1 引言

近年來，交流伺服系統(tǒng)的應用已經(jīng)十分廣泛，特別是在要求高精度、高響應的應用場合，交流永磁同步電機伺服系統(tǒng)具有非常明顯的優(yōu)勢。隨著微電子技術和功率電子技術的飛速發(fā)展，在交流伺服系統(tǒng)中已經(jīng)采用了各種新穎的器件如數(shù)字信號處理器(dsp)、智能功率模塊(ipm)等，使伺服控制器從模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，而數(shù)字控制在精度、可靠性以及靈活性等方面的優(yōu)勢，也促使交流伺服系統(tǒng)向全數(shù)字化、智能化、小型化方向發(fā)展。

本文研究了采用ti公司的新一代低功耗、高速dsp芯片tms320lf2406的全數(shù)字交流伺服控制器的軟硬件設計和控制方案。tms320lf2406采用3.3v供電，在性能上有了進一步的增強，不僅具有更強的實時運算能力，并且集成了豐富的電機控制外圍電路，特別適用于對控制器體積、性能要求較高的應用。

2 交流永磁同步電機矢量控制

交流永磁同步電機在磁路不飽和，磁滯及渦流的影響忽略不計，定子三相電流產(chǎn)生的空間磁勢及永磁轉(zhuǎn)子的磁通分布呈正弦波形狀的條件下，若不考慮轉(zhuǎn)子磁場的凸極效應，即ld=lq=l，可得其在d_q坐標系上的狀態(tài)方程為[1]:

其中r:繞組等效電阻;l:等效電感;p:微分算子(d/dt);np:電機磁極對數(shù);ωm:轉(zhuǎn)子機械角速度;ψf:轉(zhuǎn)子永磁效應對應的每對磁極磁通;tl:折算到電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)矩;j:折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量。

式(1)中系數(shù)矩陣含有變量ωm，所以可知永磁同步伺服電機是一種非線性的控制對象，且d軸電流分量id和q軸電流分量iq之間存在耦合作用，為使永磁同步電動機具有和直流電動機一樣的控制性能，通常采用id≡0的線性化解耦控制，即在初始定向a相繞組和d軸重合之后, 始終控制電樞電流矢量位于q軸上,和轉(zhuǎn)子磁鏈矢量正交。然而從狀態(tài)方程可以看出，d_q坐標系上的狀態(tài)變量存在著耦合關系，即vd不僅依賴于id，同時和iq也有關系，這給控制器的設計帶來了很大的問題，在通常的模擬方式交流伺服控制器中，只能通過增大電流控制器的增益實現(xiàn)電流矢量的快速跟蹤，得到近似線性化的解耦控制效果，而對于全數(shù)字化交流伺服控制器，如果知道交流永磁同步電機的感應反電勢常數(shù)、電樞繞組的電感值，則可以通過完全去耦控制實現(xiàn)精確地線性化控制。現(xiàn)假設感應反電勢常數(shù)、電樞繞組的電感值已知，那么令:

這樣vd_decoupled和vq_decoupled作為電流控制的輸出就成為完全解耦的控制量，在d_q坐標系上，電流控制器也可以獨立地按照一階系統(tǒng)設計，再對d_q坐標系上的電流控制器輸出進行矢量解耦控制，就得到了實際的d_q坐標系電壓矢量，可以產(chǎn)生實際的pwm驅(qū)動信號。系統(tǒng)的控制結構框圖如圖1所示。

圖1 交流永磁同步電機控制器控制結構圖

3 伺服控制器硬件設計

以數(shù)字信號處理器為控制核心的全數(shù)字控制器硬件結構如圖2所示。從圖上可以看出系統(tǒng)主要有以下幾部分:控制器核心tms320lf2406;外圍接口電路;功率回路。

(1) tms320lf2406的基本結構和系統(tǒng)設計
tms320lf2406與tms320f240相比，具有了一些新的特點[2,3]:采用了高性能靜態(tài)cmos技術，供電電壓降低為3.3v，減小了功耗，同時指令執(zhí)行周期縮短到33ns，從而提高了控制器的實時處理能力;片內(nèi)包含32k的flash程序存儲器、544字雙存取 ram和2k字的單存取ram(可以靈活地配置為數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器);片內(nèi)外設采用統(tǒng)一的外設總線和數(shù)據(jù)空間連接，其中包含兩個事件管理器模塊，每個均由兩個16位通用定時器、8個16位的脈寬調(diào)制(pwm)通道、3個捕獲單元以及一套編碼器接口電路組成;10位a/d轉(zhuǎn)換器采用序列器靈活編程，在一個轉(zhuǎn)換周期內(nèi)可以對一個通道進行多次轉(zhuǎn)換，可選擇分別由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個8通道輸入a/d轉(zhuǎn)換序列或一個16通道輸入的a/d轉(zhuǎn)換序列，a/d轉(zhuǎn)換的最小時間為500ns。從上述的結構特點可以知道， tms320lf2406作為整個控制器的核心，集成了主要的電機外設控制部件，具有高速的運算能力、較高的采樣精度，外設配置性能和功能比較強，非常適合構成單片電機伺服控制器，完成實時性要求高的伺服控制任務。在本系統(tǒng)中利用它來實現(xiàn)矢量變換、電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制以及pwm信號發(fā)生、各種故障保護處理等功能。

