范圍廣、過流能力大的特點而得到廣泛應(yīng)用[3]。筆者研制了一套基于ASIPM、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）和專用的數(shù)字信號處理器 （DSP ）的鼠籠式三相異步電動機伺服系統(tǒng)，本文介紹了系統(tǒng)控制原理、硬件和軟件的設(shè)計，通過實驗對其進行了驗證。

1系統(tǒng)控制原理

感應(yīng)電動機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來定向[6]；根據(jù)磁鏈位置檢測方式的不同，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)系來估計磁鏈相對于轉(zhuǎn)子的位置的間接矢量控制，通過采用坐標變換實現(xiàn)對電動機定子電流的解耦；采用可在任何速度范圍內(nèi)使用的基于電流模型估計，即利用速度信號和電流信號估計轉(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

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

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

2.2功率電路
整個主電路先經(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)動電路，并設(shè)計有短路、過電流、欠電壓等故障檢測保護電路。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信號的驅(qū)動電源、串口電路和保護電路。

2.3電流采樣電路
本系統(tǒng)的設(shè)計要求采樣三相電流，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)子速度位置檢測電路
電機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A、B、Z，信號A、B相位依次相差90°（電角度），DSP通過判斷A、B的相位和個數(shù)可以得到電機的轉(zhuǎn)向和速度。Z信號每轉(zhuǎn)一圈出現(xiàn)一次，用于位置信號的復(fù)位。光電編碼盤脈沖信號經(jīng)過接口電路隔離電平轉(zhuǎn)換后送入DSP，經(jīng)內(nèi)部QEP電路實現(xiàn)四倍頻，因此電機每圈的脈沖數(shù)是8000線/轉(zhuǎn)。

3系統(tǒng)軟件實現(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)。完整的磁場定向?qū)崟r矢量控制算法在T1定時器下溢中斷服務(wù)程序中實現(xiàn)。
位置速度的采樣利用DSP的QEP單元，為了電動機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定采用了變周期采樣對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，同時對信號進行數(shù)字濾波。電流環(huán)和速度環(huán)采用的是PID調(diào)節(jié)器；為了實現(xiàn)位置跟隨的快速性和無超調(diào)性，位置環(huán)采用變比例調(diào)節(jié)器。空間矢量PWM（SVPWM）根據(jù)逆變器的開關(guān)邏輯將轉(zhuǎn)子磁場空間劃分為6個區(qū)域，在各區(qū)域?qū)Χㄗ与妷菏噶窟M行分解，從而得到產(chǎn)生實際PWM波形所需的參數(shù)。
為了提高數(shù)字的表示范圍和運算的精度，增強程序的可移植性，將運算量進行標幺化處理，就是將運算量與其最大值或額定值進行比較，這樣預(yù)算量都化為小數(shù)，為了滿足TMS320F2812的定點運算的要求，利用IQmath程序庫中_iq（）可將小數(shù)轉(zhuǎn)成整數(shù)形式，即小數(shù)的Q格式[5]。這樣浮點運算就轉(zhuǎn)換為速度快得多的整型運算。

4實驗結(jié)果及結(jié)論
本實驗ASIPM選用三菱公司的PS12036, 實驗電機的額定功率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。實驗波形如圖7，圖8所示。這些波形驗證了 SVPWM的正確性，且逆變器輸出電流的諧波成分減小，說明了該系統(tǒng)控制精度高，具有良好的動、靜態(tài)特性。

5結(jié)束語
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，簡化了硬件設(shè)計，同時在軟件設(shè)計中采用模塊化方法方便復(fù)雜程序的編寫。實驗結(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)用將越來越廣泛。