潘海鴻，林曉詞，陳 琳，王 玲，陳偉鴻

(1. 廣西大學，南寧 530004；2. 廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術重點實驗室，南寧 530004)

基于模塊化的可重構PMSM伺服驅動系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

潘海鴻1,2，林曉詞1，陳 琳1,2，王 玲1，陳偉鴻1

(1. 廣西大學，南寧 530004；2. 廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術重點實驗室，南寧 530004)

以PMSM電機為控制對象，為提高PMSM伺服驅動系統(tǒng)的擴展性、開放性及靈活性，提出基于模塊化、層次化的伺服驅動控制系統(tǒng)設計思想。基于DSP芯片TMS320F28335進行自主開發(fā)模塊化、可重構PMSM伺服驅動系統(tǒng)的研究；并給出可重構的PMSM伺服驅動控制系統(tǒng)架構規(guī)劃，以實現(xiàn)根據(jù)實際工況快速重構控制系統(tǒng)，最終滿足用戶多樣化和個性化控制需求。在搭建的PMSM伺服驅動系統(tǒng)平臺進行速度控制模式和位置控制模式重構實驗，實驗結果表明所提出的可重構伺服驅動系統(tǒng)設計方法是可行有效的，且設計靈活,可重構性強,易于擴展。

可重構；伺服驅動系統(tǒng)；模塊化；軟件架構；控制策略

0 引 言

交流永磁同步電機伺服驅動系統(tǒng)(以下簡稱PMSM伺服驅動系統(tǒng))以其調(diào)速范圍寬、控制精度高、動靜態(tài)響應特性好和魯棒性好等特點，廣泛應用于數(shù)控機床、工業(yè)機器人、電子制造機械、航天航空設備及柔性制造系統(tǒng)等領域[1]。

目前國內(nèi)外已經(jīng)研制出許多不同品牌和性能的商用伺服驅動器，如安川、松下、東元、臺達等，但這些商用驅動器的開放程度不高。商用伺服驅動器的控制板卡通常采用專用封閉式設計方法，軟件系統(tǒng)被固化在控制板卡中，每個控制環(huán)路的控制策略單一，導致伺服驅動系統(tǒng)難以擴展，缺乏靈活性和開放性，無法適應復雜多變的應用場合及性能要求[2]。以數(shù)控系統(tǒng)應用為例。為保證數(shù)控系統(tǒng)的精度及魯棒性，數(shù)控系統(tǒng)通常采用閉環(huán)控制，從內(nèi)到外為電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)不同的控制需求，數(shù)控系統(tǒng)的運動控制器和伺服驅動器可組成三種結構形式[3]，如圖1所示。伺服驅動系統(tǒng)分為轉矩控制、速度控制、位置控制三種控制模式，分別接收上位機的模擬轉矩指令、模擬速度指令和脈沖指令。商用伺服驅動器為上位機提供了三種控制結構所需的指令輸入接口和反饋接口，但內(nèi)部功能固定，用戶只能使用驅動器所提供的標準功能，難以根據(jù)自己的性能要求對伺服驅動系統(tǒng)進行二次開發(fā)和設計，使伺服驅動系統(tǒng)的擴展和修改十分有限，造成用戶對伺服驅動系統(tǒng)供應商的依賴，難以將自己的相應專業(yè)技術、控制算法等嵌入到伺服驅動系統(tǒng)中，無法實現(xiàn)對伺服驅動系統(tǒng)的重構[3-4]。因此，自主研究和設計模塊化、可重構PMSM伺服驅動控制系統(tǒng)，使用戶能夠根據(jù)控制需求，對系統(tǒng)結構和控制策略等進行重構，提高PMSM伺服驅動系統(tǒng)的擴展性、開放性及靈活性，具有很大必要性和實用價值。

為此，本文對PMSM伺服驅動系統(tǒng)可重構性進行分析，采用模塊化、層次化的設計方法，提出可重構軟件架構設計思想；并設計具有開放性、可重構性的伺服驅動系統(tǒng)軟件架構。最后在搭建的自主開發(fā)基于DSP TMS320F28335伺服驅動系統(tǒng)平臺上進行實驗驗證。

(a) 伺服驅動器層為轉矩控制結構

(b) 伺服驅動器層為速度控制結構

(c) 伺服驅動器層為位置控制結構

1 控制策略可重構分析

為達到交流永磁同步電機穩(wěn)、準、快的性能指標，眾多學者提出了很多控制策略，目前伺服驅動器中常用的控制策略有PID控制、復合控制、加減速控制、預測控制等。這些控制算法可在一定程度上使系統(tǒng)獲得較好性能，但也存在一些不足，各有特點及應用場合，如表1所示。

表1 控制策略的特點及適用場合

續(xù)表

隨著市場需求的發(fā)展，對伺服驅動系統(tǒng)的性能要求越來越高，采用單一控制策略的伺服驅動系統(tǒng)已無法適應復雜多變的應用需求[5]。針對不同環(huán)境和不同條件，應采用不同的控制策略以獲得更實用、性能更優(yōu)越的伺服驅動系統(tǒng)，因此，控制策略的可重構性是十分必要的。

