CN106130427A

CN106130427A - 一种基于永磁同步电机的伺服***驱动器及其控制算法

Info

Publication number: CN106130427A
Application number: CN201610531384.9A
Authority: CN
Inventors: 卜铁伟
Original assignee: Shandong Transport Vocational College
Current assignee: Shandong Transport Vocational College
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2016-07-08
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2036-07-08
Also published as: CN106130427B

Abstract

本发明公开了一种基于永磁同步电机的伺服***驱动器及其控制算法，硬件电路包括DSP核心板模块、上位机、电源、驱动电路模块、检测模块和永磁同步电机；DSP核心板模块通过PWM接口连接到驱动电路模块，用于整个***的数据处理与控制；上位机通过数据串口以及JTAG接口同DSP核心板模块之间双向连接，实现参数的设置和读取；检测模块通过采样电路与永磁同步电机连接，通过QEP端口与DSP核心板模块双向连接，用于电机信号的采集和信号的发送；电源通过导线连接到驱动电路模块。

Description

一种基于永磁同步电机的伺服***驱动器及其控制算法

技术领域

本发明属于工业自动控制领域的具体应用，尤其涉及一种基于永磁同步电机的伺服***驱动器及其控制算法。

背景技术

由于交流伺服电机的应用领域非常广泛，以及永磁同步电机的优异性能，永磁同步电机在交流伺服***中占有越来越重要的地位。永磁同步伺服***会向广度和深度两方面发展。在广度方面，其应用的领域会越来越广，即在生活、办公、娱乐及军事方面的应用越来越多。在深度方面，其在某些高精度高要求的条件下的应用会越来越重要，如火炮雷达、高精度的机床控制、军用及航空航天设备。由于永磁同步的特点及当前各个领域的要求，在精度和深度方面必然是PMSM伺服***大有发展空间的方向，也必定是其重点发展方向。

针对异步电动机学者们又提出了直接转矩控制方法。不同于矢量控制的转子磁场定向，直接转矩控制方法直接根据转子磁链的方向来控制定子电流的大小方向，从而控制定子磁场的大小和方向，对电机转矩直接控制。该方法不需要进行定转子间反复的坐标变换，计算量减小，但是该方法在低速控制方面稍显不足，转矩脉动明显。当前DSP控制器速度及运算能力的发展，使得矢量控制中所需要的坐标变换及大量的乘法运算成为可能。但是矢量控制需要准确的转子位置信息，这对位置测量的准确性提出了一定的要求。

目前用于电动机控制主要是数字信号处理器（DSP），由于DSP可以对输入输出数据进行高速处理，而且还集成了电机控制专用接口和模块，特别是本设计中采用的TMS320F28335，针对电机控制的需要，支持浮点型数据的高速运算，可以快速地进行乘法运算、矩阵变换，为复杂控制算法地实现提供了硬件基础。另外，CPLD和FPGA的发展为电机控制提供了新的思路，例如使用DSP专门处理控制算法，而把***芯片和接口的控制交给FPGA处理，利用FPGA高速高精度的特点来达到良好的控制效果。

近年来，先进控制技术也被引入到伺服***控制中。模型参数自适应控制、可调模式及变结构控制大量运用在控制方法上。尤其是组合式算法的使用，如滑模自适应控制，自适应PID控制。随着人工智能技术的进步，特别是人工神经网络的发展，电机参数辨识的准确性大大提高，这为控制算法和驱动方法的优化都提供很大的空间。

对于永磁同步电机的控制方法，当下应用最广泛的应属“交-直-交”型的变频控制。所谓的“交-直-交”指：先把交流电通过整流器转化为直流电，再通过功率输出单元（如逆变器）转为频率和幅值可控的交流电。直流电的转化过程是整流器完成的，而交流电的二次转化是通过PWM控制功率器件的开关完成的。在众多的PWM控制方法中，空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）以其电压利用率高、控制算法简单、电流谐波小的优点，在交流调速***中得到广泛应用。

本发明以TMS320F28335为控制芯片，IPM驱动单元选用IRAMS06UP60B驱动芯片，设计了永磁同步电机的控制板和驱动板，采用CCS3.3作为开发环境设计驱动器软件控制部分，编写了以主程序、矢量控制中断服务程序、保护中断程序以及eQEP中断服务程序为内容的磁场定向控制程序，在电机的控制程序中加入死区补偿程序的算法，来实现对死区效应的补偿，本发明具有结构简单、控制精度高、***稳定性好的特点。

