摘 要：從跟蹤系統(tǒng)定位的精確性、跟蹤的平穩(wěn)性需求出發(fā)，結(jié)合交流伺服電機(jī)優(yōu)良的控制性能，詳述了通過(guò)采用合理的ARM+FPGA芯片組控制策略以及完備的伺服控制芯片IRMCK201完成PMSM調(diào)速系統(tǒng)精確控制的方法。該控制策略的使用，提高了系統(tǒng)整體運(yùn)動(dòng)性能，實(shí)現(xiàn)了硬件資源的最大化利用。同時(shí)為交流伺服電機(jī)的容量選取方法提供了具有可操作性的參考資料。

關(guān)鍵詞：PMSM;IRMCK201;芯片組控制;電機(jī)容量;調(diào)速

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-054-03

Design Research of High Precision Tracking System Based on PMSM Speed Control

ZHAO Yong，HUANG Chen

(Air Defence Command College，Zhengzhou，450052，China)

Abstract：According to the accuracy orientation and smooth tracking character of track system，at the same time the excellent control capability of AC servo motor，the paper provides the method to control the PMSM system in highly-precision with Reasonable ARM+FPGA chip combination mode and high performance digital AC servo control IC IRMCK201.By this means，the movement capability of tracking system is improved efficiently，the hardware resource is used farthest.The paper also introduces the utility method about how to calculate servo motor capacitance exactly.

Keywords：PMSM;IRMCK201;chip combination control;servo motor capacitance;speed control

對(duì)于武器系統(tǒng)來(lái)講，目標(biāo)跟蹤單元的優(yōu)劣將直接影響到整個(gè)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的整體發(fā)揮。而目標(biāo)跟蹤過(guò)程本身具有的特點(diǎn)又決定了跟蹤系統(tǒng)必須具備穩(wěn)定的低速跟蹤能力、良好的過(guò)載能力以及快速的響應(yīng)能力等特征。解決以上技術(shù)點(diǎn)非常關(guān)鍵的就是電機(jī)的選取和控制。在電機(jī)選擇上，由于交流伺服電機(jī)具備了極高的控制精度、穩(wěn)定的低頻特性、優(yōu)良的矩頻特性、較強(qiáng)的過(guò)載能力以及快速的響應(yīng)能力，并且已經(jīng)成為控制電機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)，基于上述考慮，作者重點(diǎn)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)在跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)用進(jìn)行了深入研究。

交流伺服電機(jī)中，習(xí)慣上把由正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)稱(chēng)為正弦型永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)調(diào)速系統(tǒng)；而由梯形波(方波)永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)類(lèi)似，稱(chēng)這種系統(tǒng)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)調(diào)速系統(tǒng)。文章重點(diǎn)探討PMSM調(diào)速系統(tǒng)的精確控制技術(shù)。

1 PMSM調(diào)速基本原理

控制上，從PMSM理想條件出發(fā)，建立轉(zhuǎn)子軸(d，q軸)數(shù)學(xué)模型，在假設(shè)磁路不飽和，不計(jì)磁滯和渦流損耗影響，空間磁場(chǎng)呈正弦分布的條件下，當(dāng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子為圓筒形(Ld=Lq=L)，摩擦系數(shù)B＝0，得d、q坐標(biāo)系上電磁轉(zhuǎn)矩方程為：



Tem=(3/2)Pn\\[Ψf*iq+(Ld-Lq) * id * iq\\][JY](1)



式中：id，iq為d，q軸電流；Ld，Lq為定子電感在d，q軸下的等效電感；Ψf為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)鏈過(guò)定子繞組的磁鏈；Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)。從轉(zhuǎn)子坐標(biāo)來(lái)看，對(duì)于定子電流可以分為兩部分，即力矩電流iq和勵(lì)磁電流id。矢量控制中通常使id=0來(lái)保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩。此時(shí)，式(1)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為:



Tem=(3/2)PnΨfiq[JY](2)



由式(2)看出，Pn及Ψf都是電機(jī)內(nèi)部參數(shù)，其值恒定，為獲得恒定的力矩輸出，只要控制iq為定值。可知，iq的方向可以通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子軸來(lái)確定，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制大大簡(jiǎn)化。

矢量控制的PMSM位置伺服系統(tǒng)一般由電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)構(gòu)成的三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)性能的最優(yōu)化是整個(gè)伺服系統(tǒng)高性能的基礎(chǔ)，而外環(huán)性能的發(fā)揮依賴(lài)于系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的優(yōu)化。尤其是電流環(huán)，他是高性能PMSM位置伺服系統(tǒng)構(gòu)成的根本，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，也直接影響整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)中必須有快速的電流環(huán)以保證定轉(zhuǎn)子電流對(duì)矢量控制指令的準(zhǔn)確跟蹤，這樣才能在電機(jī)模型中將定轉(zhuǎn)子電壓方程略去，或僅用小慣性環(huán)節(jié)替代，達(dá)到矢量控制的目的。因而電流環(huán)的動(dòng)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(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)必須涉及到電流環(huán)的研究。 結(jié)合以上原理分析，作者在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上依靠?jī)?yōu)良的控制器件和策略來(lái)保證高精度控制實(shí)現(xiàn)。

