基于DSP的伺服系統(tǒng)電流環(huán)的分析與設(shè)計(jì)

1、2002年11月第9卷第6期文章編號:167127848(2002 0620043204控制工程Control Engineering of China Nov . 2002Vol. 9,No. 6基于DSP 的伺服系統(tǒng)電流環(huán)的分析與設(shè)計(jì)張文元, 周俊(東南大學(xué)自動控制系, 江蘇南京210096摘要:分析了影響同步電動機(jī)矢量控制電流控制環(huán)動態(tài)特性的主要因素, 指出同步電動機(jī)反電動勢是其中最重要的干擾因素。針對通常采用的PI (比例-積分 電流調(diào)節(jié)器因工作頻帶的限制無法在較高轉(zhuǎn)速時(shí)抑制反電動勢的影響, 提出了前饋補(bǔ)償和變電流環(huán)增益的設(shè)計(jì)方法, 并應(yīng)用于基于數(shù)字信號處理器的矢量控制系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)

2、結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該系統(tǒng)硬件簡單, 控制精度高, 動態(tài)性能良好。關(guān)鍵詞:伺服系統(tǒng); 矢量控制; 永磁同步電動機(jī); 電流控制環(huán); 數(shù)字信號處理器中圖分類號:TM 92115文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A1引言矢量控制系統(tǒng)具有控制精度高、低頻特性優(yōu)良、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn), 因此矢量控制技術(shù)已成為高性能伺服系統(tǒng)的首選方案。制, , 因而電流控制環(huán)的動態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn), 研究同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)必須涉及到電流控制環(huán)的研究。其中反電動勢的干擾及電流調(diào)節(jié)器的作用是影響電流控制環(huán)性能的主要因素。電機(jī)反電動勢對電流控制環(huán)的干擾隨轉(zhuǎn)速上升而增大, 而且電機(jī)反電動勢是一個(gè)與諧波無關(guān), 幅

3、值和相角不連續(xù)的電壓信號, 因而它是影響電流控制環(huán)性能的一個(gè)主要因素。在低速時(shí), 電機(jī)反電動勢小, 通過PI 電流調(diào)節(jié)器積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)可基本抵消反電動勢的干擾, 電流跟隨誤差很小, 因而總的電流控制特性良好; 高速時(shí), 電機(jī)反電動勢較大, 盡管選擇高增益的電流調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù), 可以使反電動勢的影響減少, 但是高增益比例放大系數(shù)也會將諧波電流放大而影響電流輸出性能, 電流控制特性受到較大影響。針對上述原因, 本文在研究了永磁同步電動機(jī)矢量控制電流環(huán)線性化解耦控制方法的基礎(chǔ)上, 提出了一種基于DSP 的矢量控制系統(tǒng)的前饋補(bǔ)償和變電流環(huán)增益的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。2 , 再經(jīng)過按轉(zhuǎn)子磁場定向, 這樣就

4、可以將一臺三相交流電動機(jī)等效為直流電動機(jī)來控制, 因而可獲得與直流伺服系統(tǒng)同樣好的靜態(tài)及動態(tài)性能1。其控制原理框圖如圖1所示。其中, u d , u q , i d , i q :分別為d 2q 坐標(biāo)系上電樞電壓和電流分量; 3, m 為給定轉(zhuǎn)速和測量轉(zhuǎn)速; f 為永久磁鐵對應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁鏈; V a , V b , V c 為電機(jī)三相電壓; i a , i b , i c 為三相反饋電流。由于永磁同步電動機(jī)的模型中i d , i q 互相耦合, 是典型的非線性系統(tǒng), 要想獨(dú)立控制i d , i q , 必3須使i d , i q 解耦。轉(zhuǎn)矩電流指令i q 由外部給定,d 軸電流指令i d =0,

