| 基于TMS320F2812的永磁同步
电动机伺服系统设计
曾祥华
(赣南师范学院物理与电子信息学院，江西赣州341000)
摘要：永磁同步电动机(PMsM)是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统，其伺服系统的控制策略直接影响PMsM的性能指标。以TMs320n812为主控芯片，详细论述了以PMsM为执行元件的交流伺服系统的软、硬件设计。试验表明，该伺服系统反应快，精度高，能满足工业应用的需求。
关键词：永磁同步电动机；伺服系统；脉宽调制
0 引 言
永磁同步电动机(PMsM)具有结构简单、功率密度高、效率高等优点，在高精度数控机床、机器人、特种加工等工矿场所得到了广泛应用。为了满足精密数控机床、特种机器人等负载驱动的要求，对以PMsM为执行元件的伺服系统提出了越来越高的性能和技术要求。随着智能功率集成电路和数字信号处理器(DsP)的出现，伺服控制技术也已进入了一个全薪时期，它使伺服系统模块化和全数字化得以更加容易实现。
本文以TMs320F2812为主控芯片，详细论述了以PMsM为执行元件的交流伺服系统的软、硬件设计。该芯片的运算能力比DsP(c24x)提高了一倍，而且具有外部集成度更高、A／D转换速度更快等特点。试验表明，该伺服系统反应快，精度高，可满足工业应用的需求。
1 PMsM数学模型
在假设磁路不饱和，不计磁滞和涡流损耗影响，空间磁场呈正弦分布的条件下，对于面装式PMsM，在电机转子同步旋转的dq坐标系中，采用磁场定向控制，即id=O时，电机的数学模型为：
PMsM电压方程
PMsM转矩方程
PMSM运动方程
式中：脚标为dq的量分别是在dq轴的电压、电流分量；Rs、Pn、J，e0、RΩ、p分别为定子绕组电阻、极对数、转动惯量、定子电动势、摩擦系数、微分算子；Tf、ψf分别为负载转矩、转子永磁体产生的磁链。
2伺服系统硬件设计
TMs320F2812是美国TI公司TMS320F281x系列中的一种定点DsP，该芯片由于采用高性能静态cM0s技术，使得供电电压降为3．3 v，大大减小了控制器的功耗。TMS320F28lx提供了强大的计算能力，****运行速度可达到150 MIPS(每秒百万条指令)，应用于电机的数字化控制显得游刃有余。TMS：320F2812与现存24x DsP芯片代码兼容的同时，具有处理性更强、外设集成度更高、程序存储器更大及A／D转换速度更快等特点。
基于TMS320F2812的PMSM伺服控制系统硬件结构如图l所示。
(1)位置与转速检测。电动机的磁极位置及其转速反馈信号均来自通用增量式的光电编码器。该编码器共有A、B、z、u、v、w六对脉冲输出信号，相差90o的A、B脉冲信号用于位置与转速的检测和电机转向的判别，z信号为每转输出一个脉冲的零位参考信号，u、V、w信号则用于电机转子的初始定位。TM$320F2812事件管理模块具有正交解码脉冲电路(QFP电路)，当该电路被使能后，引脚cAPl／QEPl和cAP2／QEP2接收脉冲，并进行解码和计数。光电编码器输出的正交编码脉冲经接口电路输入到DsP的OEP电路输入端，通过QEP电路对接收到的脉冲进行解码并处理，从而获得电机转子的位置及速度信息。
(2)定子电流的检测。为了满足高性能伺服系统的要求，提高系统的电流环响应速度，电流检测采用霍尔电流传感器(LEM)，实际检测三相电流只需两个lFM即可。由于TMS320F2812的A／D输入信号范围是O～3 V，所以霍尔元件检测到的电流信号须变换成电压信号，再经过滤波放大成O～3 V区间内变化的模拟电压信号，输入到DsP芯片内的ADc模块。
(3)故障检测及保护。故障检测及保护包括过压保护、过流保护和智能功率模块(IPM)的保护。在电机制动过程中，电机的旋转机械能将由逆变器转化成电能反送到直流侧，而整流电路是三相不可控桥式整流，不能将直流侧的电能返回电网，故电容两端电压将升高，这将危及器件的安全。因此，在主电路上设置过压检测电路。当程序跑飞时，电枢电流有可能过大，进而损害元器件，因此有必要设计过流保护电路。经过霍尔电流传感器检测的电枢瞬时电流(已转化为电压信号)与某一常值相比较，当超过这一常值时，送出有效保护信号。除了过压、过流保护，IPM本身有一路故障输出保护信号，将此故障保护信号与过流保护信号相与后，送至功率驱动ABT54l的使能EN2，构成系统的硬件保护。
(4)短时软起动电路。为减少对主电路的冲击，设计了如图2所示的以晶闸管为开关器件的短时软起动电路。其中555定时器用来产生延迟信号，使晶闸管scR导通，从而短路限流电阻R。
3伺服系统软件设计
在PMSM伺服系统中，位置、速度、电流这三个变化量之间存在着紧密联系。分别对这三个变量进行闭环控制是交流伺服系统提高性能常用的控制方式。本文采用典型的位置、速度、电流三闭环PI控制结构，如图3所示。
控制系统的软件由四部分组成，即初始化程序、主程序、定时器中断子程序、功率驱动保护中断子程序。初试化程序负责各个模块和临时变量的初始化及系统的初始定位问题。主程序连续采样电流值，等待中断的发生。功率驱动保护中断完成各种故障监测，一旦出现故障，立即禁止脉宽调制(PwM)输出。
定时中断子程序负责完成预测控制算法的电压矢量计算、PwM波的输出、键盘的控制和D／A显示等，是程序的关键部分。其程序流程图如图4所示。
4试验结果分析
试验系统由800 w的PMSM、IPM(PS21546)和DSP控制系统组成。图5为速度阶跃响应波形，上面的曲线为速度响应曲线，下面的曲线为A相电流响应曲线，速度从O～l 000 r／min，上升和下降的线性度很好，说明加速度恒定，而且基本没有超调。
图6为位置环动态响应波形，速度限幅为l 000 r／min，由图可见，系统定位迅速，定位时间约为150 ms，达到了无超调的效果，性能较好。
5 结 语
根据上文论述可知，以TMS320F2812为主控芯片设计的PMSM伺服控制是一种有效可靠的设计方案。试验证明，系统定位快速，无超调，获得了良好的响应性能，对于实际应用有一定的价值。
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