2 伺服電機(jī)容量計(jì)算

首先從電機(jī)本身入手，選擇合適的交流伺服電機(jī)顯然是驅(qū)動(dòng)和控制的前提，在伺服電機(jī)選擇上，需要考慮的參數(shù)比較多，考慮的因素也相對(duì)較為復(fù)雜，需要考慮電機(jī)的工作模式、工作環(huán)境以及機(jī)械裝配形狀等。對(duì)于跟蹤系統(tǒng)來(lái)講，其基本模式如圖1所示。

圖1 跟蹤伺服系統(tǒng)基本運(yùn)行模式

圖1所示跟蹤系統(tǒng)一個(gè)運(yùn)行周期可以分劃為4個(gè)階段，分別為啟動(dòng)過(guò)程(t1)、跟蹤過(guò)程(t2)、減速過(guò)程(t3)以及靜止過(guò)程(t4)。分析可知，跟蹤系統(tǒng)主要工作時(shí)間為跟蹤過(guò)程(t2)，此過(guò)程中，將出現(xiàn)頻繁的加速、減速階段，因此在電機(jī)選擇上，需要重點(diǎn)考慮額定輸出功率、額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)。圖2為交流伺服電機(jī)容量計(jì)算基本流程，首先根據(jù)機(jī)械特性，計(jì)算負(fù)載的慣性距和負(fù)載轉(zhuǎn)距，通過(guò)初步數(shù)據(jù)，暫時(shí)選定電機(jī)容量，然后根據(jù)系統(tǒng)基本技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算負(fù)載最快加速、減速時(shí)間，從而計(jì)算出加速、減速轉(zhuǎn)距，繪制相應(yīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)距特性曲線，從而計(jì)算出選定系統(tǒng)實(shí)際的轉(zhuǎn)距數(shù)據(jù)，然后用求取的轉(zhuǎn)距數(shù)據(jù)和額定轉(zhuǎn)矩(TR)比較，如果求取的轉(zhuǎn)距數(shù)據(jù)小于額定轉(zhuǎn)距數(shù)據(jù)，則可按指定的運(yùn)行模式運(yùn)轉(zhuǎn)，否則，調(diào)整初步參數(shù)重新進(jìn)行計(jì)算，直到完成。

3 PMSM調(diào)速基本實(shí)現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)基本組成

圖3為PMSM調(diào)速系統(tǒng)基本組成框圖，從圖中可以看出，系統(tǒng)主要圍繞著電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)構(gòu)成的三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上，選用了交流伺服專(zhuān)用芯片IRMCK201，基于該芯片優(yōu)良的性能，在基本不需要編程的情況下，可以完成系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)控制，并且可以產(chǎn)生控制伺服電機(jī)的SVPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。同時(shí)作為運(yùn)動(dòng)控制芯片，IRMCK201在硬件上具備了伺服控制所必需的控制單元，如帶死區(qū)時(shí)間設(shè)置的空間矢量PWM、PARK變換和CLARK變換、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器、速度測(cè)量單元等，這樣就很大程度上簡(jiǎn)化了復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)該芯片的使用，極大程度上縮短了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。在主控芯片上，系統(tǒng)采用了ARM+FPGA構(gòu)成的芯片組，由ARM完成IRMCK201的初始化以及外圍數(shù)據(jù)總線和數(shù)據(jù)交互處理，由FPGA芯片完成系統(tǒng)位置環(huán)控制算法的實(shí)現(xiàn)。

圖2 伺服電機(jī)容量計(jì)算流程

圖3 PMSM調(diào)速系統(tǒng)基本組成框圖

[BT3-*3]3.2 主控芯片組設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到基于SRAM LUT結(jié)構(gòu)的FPGA器件的上電配置問(wèn)題和采用FPGA實(shí)現(xiàn)CAN總線以及外圍設(shè)備的通信控制問(wèn)題。項(xiàng)目組采用了組合配置的方式，即采用芯片組控制技術(shù)，芯片組包括了ARM芯片和FPGA芯片，通過(guò)ARM芯片可以較為簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)CAN總線以及外圍設(shè)備的通信控制問(wèn)題，通過(guò)FPGA芯片可以解決系統(tǒng)位置環(huán)控制算法的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)基于ARM芯片的FLASH存儲(chǔ)區(qū)可以實(shí)現(xiàn)SRAMLUT結(jié)構(gòu)的FPGA器件的動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)芯片技術(shù)互補(bǔ)。