发明内容

为了进一步提高伺服电机的低速性能，客服伺服***硬件上的不足。本发明的目的在于提供一种基于永磁同步电机的伺服***驱动器及其控制算法，该发明具有结构简单、控制精度高、***稳定性好的特点。

为了实现上述***，本发明采取的技术方案是：

一种基于永磁同步电机的伺服***驱动器及其控制算法，包括DSP核心板模块、上位机、电源、驱动电路模块、检测模块和永磁同步电机；所述DSP核心板模块通过PWM接口连接到所述驱动电路模块，所述上位机通过数据串口以及JTAG接口与DSP核心板模块双向连接，所述驱动电路模块通过数据串口与DSP核心板模块双向连接，驱动电路模块通过IPM接口连接到永磁同步电机，所述检测模块通过采样电路与永磁同步电机连接，检测模块通过QEP端口与DSP核心板模块双向连接，所述电源通过导线连接到驱动电路模块。

进一步的，所述DSP核心板模块采用TMS320F28335作为处理芯片，采用DSP专用电源芯片TPS767D301来保证DSP安全可靠工作。

进一步的，所述驱动电路模块包括IPM驱动单元，信号转换单元和电源供电单元；其所述IPM驱动单元选用IRAMS06UP60B驱动芯片，把DSP核心板模块发送的PWM信号进行隔离和驱动放大，从而传递给IPM，同时把电压电流采样信号进行隔离和电平转换，传送给DSP核心板模块的AD模块；信号转换单元通过接收DSP核心板模块输出的6路PWM信号控制驱动电路模块内的6个IGBT功率开关管，实现将直流母线电压转换为频率和幅值可控的三相交流电从而驱动永磁同步电机运行。

进一步的，所述检测模块包括电流检测电路和位置/转速检测电路；为了精确测量相电流，在电流检测电路中，电机的三相输入线路上分别串联了精密电阻，电流流经电阻时会在精密电阻上产生压降，然后经过精密运算放大器进行信号采样，再使用HCNR201线性光耦进行信号隔离，再进行线性偏置，从而完成采样、放大和隔离的过程；在所述位置/转速检测电路中，采用永磁同步伺服电机自带的混合式光电编码器，光电编码器输出UVW和A+、A-、B+、B-，Z+，Z-信号，UVW用来估计电机转子初始位置，差分信号输入MAX3095ESE差分接收器电路，输出的信号通过斯密特整形芯片74LV14AD，将5V的方波信号进行整形并转换为3.3V的方波信号，整形后的信号输入DSP核心板模块的QEP端口，DSP核心板模块内部的正交编码脉冲电路（QEP）对输入的A、B脉冲进行解码和计数，从而得到电动机的角位置和转速信息。

进一步的，还包括主程序流程、矢量控制中断流程、保护中断流程和Z脉冲中断流程，所述主程序流程步骤如下所示：步骤1、DSP内核初始化；步骤2、硬件外设初始化；步骤3、参数变量初始化；步骤4、中断使能；步骤5、进入主循环; 所述矢量控制中断流程步骤如下所示：步骤1、中断进入；步骤2、相电流检测，Clark，park变换；步骤3、执行速度环；步骤4、执行电流环；步骤5、执行Park反变换；步骤6、执行svpwm；步骤7、退出; 所述保护中断流程步骤如下所示：步骤1、中断进入；步骤2、封锁PWM，***停止；步骤3、退出;所述Z脉冲中断流程步骤如下所示：步骤1、中断进入；步骤2、编码器矫正；步骤3、退出。

进一步的，还包括一种死区补偿控制算法，所述死区补偿控制算法采用了基于“无效”器件原理的死区补偿方法，该方法不会造成PWM波的偏移，补偿效果不依赖于电机模型的准确度，通过检测电流矢量角判断需要补偿的电压矢量，防止电流波动和零点箝位现象造成的误补偿，将需要补偿的电压矢量直接加在SVPWM模块的输入端，减小了计算量，补偿效果得到了明显提高；所述死区补偿控制算法直接将三相静止坐标系中的电压误差转换到dq坐标系中，然后将补偿电压直接加到电流环的给定信号中，而不是计算开关管作用时间，通过调节PWM波形来调节输出电压；在程序运行时，对电流进行多次采样和契比雪夫滤波，从而可以确定电流的零位和电流波动范围，电流波动范围的上下限就是需要设置的阈值，既能保证死区补偿的有效性，又能保证***的可靠性。

