張燕紅，王 磊，吳 璇，張建生，吳政濤

(1.常州工學(xué)院，常州 213032；2. 中兵通信科技股份有限公司，新鄉(xiāng) 453000；3.南通大學(xué)，南通 226019；4.常州大學(xué)，常州 213164)

基于ARM的高性能交流伺服電機系統(tǒng)設(shè)計

張燕紅1，王 磊2，吳 璇3，張建生1，吳政濤4

(1.常州工學(xué)院，常州 213032；2. 中兵通信科技股份有限公司，新鄉(xiāng) 453000；3.南通大學(xué)，南通 226019；4.常州大學(xué)，常州 213164)

摘 要：分析了永磁同步電動機的工作原理，利用S3C2440芯片的軟硬件裁剪式優(yōu)點，設(shè)計了基于S3C2440控制的高性能交流伺服電機系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件主要包括控制模塊、驅(qū)動模塊及電流檢測模塊，簡化了電路的復(fù)雜程度。系統(tǒng)采用電流環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)PI矢量控制策略，對伺服電機系統(tǒng)進行實驗研究，實驗結(jié)果表明設(shè)計的交流伺服電機系統(tǒng)具有較高的控制精度。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；S3C2440；雙閉環(huán)PI控制策略；高性能伺服系統(tǒng)

0 引 言

伺服電機系統(tǒng)通過控制電機來帶動機械負載轉(zhuǎn)動，并實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和位置的精準控制[1]。隨著電力電子器件和制造業(yè)的迅速發(fā)展，電機也在更新?lián)Q代，其中，永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)已被成功應(yīng)用于高性能伺服系統(tǒng)中。PMSM是一種交流電機，且結(jié)構(gòu)簡單，體積小，不像直流電機那樣換向，無需勵磁電路，具有高轉(zhuǎn)矩比、高效率等優(yōu)點[2]。在交流伺服系統(tǒng)中，PMSM作為執(zhí)行元件，接收系統(tǒng)控制器輸出的電信號，并將其轉(zhuǎn)換成電機軸上的角速度和角位移[3]。而控制器接收到傳感器檢測電機的反饋信號，經(jīng)過信號處理，輸出相應(yīng)的控制信號來控制電機，從而保證了整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[4]。常用的交流伺服系統(tǒng)控制器芯片有單片機、PLC及DSP[5-7]，這些芯片雖然實現(xiàn)了一定的控制要求，但內(nèi)部集成模塊太少，需要擴展外圍模塊，導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。由于ARM芯片的外圍模塊豐富，芯片為裁剪式，控制性能好，性價比較高，所以適合應(yīng)用于高性能交流伺服系統(tǒng)的控制[8]。本文設(shè)計了一種基于S3C2440控制的高性能交流伺服電機系統(tǒng)，以提高伺服系統(tǒng)的控制精度。

1 伺服系統(tǒng)的控制原理

1.1 d-q坐標系下的PMSM數(shù)學(xué)模型

PMSM系統(tǒng)具有時變性、非線性和強耦合性，且電磁關(guān)系非常復(fù)雜，是一個復(fù)雜的多輸入多輸出的非線性物理模型，具有更低的傳導(dǎo)損耗。因此，為了使系統(tǒng)的變量之間得到部分解耦，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型大大簡化，便于系統(tǒng)的分析和控制，在研究PMSM的物理模型時，需作如下的設(shè)定：

①忽略磁路飽和、鐵心損耗、磁滯損耗和渦流；

②三相繞組均勻?qū)ΨQ，在空間上互相差120°；

③忽略空間諧波，感應(yīng)電動勢和磁動勢按正弦波分布。

同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標系下的電機數(shù)學(xué)模型，通常由動態(tài)電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程組成。其中，電壓方程：

(1)

式中：id,iq分別為d,q軸的電流分量；ψd,ψq分別為d,q軸的磁鏈分量；ωr為轉(zhuǎn)子的角速度；Rs為定子電阻。

磁鏈方程：

(2)

式中:Ld,Lq分別為d,q軸的電感分量；ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈。

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

(3)