2 模塊化、可重構PMSM伺服驅動系統(tǒng)軟件設計

2.1 軟件架構設計思想

為滿足復雜多變的工業(yè)應用需求，采用模塊化、層次化設計方法，基于實驗室已有研究成果，提出具有開放性、可重構性的伺服驅動系統(tǒng)軟件架構思想[3-4,12]，如圖2所示，其核心思想：(1)每個功能模塊完成單一的功能，各功能模塊間相互獨立；(2)依據(jù)各模塊的功能屬性劃分功能模塊框架，每個功能模塊都有與其一一對應的框架，各功能模塊間只通過功能模塊框架進行數(shù)據(jù)交互，保證功能模塊間沒有直接的數(shù)據(jù)耦合，便于添加或裁剪；(3)各功能模塊框架中都設置有一個重構器，通過重構器控制功能模塊的調(diào)用狀態(tài)，在系統(tǒng)中隨時對各模塊進行調(diào)用，根據(jù)控制需求和信息流重構整個系統(tǒng)拓撲結構。

圖2 軟件架構設計思想框圖

2.2 功能模塊劃分

結合PMSM伺服驅動系統(tǒng)可重構性分析及目前伺服驅動系統(tǒng)功能特點，提出PMSM伺服驅動系統(tǒng)控制框圖，如圖3所示。整個控制系統(tǒng)由基礎模塊和可重構模塊組成，基礎模塊是指與電流控制有關的較通用模塊，主要包括：相電流采樣、位置檢測、克拉克變換、帕克變換和帕克逆變換、SVPWM占空比計算模塊和占空比更新模塊等，通常不參與重構。可重構模塊是指在控制過程中可根據(jù)控制需求利用重構器添加或裁減的模塊，主要有S型曲線加減速、直線加減速、指數(shù)加減速、PID控制器、前饋控制器、電流預測控制、陷波濾波器、低通濾波器、M法測速、T法測速和M/T法測速模塊等。重構器的符號說明如表2所示，根據(jù)控制要求利用重構器實現(xiàn)對可重構模塊的調(diào)用，構成所需系統(tǒng)結構。

圖3 可重構PMSM伺服驅動系統(tǒng)控制框圖

表2 功能模塊重構器符號說明

2.3 軟件架構設計

采用模塊化層次化設計方法，設計PMSM伺服驅動系統(tǒng)軟件架構，如圖4所示。PMSM伺服驅動系統(tǒng)軟件結構主要分為6層：(1)系統(tǒng)主框架層由背景處理框架和中斷處理框架組成。背景處理框架是整個軟件系統(tǒng)程序入口，主要完成處理器內(nèi)部資源、硬件配置及系統(tǒng)參數(shù)的初始化；中斷處理框架執(zhí)行周期性實時任務，調(diào)用軸管理框架層中與電機控制有關的各功能函數(shù)。(2)軸管理框架層完成與系統(tǒng)主框架層的通信，調(diào)用執(zhí)行各功能模塊框架，并處理各功能模塊框架間的通信。(3)功能模塊框架層負責與軸管理框架層和功能模塊層的通信，同時可直接對硬件接口驅動層控制。根據(jù)功能屬性劃將功能模塊框架分為：①基礎功能模塊框架：坐標變換框架、執(zhí)行系統(tǒng)框架和監(jiān)控系統(tǒng)框架；②可重構功能模塊框架：設定點發(fā)生器框架、測量系統(tǒng)框架、控制器框架?？芍貥嫻δ苣K框架利用功能模塊重構器對功能模塊進行動態(tài)調(diào)用。(4)功能模塊層中各功能模塊主要完成單一的功能，通過功能模塊框架層進行調(diào)度和管理。(5)硬件接口驅動層用于配合相應硬件接口完成伺服系統(tǒng)與外部設備的數(shù)據(jù)處理和硬件驅動。(6)硬件接口層主要包括編碼器接口、ADC接口、PWM接口、運動指令輸入接口、數(shù)字I/O接口、SCI接口、以太網(wǎng)接口和按鍵接口等，負責與電機、上位機數(shù)據(jù)交互。所提出的伺服系統(tǒng)軟件架構基于DSP TMS320F28335采用C語言開發(fā)完成。

圖4 PMSM伺服驅動系統(tǒng)軟件架構

采用層次化、模塊化的軟件架構，主要特點：(1)層次分明，功能模塊耦合低，系統(tǒng)結構清晰，便于系統(tǒng)的開發(fā)、移植、維護及擴展；(2)系統(tǒng)硬件與軟件分離，僅需更改硬件接口及驅動即可將軟件架構應用于新系統(tǒng)，減少系統(tǒng)的開發(fā)成本及時間；(3)功能模塊相互獨立，由功能模塊框架層執(zhí)行各功能模塊的信息交互及存儲，便于管理和調(diào)度；(4)根據(jù)控制需求及性能指標，通過框架層的重構器對功能模塊進行動態(tài)重構，從而重構出所需的控制結構及控制模式，以控制電機完成期望的運動。