本发明的有益效果是：

一种基于永磁同步电机的伺服***驱动器及其控制算法，包括DSP核心板模块、上位机、电源、驱动电路模块、检测模块和永磁同步电机；本发明以TMS320F28335为控制芯片，IPM驱动单元选用IRAMS06UP60B驱动芯片，设计了永磁同步电机的控制板和驱动板，采用CCS3.3作为开发环境设计驱动器软件控制部分，编写了以主程序、矢量控制中断服务程序、保护中断程序以及eQEP中断服务程序为内容的磁场定向控制程序，在电机的控制程序中加入死区补偿程序的算法，来实现对死区效应的补偿，本发明具有结构简单、控制精度高、***稳定性好的特点。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的解释说明。

图1是基于永磁同步电机的伺服***驱动器总体框架图；

图2是DSP核心板电路图；

图3是驱动电路模块电路图；

图4是检测模块电路图；

图5是软件***设计流程图；

图6是摩擦干扰观测器结构图；

图7是逆变器电流图；

图8是基于“无效”器件补偿方法的PWM波形。

具体实施方式

本发明的具体实施方式为：所述的一种基于永磁同步电机的伺服***驱动器及其控制算法，DSP核心板模块通过PWM接口连接到驱动电路模块，上位机通过数据串口以及JTAG接口同DSP核心板模块之间双向连接，驱动电路模块通过数据串口和DSP核心板模块之间双向连接，通过IPM接口连接到永磁同步电机，检测模块通过采样电路与永磁同步电机连接，通过QEP端口与DSP核心板模块双向连接，电源通过导线连接到驱动电路模块。具体的，驱动电路模块接收DSP的PWM信号，在转换电路转换以后，驱动IPM输出，从而控制电机运转，DSP核心板模块通过采集到的电流电压转速数据进行判断，并根据控制算法得出的结果通过PWM控制IPM模块的输出，从而控制电机转速，同时还需要检测过压过流状态，发出保护性的控制指令，从而维护***的安全。

图1是基于永磁同步电机的伺服***驱动器总体结构框图，图中硬件部分由DSP核心板模块、上位机、电源、驱动电路模块、检测模块、永磁同步电机组成；DSP核心板模块通过PWM接口连接到驱动电路模块，用于整个***的数据处理与控制；上位机通过数据串口以及JTAG接口同DSP核心板模块之间双向连接，实现参数的设置和读取；驱动电路模块通过数据串口和DSP核心板模块之间双向连接，通过IPM接口连接到永磁同步电机，用于信号的接收和电机的控制；检测模块通过采样电路与永磁同步电机连接，通过QEP端口与DSP核心板模块双向连接，用于电机信号的采集和信号的发送；电源通过导线连接到驱动电路模块，用于***的供电。

图2是DSP核心板电路图，DSP核心板电路使用了TMS320F28335以下功能模块：ePWM模块，用于产生PWM，控制IPM中三相桥功率器件的通断；eQEP模块，用于处理光电编码器信号，即ABZ信号，用于电机转子的初始定位和测量电机转速和位置；AD模块，用于采集电流和电压信号，从而实现电流环闭环和直流母线电压检测；SCI模块，用于同上位机通讯，接收上位机指令，也可以发送电机转速、位置信息到上位机，ITAG接口，用于程序的下载和调试。

图3是驱动电路模块电路图，所述的驱动电路模块包括：IPM驱动单元，信号转换单元，电源供电单元；其中IPM驱动单元选用IRAMS06UP60B驱动芯片，把DSP发送的PWM信号进行隔离和驱动放大，从而传递给IPM，同时把电压电流采样信号进行隔离和电平转换，传送给DSP的AD模块，光电编码器测量的电机转子位置信号也需要经过信号转换单元进行隔离和电平转换，然后传递给DSP的QEP模块，IPM接口电路中包含直流母线电压输入、控制电压输入及状态反馈接口，UVW为电机的三相接口电路，直接连接电机的三相输入，P+、P-为直流母线输入端，VTH为温度反馈输出端，VDD与VSS是IPM控制部分的电源输入端，采用15V供电，HIN与LIN分别是上下桥的PWM输入信号，FAULT为芯片错误输出信号；信号转换单元通过接收DSP输出的6路PWM信号控制其模块内的6个IGBT功率开关管，实现将直流母线电压转换为频率和幅值可控的三相交流电从而驱动永磁同步电机运行，当IPM发生故障或有信号错误时，IPM的FAULT信号输出管脚会输出9ms的故障信号，9ms后信号自动复位；电源供电单元包括IPM的直流母线300V电源，IPM控制部分的15V电源，信号转换单元的5V数模电电源。