圖2 交流永磁同步電機控制器的硬件結構圖

(2) 系統(tǒng)接口電路設計
為了使伺服控制器具有緊湊、通用、小型的控制結構，系統(tǒng)在硬件設計上采用單一dsp構成控制器，使系統(tǒng)可以支持位置脈沖輸入、模擬速度輸入、模擬轉(zhuǎn)矩輸入以及通過上位機對系統(tǒng)進行控制等多種方式[4]。

a) 控制接口電路設計:對于位置脈沖輸入指令，利用tms320lf2406的第二個事件管理器模塊中的t4計數(shù)器對“脈沖+方向”的位置指令進行計數(shù)或正交編碼電路對兩相正交脈沖輸入位置指令信號計數(shù);對于模擬速度輸入指令，利用dsp中的8個模擬量輸入通道進行分時采樣，然后采用“過采樣”技術有效地提高模擬指令的分辨率。

b) 反饋接口電路:對于位置反饋輸入信號，利用tms320lf2406的第一個事件管理器模塊中的正交編碼電路對兩相正交脈沖輸入信號計數(shù);對于電流反饋采樣部分，兩相電流反饋分別占用dsp的4個模擬輸入通道，采用分時采樣和“過采樣”技術可以將電流反饋的分辨率提高到11位。

c) 外部接口電路:由于tms320lf2406采用3.3v電源供電，常用的+5v電源供電的i/o接口信號需要進行相應的電平轉(zhuǎn)換才能進入dsp。對于開關類型的i/o信號，電平轉(zhuǎn)換可以采用光電耦合器實現(xiàn);對于差動輸入的位置脈沖信號，可以采用高速光耦合器件如tlp112進行差動隔離接收，在光耦合器件的輸出端直接用3.3v電源實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換;對于模擬輸入信號，由于常用的控制器模擬輸入信號范圍為+/-10v，所以必須要用運算放大器進行信號變換，將模擬量信號轉(zhuǎn)換到dsp的模擬輸入范圍0~3.3v之內(nèi);對于pwm輸出信號，由于dsp的pwm輸出通道的電流能力有限，也需要擴展一個輸入為ttl電平的緩沖器電路。

d) 控制器emi設計要求:tms320lf2406的供電電源分成了兩種，分別是數(shù)字電源，包括內(nèi)核電源+3.3v、i/o電源+3.3v;模擬電源即a/d轉(zhuǎn)換器電源，其中a/d轉(zhuǎn)換器的電源要和數(shù)字供電電源隔離，因此在pcb電路設計上要將模擬電源與數(shù)字電源嚴格分離，一件小叔子電路對模擬電路的干擾，這兩種電源的參考地在dsp內(nèi)部進行了連接。比較好的pcb設計是采用4層板工藝，電源和地線在中間兩層進行處理。

(3) 主電源電路

伺服系統(tǒng)的主回路逆變器采用智能功率模塊pm30csj060，該模塊采用30a 600v igbt功率管，內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，并設計有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護電路。同時系統(tǒng)設計了軟啟動電路以減少強電對主回路的沖擊。在系統(tǒng)故障保護環(huán)節(jié)中，設置了主回路過壓、欠壓、過熱、過載、制動異常、光電編碼器反饋斷線等保護，故障信號由軟硬件配合檢測，一旦出現(xiàn)保護信號，通過軟件或硬件邏輯立刻封鎖pwm驅(qū)動信號。系統(tǒng)采用磁平衡式霍爾電流傳感器csne151采樣兩相電流反饋ia、ib，獲得實時的電流信息。系統(tǒng)的控制電源采用開關電源供電，開關電源功率開關器件選用top223。

4 系統(tǒng)軟件設計

交流永磁同步電機控制器軟件包含兩個部分，一是 dsp的主程序部分;二是 dsp伺服控制程序，它由四個部分組成:pwm定時中斷程序;光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序;功率驅(qū)動保護中斷程序;通訊中斷程序。在主程序中完成dsp系統(tǒng)以及外設部件的初始化、i/o控制信號管理、節(jié)電模式管理、故障檢測及處理等。在pwm定時中斷程序中實現(xiàn)電流環(huán)采樣及控制、矢量控制、pwm信號生成，中斷控制周期設定為100us，1ms完成一次速度環(huán)和位置環(huán)控制，伺服控制器的pwm開關周期設置為10khz，pwm信號采用空間矢量調(diào)制模式;通訊中斷程序主要實現(xiàn)接收并刷新伺服控制參數(shù)、設置伺服運行模式;光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序?qū)崿F(xiàn)對編碼器反饋零脈沖精確地捕獲，得到交流永磁同步電機矢量變換磁場定向角度的修正值;功率驅(qū)動保護中斷程序則檢測智能功率模塊的故障輸出，當出現(xiàn)故障時，dsp的pwm通道將被封鎖，強制輸出變成高阻態(tài)?？刂破鬈浖某跏蓟绦蚝蚿wm定時中斷程序的流程圖如圖3所示。

圖3 控制器軟件流程框圖

5 結論
本文提出的的交流永磁同步電機全數(shù)字控制器的設計方案采用單片tms320lf2406 ，充分利用了dsp的高速運算能力和豐富的片內(nèi)外設資源，保證了伺服控制的實時性，有效地簡化了硬件設計，使系統(tǒng)的結構更加簡潔、緊湊。

參考文獻
[1] 秦 憶，周永鵬等. 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)[m]. 武漢:華中理工大學出版社，1995.
[2] tms320lf/lc240x dsp controller reference guide:system and peripherals. ti.
[3] 陳 雯. 最新電機控制專用dsp控制器[j]. 電氣傳動，1999(2):29~30.
[4] 畢承恩等.現(xiàn)代數(shù)控機床[m].北京:機械工業(yè)出版社，1991.

作者簡介
張小強 男 工程師 南京市中青年行業(yè)技術、學科帶頭人后備人員。南京力源強磁股份有限公司技術副總，兼南京蘇強機電數(shù)控機電有限公司總經(jīng)理，主要從事永磁同步電動機及驅(qū)動器研制開發(fā)與生產(chǎn)。