式中:p為電機極對數(shù)。

運動方程：

(4)

式中：J為轉(zhuǎn)動慣量;B為轉(zhuǎn)子粘滯摩擦系數(shù);TL為負載轉(zhuǎn)矩。

1.2 矢量控制策略的控制原理

PMSM伺服系統(tǒng)是一個強耦合、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，需選擇合適的控制策略來提高系統(tǒng)的控制效果。矢量控制策略(以下簡稱VC)因具有響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)矩脈動低、控制精度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于高性能交流伺服系統(tǒng)中[9]。由式(3)、式(4)可知，有效控制電流id和iq，即可達到控制電機穩(wěn)定運行的效果。矢量控制的原理就是通過分別控制相互正交和獨立的電流id和iq來實現(xiàn)系統(tǒng)的解耦控制。

PMSM矢量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)的雙閉環(huán)矢量控制策略。

圖1 矢量控制結(jié)構(gòu)圖

其中，電流內(nèi)環(huán)主要負責(zé)電機的轉(zhuǎn)矩能否快速響應(yīng)，本文采用經(jīng)典的PI控制器，P環(huán)節(jié)主要用來提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度；I環(huán)節(jié)則可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。兩路PI 控制器分別以id和iq的偏差值為給定值，以udref和uqref為輸出值。速度外環(huán)對整個系統(tǒng)的調(diào)速起決定性作用，需要有較好的抗干擾性能，也采用PI控制器。在速度環(huán)中，位置檢測裝置通過光電編碼器檢測PMSM轉(zhuǎn)過的角度θ，然后計算出PMSM的角速度ωr，并以ωr的偏差值作為速度PI的輸入值，以iqref為輸出值。空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)主要是將逆變器和電機看作一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制PWM電壓。SVPWM逆變器按照一定的時間切換不同的開關(guān)模式，產(chǎn)生三相正弦電壓，從而控制PMSM的轉(zhuǎn)動[10]。

系統(tǒng)采用id=0的矢量控制方式，此時電磁轉(zhuǎn)矩方程：

(5)

式中：Ke可看作電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，為定值。

根據(jù)式(1)、式(2)、式(4)、式(5)，可得出PMSM的解耦狀態(tài)方程：

(6)

結(jié)合系統(tǒng)所采用的雙閉環(huán)矢量控制策略，可設(shè)計出PMSM的雙閉環(huán)控制框圖如圖2所示。

圖2 雙閉環(huán)控制框圖

圖3 等效速度閉環(huán)控制框圖

(7)

(8)

其中，式(7)為速度傳遞函數(shù)，式(8)為負載轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的高性能伺服系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)圖

主控制器采用S3C2440芯片,驅(qū)動器采用DH50M-A，PMSM則采用110DH-A06020H。系統(tǒng)的工作原理：主控制器將PWM信號傳送到驅(qū)動器，通過控制IGBT的導(dǎo)通時間來驅(qū)動PMSM的轉(zhuǎn)動；電流檢測模塊檢測PMSM的三相電流，經(jīng)過處理后送至主控制器的ADC，S3C2440通過獲得的電流信號和轉(zhuǎn)速信號來進行雙閉環(huán)PI控制，并輸出新的PWM信號。

2.1 控制模塊

主控芯片S3C2440是一款基于ARM9內(nèi)核的16/32位RISC微處理器，并附有豐富的通用外設(shè)模塊。該芯片可采用裁剪式，去除空置的外設(shè)，只留下需用的外設(shè)，以減少系統(tǒng)的成本和體積。其中AD轉(zhuǎn)換接口，可將電流檢測模塊發(fā)送的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再送至S3C2440進行控制。具有PWM功能的定時器在S3C2440的控制下，向逆變器輸出PWM波形，從而形成三相正弦電壓供給PMSM。由于PMSM需要6路脈沖控制，可用2個通用定時器來完成。此外，還需要1個定時器來接收光電編碼器發(fā)送的脈沖信號，根據(jù)公式進一步計算出電機的轉(zhuǎn)速。還有一些I/O口可用于中斷控制；USART口可用來與PC機連接通信，JTAG口則用來下載程序和在線調(diào)試；還有一些按鍵，用于顯示屏上的調(diào)速和調(diào)頻。