图4是检测模块电路图，所述的检测模块包括电流检测电路和位置/转速检测电路；为了精确测量相电流，在电流检测电路中，电机的三相输入线路上分别串联了精密电阻，电流流经电阻时会在精密电阻上产生压降，然后经过精密运算放大器进行信号采样，再使用avago公司的HCNR201线性光耦进行信号隔离，再进行线性偏置，从而达到了采样、放大和隔离的过程，既准确地采集到了信号，又对信号进行了隔离，保证了***安全；在位置/转速检测电路中，采用永磁同步伺服电机自带的混合式光电编码器，光电编码器输出UVW和A+、A-、B+、B-，Z+，Z-信号，UVW用来粗略估计电机转子初始位置，差分信号输入MAX3095ESE差分接收器电路，输出的信号通过斯密特整形芯片74LV14AD，将5V的方波信号进行整形并转换为3.3V的方波信号，整形后的信号输入DSP的QEP端口，DSP内部的正交编码脉冲电路（QEP）对输入的A、B脉冲进行解码和计数，从而得到电动机的角位置和转速信息。

图5是软件***设计流程图，所述的软件***总体设计流程包括：主程序流程、矢量控制中断流程、保护中断流程、Z脉冲中断流程，其中主程序流程步骤如下所示：

步骤1、DSP内核初始化；

步骤2、硬件外设初始化；

步骤3、参数变量初始化；

步骤4、中断使能；

步骤5、进入主循环。

矢量控制中断流程步骤如下所示：

步骤1、中断进入；

步骤2、相电流检测，Clark，park变换；

步骤3、执行速度环；

步骤4、执行电流环；

步骤5、执行Park反变换；

步骤6、执行svpwm；

步骤7、退出。

保护中断流程步骤如下所示：

步骤1、中断进入；

步骤2、封锁PWM，***停止；

步骤3、退出。

Z脉冲中断流程步骤如下所示：

步骤1、中断进入；

步骤2、编码器矫正；

步骤3、退出。

图6是摩擦干扰观测器结构图，图中T_e为永磁同步电机的输出转矩，W_m为电机的角速度，G(s)为永磁同步电机的实际模型，改进的Dahl摩擦模型的输出视为外部干扰力矩d，G_c(s)是***辨识得到的标称模型，干扰观测器基于永磁同步电机的标称模型G_c(s)的逆G^-1 _c(s)来预估计u₀和之差就是干扰d的估计值，将直接反馈，实现对外部干扰d的抑制，但是的直接反馈不能实现，因为通常标称模型的逆是不能物理实现的，因此需引入滤波器Q(s)。

图7是逆变器电流图，当Ia>0 时，无论V4有无脉冲信号，V4 始终不能导通，电流只通过V1 或者D4流通，也就是说Ia>0 的时候，逆变器的输出电压只与V1 的通断有关，与V4无关，这个时候V4 就是我们所说的无效器件。分析Ia<0 时可以对V1 得到同样的结论。如此可得一个结论：既然“无效”器件的通断并不影响输出电压状态，那么也就不需要驱动信号，只需要给有效器件提供驱动信号，因此不需要加入死区，也就没有死区补偿的问题了。基于“无效”器件补偿方法的PWM 波形如图8所示，PWM1和PWM4为a相上下桥臂的理想PWM波形，PWM1’和PWM4’为采用―无效器件补偿方法后的PWM波形。可以看出，采用无效器件方法后，处于无效状态的器件无需加入死区时间，而且逆变器的开关量减少一半，减少了开关损耗，提高了逆变器的工作效率。

但是此设计会引出另一个问题，如图8所示，因为没有了死区时间，器件的通断是由电流的大小和方向来控制的，那么电流过零的检测就很重要。考虑到检测的干扰和噪声的问题，在电流过零时设置了一个滞环区间，滞环大小对于死区补偿效果影响较大，当滞环的阈值选取过大时，死区补偿效果就不明显，阈值选取过小时，由于电流毛刺的影响会使得开关管在零点附近来回切换，甚至导致直通现象。本发明采用了如下方法选取阈值：在程序运行时，首先对电流进行多次采样和契比雪夫滤波，从而可以确定电流的零位和电流波动范围，电流波动范围的上下限就是需要设置的阈值。这样既能保证死区补偿的有效性，又能保证***的可靠性。在滞环区域内，本发明采取的补偿方法是直接将三相静止坐标系中的电压误差转换到dq坐标系中，然后将补偿电压直接加到电流环的给定信号中，而不是计算开关管作用时间，通过调节PWM波形来调节输出电压。

除了上述以外本发明所属技术领域的普通技术人员也都能理解到，在此说明和图示的具体实施例都可以进一步变动结合。虽然本发明是就其较佳实施例予以示图说明的，但是熟悉本技术的人都可理解到，在所述权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内，还可对本发明做出多种改动和变动。