5、 取三相輸出的兩相電流i a , i b , 經(jīng)3/2變換(見式(1 轉(zhuǎn)換成i , i , 再經(jīng)旋轉(zhuǎn)3變換輸出i d , i q , 經(jīng)電流調(diào)節(jié)器G I (s 和電樞反33應(yīng)、反電動勢的補(bǔ)償輸出電壓信號u d , u q , 根據(jù)u d , u q 輸出PWM 信號驅(qū)動逆變器, 實(shí)現(xiàn)i d , i q33之間解耦, 使PMSM 模型線性化。i =i a ; i =i a +i b ; (1i a +i b +i c =0收稿日期:2002-04-26作者簡介:張文元(1979- , 男, 安徽阜陽人, 東南大學(xué)碩士研究生, 主要研究方向?yàn)榻涣魉欧到y(tǒng)和MIS 系統(tǒng)等。 44控制工程第9卷圖1矢

6、量控制原理框圖根據(jù)PMSM 的數(shù)學(xué)模型, 如果在控制中強(qiáng)制d 軸電流i d =0, 則同步電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩可表示為M m =3/2p f i q =K t i q 式中, K t =3/2p f , i q 為轉(zhuǎn)矩常數(shù), 在i d =0的條件下, 電磁轉(zhuǎn)矩僅與i q 成正比, 只要控制i q , 就可線性地控制轉(zhuǎn)矩, 能, 2 變電流調(diào)節(jié)器增益設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器采用變增益的PI 控制算法, 比例增益K 是一個(gè)很重要的數(shù)據(jù), , 希, 但是, 系統(tǒng)對電, 不可能十分。但是如果一味地提高K , 則會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 造成電流紋波增大。當(dāng)K 較小時(shí), 電流紋波小、靜態(tài)誤差大; 當(dāng)K 較大時(shí), 電流紋波大

7、、靜態(tài)誤差小。靜態(tài)誤差是由電樞反應(yīng)和反電動勢造成的, 而它們的大小和m 成正比, 在同一K 下, m 越大靜態(tài)誤差越大, m 越小靜態(tài)誤差越小, 所以一個(gè)恒定的K 很難兼顧整個(gè)速度范圍內(nèi)的紋波和靜差的要求, 經(jīng)實(shí)驗(yàn)提31 前饋補(bǔ)償設(shè)計(jì)由圖1, 可寫出:33u d =G i (i d -i d -m L q i q ;u q33=G i (i q -i q +m L d i d +m f(2令i d i q333=i d -m L q i q /G i ;=i q3+m L d i d /G i +m f /G 3333(3則式(2 可表示為u d =G i (i d u q =G i (i q

8、-i d -i q (433電流解耦控制可以理解為i d , i q 跟蹤i d , i q 的電33流跟蹤法, 如果用i d , i q 代替式(3 中的i d , i q ,出一種方法:K 是變化的, 高速時(shí)K 大, 低速時(shí)K 小, 這樣就能兼顧整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的紋波和靜差要求4。電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)可表示為(7 G I (s =K (1+T I S可得:333i d 1=i d -m L q i q /G i式中, T I 為電機(jī)時(shí)間常數(shù)。K max , >max ;K =i q 1=i q +m L d i d /G i +m f /G 333(5, min <<max

9、; K K min(8<min33如果在電流環(huán)中讓電流跟蹤i d 1, i q 1而不是333i d , i q 就能獲得較好的電流解耦效果, 把從i d ,式中, K 由試驗(yàn)測定。i q 變換到i33d 1,32,3i q 1的算法稱之為前饋補(bǔ)償。4系統(tǒng)組成及硬件實(shí)現(xiàn)基于DSP320F2405的矢量控制方案的伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)由主電路、控制電路和輔助電路3個(gè)部分組成:其主電路中的逆變器采用六管封裝的此時(shí), 電流調(diào)節(jié)器輸出為u d =G i (i d 1-i d u q =G i (33i q 133-i q (6 第6期張文元等:基于DSP 的伺服系統(tǒng)電流環(huán)的分析與設(shè)計(jì)