2.2 驅(qū)動模塊

DH50M-A接收主控制器S3C2440發(fā)出的控制信號，通過SVPWM技術(shù)，形成三相正弦波電壓來驅(qū)動PMSM轉(zhuǎn)動，達到伺服系統(tǒng)的精準控制。110DH-A06020H電機需與DH50M-A相匹配。DH50M-A內(nèi)部有設(shè)計好的驅(qū)動放大電路，可將S3C2440發(fā)出的弱電信號放大為電機所需要的強電信號。DH50M-A在電源供電時需接1個380～220 V的三相隔離變壓器，以保證DH50M-A不被損壞。本文所選用的電機內(nèi)部帶有光電編碼器，可測出電機的轉(zhuǎn)動信號，并反饋至DH50M-A中，通過主控制器的控制和計算，可得出電機的角速度和轉(zhuǎn)速，該驅(qū)動器中已設(shè)計好過流、過壓和過熱等保護電路。

2.3 其他模塊

系統(tǒng)還設(shè)計了1個電流檢測電路，使用2個霍爾電流傳感器采集PMSM的A相和B相電流信號，并通過計算得出C相電流信號?；魻杺鞲衅鞑捎肅SNE151-100，其輸出信號已轉(zhuǎn)為電壓信號，將該信號送至主控制器S3C2440的AD轉(zhuǎn)換模塊。由于信號容易受到干擾，因此需要對傳感器所輸出的信號進行RC濾波，電路圖如圖5所示。CSNE151-100的電壓輸出信號經(jīng)濾波后，接入1個電壓跟隨器來減小阻抗，同時對其進行電壓保護，并再次對該信號進行濾波，隨后送至主控制器的ADC轉(zhuǎn)換接口。

圖5 電流檢測電路

本文所設(shè)計的伺服系統(tǒng)需要多種電源供電，如PC機和變壓器需要電網(wǎng)電壓AC 220V，電流檢測電路和濾波電路均需要±15 V的電壓，在實驗室中可由±15 V的開關(guān)電源來實現(xiàn)；如主控制器S3C2440需要5 V的電壓，此時需要通過電源轉(zhuǎn)換模塊，如圖6所示，采用了LM2596S 5.0開關(guān)電壓調(diào)節(jié)芯片，可將開關(guān)電源的15 V轉(zhuǎn)換為所需要的電壓值5 V。

圖6 電源轉(zhuǎn)換電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文選用Linux嵌入式操作系統(tǒng)，它是遵循GPL協(xié)議的開放源碼操作系統(tǒng)，全部免費，日后軟件的維護也相對簡單[12]。使用的編譯器為ARM-Linux-gcc4.3.3版本，內(nèi)核為Linux-2.6.30.4?？紤]到ARM板的存儲空間有限，而內(nèi)核的配置文件非常多，因此需對內(nèi)核進行適當裁剪，去掉不需要的功能，只留下需要的芯片類型、文件系統(tǒng)和驅(qū)動程序。

S3C2440實現(xiàn)的功能有電機電流和轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)處理、電流控制器和速度控制器的控制、電機轉(zhuǎn)向的控制、SVPWM模塊的控制、6路PWM波的輸出等。軟件設(shè)計的工作就是在PC機上修改內(nèi)核中和系統(tǒng)硬件相關(guān)的源代碼文件，編程語言為C語言，并通過PC機和S3C2440板通信，使移植后的內(nèi)核能在S3C2440平臺上穩(wěn)定運行。其中，電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速會在S3C2440顯示屏上顯示，并通過按鍵來調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速值。

程序流程圖如圖7所示，以主程序為主。當系統(tǒng)上電后，開始參數(shù)初始化，然后等待循環(huán)。當發(fā)生外部中斷時，程序從中斷地址入口進入，并開始工作，中斷程序如圖8所示。系統(tǒng)的控制部分由中斷程序完成，主要有速度環(huán)、電流環(huán)的參數(shù)計算和SVPWM波的生成。中斷結(jié)束后，程序返回到主循環(huán)處，繼續(xù)工作。