Claims

1.一种基于永磁同步电机的伺服***驱动器及其控制算法，其特征在于，包括DSP核心板模块、上位机、电源、驱动电路模块、检测模块和永磁同步电机；所述DSP核心板模块通过PWM接口连接到所述驱动电路模块，所述上位机通过数据串口以及JTAG接口与DSP核心板模块双向连接，所述驱动电路模块通过数据串口与DSP核心板模块双向连接，驱动电路模块通过IPM接口连接到永磁同步电机，所述检测模块通过采样电路与永磁同步电机连接，检测模块通过QEP端口与DSP核心板模块双向连接，所述电源通过导线连接到驱动电路模块。

2.如权利要求1所述的伺服***驱动器及其控制算法，其特征在于，所述DSP核心板模块采用TMS320F28335作为处理芯片，采用DSP专用电源芯片TPS767D301来保证DSP安全可靠工作。

3.如权利要求1所述的伺服***驱动器及其控制算法，其特征在于，所述驱动电路模块包括IPM驱动单元，信号转换单元和电源供电单元；其所述IPM驱动单元选用IRAMS06UP60B驱动芯片，把DSP核心板模块发送的PWM信号进行隔离和驱动放大，从而传递给IPM，同时把电压电流采样信号进行隔离和电平转换，传送给DSP核心板模块的AD模块；信号转换单元通过接收DSP核心板模块输出的6路PWM信号控制驱动电路模块内的6个IGBT功率开关管，实现将直流母线电压转换为频率和幅值可控的三相交流电从而驱动永磁同步电机运行。

4.如权利要求1所述的伺服***驱动器及其控制算法，其特征在于，所述检测模块包括电流检测电路和位置/转速检测电路；为了精确测量相电流，在电流检测电路中，电机的三相输入线路上分别串联了精密电阻，电流流经电阻时会在精密电阻上产生压降，然后经过精密运算放大器进行信号采样，再使用HCNR201线性光耦进行信号隔离，再进行线性偏置，从而完成采样、放大和隔离的过程；在所述位置/转速检测电路中，采用永磁同步伺服电机自带的混合式光电编码器，光电编码器输出UVW和A+、A-、B+、B-，Z+，Z-信号，UVW用来估计电机转子初始位置，差分信号输入MAX3095ESE差分接收器电路，输出的信号通过斯密特整形芯片74LV14AD，将5V的方波信号进行整形并转换为3.3V的方波信号，整形后的信号输入DSP核心板模块的QEP端口，DSP核心板模块内部的正交编码脉冲电路（QEP）对输入的A、B脉冲进行解码和计数，从而得到电动机的角位置和转速信息。

5.如权利要求1所述的伺服***驱动器及其控制算法，其特征在于，还包括主程序流程、矢量控制中断流程、保护中断流程和Z脉冲中断流程，所述主程序流程步骤如下所示：

步骤1、DSP内核初始化；

步骤2、硬件外设初始化；

步骤3、参数变量初始化；

步骤4、中断使能；

步骤5、进入主循环;

所述矢量控制中断流程步骤如下所示：

步骤1、中断进入；

步骤2、相电流检测，Clark，park变换；

步骤3、执行速度环；

步骤4、执行电流环；

步骤5、执行Park反变换；

步骤6、执行svpwm；

步骤7、退出;

所述保护中断流程步骤如下所示：

步骤1、中断进入；

步骤2、封锁PWM，***停止；

步骤3、退出;

所述Z脉冲中断流程步骤如下所示：

步骤1、中断进入；

步骤2、编码器矫正；

步骤3、退出。

6.如权利要求1所述的伺服***驱动器及其控制算法，其特征在于，还包括一种死区补偿控制算法，所述死区补偿控制算法采用了基于“无效”器件原理的死区补偿方法，该方法不会造成PWM波的偏移，补偿效果不依赖于电机模型的准确度，通过检测电流矢量角判断需要补偿的电压矢量，防止电流波动和零点箝位现象造成的误补偿，将需要补偿的电压矢量直接加在SVPWM模块的输入端，减小了计算量，补偿效果得到了明显提高；所述死区补偿控制算法直接将三相静止坐标系中的电压误差转换到dq坐标系中，然后将补偿电压直接加到电流环的给定信号中，而不是计算开关管作用时间，通过调节PWM波形来调节输出电压；在程序运行时，对电流进行多次采样和契比雪夫滤波，从而可以确定电流的零位和电流波动范围，电流波动范围的上下限就是需要设置的阈值，既能保证死区补偿的有效性，又能保证***的可靠性。