永磁同步电动机的全数字增量位置控制研究

郭锁喜，边党伟，刘国涛，周 文，李长红

（1.海军装备部西安军代局，陕西西安 710001；2.西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099；3.西安近代化学研究所，陕西西安 710065）

永磁同步电动机的全数字增量位置控制研究

郭锁喜1，边党伟2，刘国涛3，周 文2，李长红2

（1.海军装备部西安军代局，陕西西安 710001；2.西北机电工程研究所，陕西咸阳 712099；3.西安近代化学研究所，陕西西安 710065）

在矢量变换的基础上，提出并实现了基于数字信号处理器 （DSP）的永磁同步电动机 （PMSM）的位置控制系统，利用永磁同步电动机自带的旋转变压器来进行矢量控制与位置控制，大大简化了系统的硬件，给出了电流环、速度环与位置环的算法流程，在开发的基于DSP的电机控制平台上进行了试验验证，并利用PC104完成上位机的监控，试验结果表明，该位置控制系统具有良好的性能。

数字信号处理器；永磁同步电动机；位置控制

交流永磁同步电动机作为新一代的控制电机在高性能传动系统中获得了越来越广泛的应用，具有运行效率高、功率密度大、体积小和维护简单等优点；逐渐取代直流电机和其他电励磁电机。由PMSM组成的交流伺服系统具有很高的动态性能和静态性能及很宽的调速范围，在现代伺服系统中得到了广泛的应用。

矢量控制［1-5］即磁场定向控制，最初是由德国Blaschke等人于1971年提出的，永磁同步电动机的矢量控制是将三相定子的电流和电压变换到同步旋转坐标系下，并对电流的转矩分量和励磁分量分别控制，可获得和直流电机相媲美的性能，笔者在PMSM矢量变换的基础上，采用TI公司的数字信号处理器TMS320LF2407，完成了PMSM的电流环、速度环和位置环的实现。

1 PMSM位置控制系统组成原理

PMSM在同步旋转坐标系（dq坐标系）下的电压方程和电磁转矩方程为［6］：

式中：Id和Iq分别为电机d轴电流和q轴电流；Ud、Uq分别为电机d轴电压和q轴电压；Ld、Lq分别为电机d轴电感和q轴电感；R为电机定子绕组电阻；pn为电机极对数；Ψr为电机转子磁极磁通链；Te为电机输出电磁转矩。

实现该PMSM位置控制系统的原理框图如图1所示。系统由电流环、速度环和位置环组成，其中，电流环采用了dq坐标系下的电流调节，被控量Id、Iq稳态运行时为直流量，当电流调节器采用PI调节器时，可消除稳态误差，提高了电流环的跟踪精度。图中的分别为d轴电流、q轴电流给定值。

为了实现速度环的快速且超调小的控制，采用积分分离的PI算法，则速度调节器输出为

式中：kpv、kiv分别为速度调节器比例增益和积分增益；ev（t）为速度误差。

2 硬件及软件设计

2.1 系统硬件

利用TI公司生产的DSP芯片TMS320LF-2407开发了一套永磁同步电动机的位置控制系统，其中DSP芯片TMS320LF2407是专用于电机数字化控制的芯片，内部集成了事件管理模块、PWM电路和A／D转换器等单元。

该控制系统的硬件原理框图如图2所示。系统包括DSP主控制器、IGBT及其驱动电路、电流检测与保护电路和轴角转换电路等，位置参考信号由上位机PC104通过CAN总线传输给DSP控制器，并利用上位机完成PMSM控制系统的状态监控。电流的检测采用LEM霍尔传感器LA28-NP，检测后的电流经过运算放大器滤波放大加偏置后送入DSP的A／D转换单元。轴角转换电流选用RDC芯片AD2S83，与电机同轴相联的旋转变压器连接，转换的角度数字量直接送入DSP参与控制。执行电机选用KOLLMORGEN公司生产的伺服电机，型号为M- 403- B，电机内部集成了旋转变压器。

2.2 系统控制流程

系统中，作为主控制器的DSP芯片主要完成电机电流的采集、电机转角位置的采集，根据这些采集量来完成位置环、电流环、速度环及矢量变换的运算，并产生6路带死区的互补PWM控制脉冲，由IGBT驱动电路放大后加到IGBT模块上。实现系统电流环的控制流程如图3所示。