3 實驗驗證

本文搭建了如圖5所示PMSM伺服驅動系統(tǒng)平臺，該平臺由基于DSP TMS320F28335自主研發(fā)的伺服驅動器、伺服驅動系統(tǒng)性能測試系統(tǒng)、東元TSDA電機及機械平臺組成。所采用的電機為東元TSDA電機，型號為TSB08751C，功率為750 W，額定電流為3.4 A，額定轉速為3 000 r/min，額定轉矩為2.39 N·m。自主研發(fā)的PMSM伺服驅動器位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)周期分別設置為6.25 ms，0.625 ms，0.125 ms。

圖5 PMSM伺服驅動系統(tǒng)實驗平臺

(1)速度控制模式

依圖1(b)將伺服驅動系統(tǒng)重構為速度控制模式，加減速方式選擇指數(shù)加減速法，測速方式選擇M/T法。參照前述可重構控制框圖(圖3)和重構器符號說明(表2)進行系統(tǒng)重構，控制模式重構器置為2，加減速重構器置為0，測速方式重構器置為3，構成速度閉環(huán)回路。給定參考速度命令分別為10 r/min，100 r/min，800 r/min，1 500 r/min，3 000 r/min，各速度響應曲線如圖6所示?？芍?，該可重構伺服驅動系統(tǒng)可實現(xiàn)全速段平穩(wěn)運行，起動時無明顯超調(diào)，穩(wěn)態(tài)誤差較小，速度響應快，在3 000 r/min時速度響應時間最大約為0.25 s。

圖6 速度控制模式低、中、高速時的速度響應

(2)位置控制模式

依圖1(c)將伺服驅動系統(tǒng)重構為位置控制模式，位置控制器分別采用比例和前饋的復合控制策略和比例控制策略，測速方式選擇M/T法。參照前述可重構控制框圖(圖3)和重構器符號說明(表2)進行重構，控制模式重構器置為3，測速方式重構器置為3，采用復合位置控制策略時，位置控制重構器置為1，構成位置閉環(huán)回路。

給定位置脈沖命令300000個脈沖，兩種控制策略的位置和速度響應曲線如圖7所示。兩種控制策略下系統(tǒng)均完成300 000脈沖的定位要求，采用復合控制策略系統(tǒng)動態(tài)跟隨特性比采用比例控制策略得好，定位時間更短，并且有較高的動態(tài)跟蹤精度，重構的伺服驅動系統(tǒng)可滿足控制需求。

圖7 兩種位置控制策略下的位置和速度響應曲線

上述實驗從控制結構重構和控制策略重構兩個方面證實所提出基于模塊化思想的伺服驅動系統(tǒng)具有可重構性的，PMSM伺服驅動系統(tǒng)可根據(jù)不同應用場合進行重構，滿足所需性能要求，體現(xiàn)了模塊化、可重構PMSM伺服系統(tǒng)軟件架構的設計具有良好的靈活性、適應性。

4 結 語

基于DSP TMS320F28335按照所提出的模塊化、層次化軟件架構設計思想，自主開發(fā)具有模塊化、可重構特征的PMSM伺服系統(tǒng)軟件架構。該系統(tǒng)通過將功能模塊完全解耦，即每個功能模塊完成單一的功能，利用框架層的重構器對功能模塊進行動態(tài)重構，方便用戶根據(jù)特定的控制需求添加或裁減功能模塊。在自主開發(fā)的PMSM伺服驅動系統(tǒng)實驗平臺，進行速度控制模式和位置控制模式重構實驗，實驗結果表明所設計的伺服系統(tǒng)能夠對系統(tǒng)控制結構和控制策略進行重構進而滿足所要求的性能指標，具有良好的靈活性、適應性，并拓寬PMSM伺服驅動系統(tǒng)的應用范圍。

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Design and Implementation of Reconfigurable PMSM Servo Drive System Based on Modularization Strategy

PANHai-hong1,2,LINXiao-ci1,CHENLin1,2,WANGLing1,CHENWei-hong1

(1.Guangxi University,Nanning 530004,China;2.Guangxi Key Laboratory of Manufacturing System & Advanced Manufacturing Technology,Nanning 530004,China)

Based on the DSP core control chip TMS320F28335, a PMSM servo drive system was developed independently to realize the control of PMSM, which features modularized and reconfigurable. To improve the expansibility, openness and flexbility of PMSM servo drive system, the design idea of servo drive control system was proposed using modular and hierarchical strategy; architecture planning of reconfigurable PMSM servo drive system was given as well, therefore the control system can be rapidly reconstructed on practical condition, and the diversitied and personalized requirements of the customers were satisfied in final. The platform of PMSM servo drive system was built, and reconfiguration experiments of speed control mode and position control mode were performed on the platform. Experimental results demostrate feasibility and validity of the design presented. The architecture has characteristic of flexible design, easy extension and strong reconfigurability.

reconfigurable; servo drive system; modularization; software architecture; control strategy

2015-06-24

國家自然科學基金項目(51465005)；廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術重點實驗室項目(14-045-15S09)

TM341;TM351

A

1004-7018(2016)05-0040-04

潘海鴻(1966-)，博士,教授，研究方向為高速高精度運動控制、數(shù)控技術。