10、45圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖IG B T 功率模塊, 完成功率變換; 控制電路以TMS320F240芯片為核心, 用來完成矢量控制核心算法、PWM 產(chǎn)生、相關(guān)電壓電流的檢測處理等功能; 輔助電路由輔助開關(guān)電源、驅(qū)動電路、光電編碼器、電流檢測裝置、霍爾傳感器組成, 以實(shí)現(xiàn)給系統(tǒng)提供多路直流電源、IG B T 的隔離驅(qū)動、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測及放大功能。1 速度反饋信號檢測速度檢測器件采用增量式光電編碼器, 它輸出兩個(gè)相位相差90°的方波脈沖信號, 經(jīng)整形后, 入DSP , CL K 和轉(zhuǎn)向信號DIR , 向信息。2 輸出電流檢測用磁平衡式霍爾電流傳感器檢測三相輸出的兩相電流i a , i b , 計(jì)算

11、出第三相電流i c =-(i a +i b , 從而獲得實(shí)時(shí)的輸出電流信息, 即電機(jī)的定子電流信息 , 為矢量計(jì)算和系統(tǒng)保護(hù)提供實(shí)時(shí)信號。3 PWM 輸出TMS320F240的PWM 發(fā)生電路可產(chǎn)生6路具有可編程死區(qū)和可變輸出極性的PWM 信號, 經(jīng)隔離驅(qū)動單元后, 來控制主電路的IG B T , 實(shí)現(xiàn)逆變輸出。上述矢量控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用交流永磁同步電機(jī):114kW ;380V ;515A ; 1500r/min 光電旋轉(zhuǎn)編碼器, 每轉(zhuǎn)輸出2500個(gè)脈沖。負(fù)載從0100%變化, 電流波形對稱, 運(yùn)行平穩(wěn), 速度波動率<±013%。速度頻率響應(yīng)在200Hz 以上。該系統(tǒng)達(dá)到國內(nèi)同類

12、產(chǎn)品的水平?；赥MS320F240的矢量控制系統(tǒng), 充分利用了DSP 的高速運(yùn)算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源, 使伺服系統(tǒng)外圍電路少, 結(jié)構(gòu)緊湊, 可靠性高。參考文獻(xiàn):1胡崇岳. 現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1998.2秦憶, 等. 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)M .武漢:華中理工大學(xué)出版社, 1995.3張波, 李忠, 毛宗源. PWM 逆變器供電的同步電動機(jī)矢量控制電流控制環(huán)的研究和設(shè)計(jì)J.控制理論與應(yīng)用, 1999,6(10 :64268.4Guney I , Oguz Y Serteller F. Dynamic behaviourmodel of permanent magnet

13、 synchronous motor fed by PWM inverter and fuzzy logic controller for stator phase current ,flux and toque control of PMSMJ.IEEE Electric Machines and Drives Conference , 2000, (6 :4792485.5張芳蘭, 等. TMS 320C2XX 用戶指南M .北京:電子工業(yè)出版社, 1999.5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件由主程序和電流環(huán)中斷子程序構(gòu)成。主程序中完成系統(tǒng)初始化、上電檢測和報(bào)警檢測。電流環(huán)中斷子程序完成坐標(biāo)變換及旋轉(zhuǎn)

14、變換, 其中電流調(diào)節(jié)器采用上文提到的前饋補(bǔ)償和PI 算法。這樣既可以保證速度控制精度, 又大大減少中斷時(shí)間, 提高開關(guān)頻率, 減小靜態(tài)誤差。其軟件流程圖如圖3所示。(下轉(zhuǎn)第64頁64控制工程第9卷發(fā)酵生產(chǎn)平穩(wěn)、不同發(fā)酵批次間重復(fù)性提高, 發(fā)酵單位都有了不同程度的提高。同時(shí), 由于生產(chǎn)過程自動化水平的提高, 使工人的操作強(qiáng)度大大降低。該系統(tǒng)已在L 2谷氨酰胺、L 2蛋氨酸、多粘菌素、檸檬酸等發(fā)酵生產(chǎn)過程控制中取得成功應(yīng)用。目前計(jì)算機(jī)控制在發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用與其他機(jī)電等行業(yè)相比還有差距, 計(jì)算機(jī)在線優(yōu)化分析和控制、模糊人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)的應(yīng)用將是發(fā)酵工業(yè)工程的系統(tǒng)控制發(fā)展的必然趨勢。參考文獻(xiàn):1