位置环和速度环共用一个中断服务程序，采样周期为1 ms，在位置环中，位置反馈直接来源于电机旋转变压器的位置，利用该位置信号，对电机整圈数进行记数（转数值），并与原来RDC位置组合成位数更宽的位置量，设RDC转换角度为θ1（电机角度数字量，12位二进制数），转数值为θ2，组合后的位置记为θ，组合方法为

即θ2与θ1的高8位组合成16位角度。

一般来说，位置系统主要有跟踪和定位两种，笔者在此基础上，给出了一种增量式定位系统的实现方法及流程，如图4所示，该定位系统由CAN总线读取增量位置主令θ*（位置给定增量值），并使系统在当前组合位置上再旋转θ*角度，在流程中，将系统的组合位置量加上增量位置主令得到绝对位置主令θ′*，即组合位置量的设定值，之后由位置环实现该定位，当定位误差e小于ε，并等待若干个位置环采样周期后置到位标志为1，完成定位，其中，采用计数器变量si累加到设定值实现若干个位置环采样周期的等待，否则将到位标志和计数器si清零，位置调节采用PI调节器，离散化后表达式为

式中：kp和ki分别为比例增益和积分增益；Tc为位置环采样周期。

增量位置控制使上位机在当前位置下，通过给定增量位置，进行位置累计定位，它无需知道当前具体的位置信息量，对于外能源的链式炮控制、数控机床进给控制是非常方便的。

2.3 上位机

选用PC104嵌入式计算机作为该位置控制系统的上位机操纵台，该上位机系统包括有PC 104CPU板、CAN板、显示屏和键盘等。一方面通过CAN总线把位置参考值传送给DSP；另一方面，DSP系统实时将一些运算的中间变量（如转速、实际的角度、电流等）通过CAN总线传送给上位机并显示，该上位机硬件框图如图5所示。

3 试验结果

根据实际开发的PMSM全数字位置控制系统进行了试验，试验中的电机轴装有转动惯量为0.015 54 kg·m2的惯量轮，图6给出了电机位置开环时（速度环工作模式下）的A相电流i和转速ω波形，可以看出，电机转速响应快速，超调量小，图7～9分别给出了电机增量位置为5、10、20 r时的电机角度θ1波形和转速ω波形，电机定位快速，精度高，超调量小。

4 结束语

本文实现了永磁同步电动机的全数字化的位置控制，位置的反馈量由电机旋变检测的角度对高位过零时记数，并与原位置组合，可有效降低位置伺服系统的成本，同时给出并实现了一种增量式定位控制方法，并采用PC104的上位机的系统，通过CAN总线来对该位置控制系统进行监测和控制。在开发的基于DSP2407的永磁同步电机控制平台上，对笔者提出的方法进行了试验，试验结果验证了该方法的可行性和工程可实现性。

（References）

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CHEN Mingjun，LI Changhong，YANG Yan.Weapons servo system engineering practice［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2013.（in Chinese）

Full Digital Incremental Position Control for Permanent Magnet Synchronous Motor

GUO Suoxi1，BIAN Dangwei2，LIU Guotao3，ZHOU Wen2，LI Changhong2

（1.Xi’an Military Representatives Bureau of Navy Equipment Department，Xi’an 710001，Shaanxi，China；2.Northwest Institute of Mechanical＆Electrical Engineering，Xianyang 712099，Shaanxi，China；3.Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an 710065，Shaanxi，China）

A digital signal processor（DSP）based position control system for permanent magnet synchronous motor（PMSM）is presented and developed on the basis of vector transformation.Vector control and position control are implemented using the inherent revolving transformer of PMSM，which greatly simplifies the hardware of the system.The algorithm procedures of current loop，speed loop and position loop are offered.An experiment is carried out on the DSP-based PMSM control platform for empirical validation.System surveillance is accomplished by using the PC104 computer.The experimental results show that the position control system exhibits favorable performance.

digital signal processor；permanent magnet synchronous motor；position control

TM351

A

1673-6524（2015）03-0031-04

2014- 12- 17；

2015- 05- 06

郭锁喜（1976－），男，工程师，主要从事火炮及弹药技术研究。E-mail：295313649＠qq.com