在芯片選擇上，ARM芯片選擇了LPC2294芯片，F(xiàn)PGA芯片選擇了FLEX10K芯片。采用PS(被動(dòng)串行)配置方式?；竟ぷ鬟^(guò)程：當(dāng)nCONFIG產(chǎn)生下降沿脈沖時(shí)啟動(dòng)配置過(guò)程，在DCLK上升沿，將數(shù)據(jù)移入目標(biāo)芯片。配置后， DCLK通過(guò)延長(zhǎng)十個(gè)周期的時(shí)鐘，確保目標(biāo)芯片被正確初始化，進(jìn)入用戶(hù)工作模式。配置文件的大小一般由后綴為rbf 的二進(jìn)制文件決定。文件的生成方法為：在Max+PlusⅡ編譯狀態(tài)，選擇文件菜單的變換SRAM目標(biāo)文件命令；然后在變換SRAM目標(biāo)文件對(duì)話框，指定要轉(zhuǎn)換的文件并且選擇輸出文件格式為.rbf(Sequential)，然后確定。在電路設(shè)計(jì)上，考慮到系統(tǒng)控制程序更新和升級(jí)的需要，我們充分利用了ARM芯片的ISP功能，即利用PC機(jī)通過(guò)LPC2294的UART0對(duì)ARM芯片進(jìn)行程序?qū)崟r(shí)更新，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體控制的有效更新，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的配制靈活性?；九渲秒娐啡鐖D4所示。

圖4 芯片組配置電路連線關(guān)系圖

3.3 高精度跟蹤閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，在保證高精度跟蹤設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)圍繞電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)構(gòu)成的三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)采用IRMCK201芯片內(nèi)部硬件電路完成，以完成對(duì)功率模塊的開(kāi)關(guān)控制，同時(shí)通過(guò)A/D接口對(duì)母線電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)功能。系統(tǒng)采用6000 PPR的增量式光電碼盤(pán)和霍爾傳感器測(cè)量電機(jī)位置和速度信號(hào)，采用IR2175電流傳感器對(duì)相電流采樣，由于IRMCK201提供了IR2175接口，所以采樣的電流信號(hào)可直接送到IRMCK201作為控制部分的電流反饋。為了增加系統(tǒng)的抗干擾性，本系統(tǒng)采用高速光耦將系統(tǒng)的控制部分和功率部分進(jìn)行隔離。

控制過(guò)程中，對(duì)于電流環(huán)，由電流傳感器IR2175采樣電機(jī)V相和W相繞組電流，經(jīng)過(guò)IRMCK201內(nèi)部計(jì)算可以得到U相電流，與V相和W相電流一起組成三相電流，通過(guò)Park變換與矢量旋轉(zhuǎn)被分解為產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，這兩個(gè)直流量具有獨(dú)立的比例積分調(diào)節(jié)器，依靠各自獨(dú)立的比例積分調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流環(huán)的良好控制；對(duì)于速度環(huán)，通過(guò)

配置相關(guān)寄存器使能速度閉環(huán)控制。由光電編碼信號(hào)通過(guò)IRMCK201內(nèi)部測(cè)速單元得到速度反饋，他與速度給定值相互比較產(chǎn)生速度偏差。這個(gè)偏差經(jīng)過(guò)速度PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩電流Iq，當(dāng)采用Id=0控制時(shí)，Id，Iq即是內(nèi)部電流環(huán)的給定值，他們與實(shí)際反饋電流比較產(chǎn)生電流偏差，電流偏差經(jīng)過(guò)電流環(huán)PI調(diào)節(jié)以后產(chǎn)生輸出電壓Ｕs-q和Ｕs-d，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d，q下，電壓Ｕs-q和Ｕs-d被反變換成靜止坐標(biāo)系下的電壓分量，然后經(jīng)過(guò)空間矢量PWM計(jì)算后給逆變器的功率模塊發(fā)出合適的開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制功率模塊開(kāi)關(guān)工作，完成速度閉環(huán)；而位置環(huán)則依靠FPGA優(yōu)良的控制性能和控制算法得以保證。通過(guò)以上三環(huán)的整體配合，很好地保證了高精度系統(tǒng)控制。

圖5 電流采集電路圖

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐證明，在交流伺服電機(jī)控制上，采用優(yōu)良的伺服控制芯片IRMCK201芯片，同時(shí)配合系統(tǒng)中運(yùn)用的芯片組控制技術(shù)，可以很好地提高系統(tǒng)控制性能，極大縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間，在系統(tǒng)跟蹤的精確性和低速控制的穩(wěn)定性上都能夠取得很好的效果。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］郭慶鼎.現(xiàn)代永磁電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

［2］宋書(shū)中.交流調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。