15、Pan F , Chen J ,Lun S Y. Intelligent control of theproduction process for L 2lsoleuine fermentation C .Beijing :Tsinghua University Press , 1997. 2孫增圻. 智能控制理論與技術(shù)M .北京:清華大學(xué)出版社, 1997.3張虹, 王林涵, . 2PI 復(fù)合控制在電站J.自動化儀 , M .西安:, 1994.力是通過調(diào)節(jié)排出氣體的流量來控制, 用簡單的單回路常規(guī)PID 控制即可取得滿意控制精度。由于發(fā)酵過程中基質(zhì)濃度等參數(shù)目前尚無在線檢測手段, 因此實(shí)現(xiàn)

16、營養(yǎng)物質(zhì)補(bǔ)料的閉環(huán)控制比較困難。如果發(fā)酵過程不同階段的營養(yǎng)物質(zhì)需求量較為明確, 則可以實(shí)現(xiàn)開環(huán)的程序設(shè)定控制。在實(shí)際發(fā)酵過程中, 根據(jù)補(bǔ)料性質(zhì)的不同, 可以采用補(bǔ)料電磁閥按時(shí)間比例的方式進(jìn)行開關(guān)補(bǔ)料。如果對補(bǔ)料量需要精確計(jì)量, 可以采用高精度流量計(jì)進(jìn)行補(bǔ)料量累計(jì), 也可以采用計(jì)量罐進(jìn)行連續(xù)滴加補(bǔ)料。4結(jié)語采用自主開發(fā)的FPC2000發(fā)酵過程集散控制系統(tǒng)對補(bǔ)料分批發(fā)酵過程進(jìn)行控制, 實(shí)踐表明, 該系統(tǒng)運(yùn)行可靠性高, 可對發(fā)酵過程進(jìn)行全面的測控, 具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集和存貯、曲線優(yōu)化分析等功能。采用智能控制提高了系統(tǒng)控制精度(溫、p H 、溶氧的控制精度提高50 , Control in the F

17、ed 2batch Process(School of Communication and Control Engineering ,Southern Yangtze University , Wuxi 214036, China PA N FengAbstract :According to handle the strong nonlinear biotechnological processes with time varying parameters and time delay property , the intellingent control technology is inc

18、orporated into the traditional distribute control system to promote good control performances. The advantage of fuzzy control technique is its capability of treatment with uncertainty. The temperature fuzzy 2PI control system and p H parameter self 2tuning fuzzy control system were designed to deal

19、with the time varying and time delay properties in the strong nonlinear biotechnological processes. There are many factors that determine the change of dissolved oxy 2gen in the fermentation process and different regulation rules need to be implemented to different fermentation stages. The ex 2pert

20、control system can effectively utilize the process information , so expert control system of dissolved oxygen concentration varying areas is used to control the dissolved oxygen parameters. The control accuracy increases by 50%in comparison with the accuracy via normal control method. It has already

21、 been successfully applied to the biotechnological process in more than ten fac 2tories.K ey w ords :ferment process ; intelligent control ; expert system ; fuzzy control(上接第45頁Analysis and Design on Current Control Loop of Servo System Based on DSP(Department of Automation , Southeastern University , Nanjing 210096, China ZHA N G Wen 2yuan , ZHO U J unAbstract :The main reasons affecting dynamic characteristic of current vector control loop system are analysed. It is pointed out that E. M. F (electromotiveforce of synchronous motor is the most important inter