圖7 主程序流程圖

圖8 中斷程序流程圖

4 系統(tǒng)實驗

伺服電機系統(tǒng)中的PMSM參數(shù)如表1所示，型號為110DH-A06020H。

表1 電機參數(shù)

轉(zhuǎn)子磁鏈ψr=0.3 Wb，電機極對數(shù)p=2，轉(zhuǎn)動慣量J=1.0×10-3kg·m2，電機角速度ωrref=200 rad/s，電感Lq=6.5 mH。取參數(shù)Kp=112，Ki=54，可計算出PMSM的速度傳遞函數(shù)：

(9)

搭建的系統(tǒng)硬件實驗平臺如圖9所示。

圖9 實驗硬件圖

實驗中用示波器來觀察電機的控制波形，設(shè)定電機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min作為給定信號，電機開始轉(zhuǎn)動，經(jīng)過80 ms，電機轉(zhuǎn)速降為0，可得到控制波形圖如圖10所示。

圖10 電機控制波形圖

從圖10可以看出，電機的速度響應(yīng)時間僅為25 ms，超調(diào)量為0.2%。從這2個指標來看，系統(tǒng)可保證電機快速起動和制動，且轉(zhuǎn)速變化時波動很小，運行平穩(wěn)。表明設(shè)計的高性能伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動態(tài)性能都較好，控制系統(tǒng)是有效可行的。可以應(yīng)用在機器人、自動化生產(chǎn)線等對工藝精度、加工效率和工作可靠性等要求相對較高的設(shè)備。

采用電流檢測電路獲得的U相電流波形如圖11所示(測量時在電路中外加1 Ω的電阻，實際測得的是電壓波形)，其它兩相基本一致。

圖11 U相電流波形

從圖11可知，U相電流為正弦波形，幅值不超過0.5 V(對應(yīng)的電流為0.5 A)，而一般的U相電流會達到0.5～1 A，相比而言，本文測試的U相電流波形比較光滑。表明本文設(shè)計的控制程序能夠較好地控制相電流，保證了電機的轉(zhuǎn)動精度和平穩(wěn)運行。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的高性能交流伺服電機控制系統(tǒng)，采用了S3C2440做主控器，并選擇Linux系統(tǒng)來移植控制程序，設(shè)計了相關(guān)的硬件模塊和軟件控制模塊。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)對電機的控制是有效可行的。而S3C2440控制器可實行軟硬件裁剪式，節(jié)約成本的同時，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，簡化了應(yīng)用程序，能夠使電機平穩(wěn)運行，提高了控制精度，為交流伺服系統(tǒng)提供了新的控制方式。

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DesignofHigh-PerformanceACServoMotorSystemBasedonARM

ZHANGYan-hong1,WANGLei2,WUXuan3,ZHANGJian-sheng1,WUZheng-tao4

(1.Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213032,China;2.China North Communication Technology Co.,Ltd.,Xinxiang 453000,China;3.Nantong University,Nantong 226019,China; 4.Changzhou University,Changzhou 213164,China)

Abstract:The working principle of permanent magnet synchronous motor was analyzed, and a high performance AC servo system based on S3C2440 control was designed by using the advantage of the hardware and software of the S3C2440 chip. The hardware of the system mainly included control module, drive module and current detection module, which simplified the complexity of the circuit. The closed-loop PI vector control strategy of current loop and velocity loop was used. The experimental research of servo system was carried out and the experimental results showed that the control precision of the servo system has been improved.

Key words：permanent magnet synchronous motor (PMSM); S3C2440; double closed-loop PI control strategy; high-performance servo system

中圖分類號：TM351;TM464

A

1004-7018(2018)05-0014-05

2017-09-28

國家自然科學(xué)基金項目(51175052)；江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK20151182)；校級科研項目(YN1622)；江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目(PPZY2015B129)；2017年度江蘇高校文化創(chuàng)意協(xié)同創(chuàng)新中心研究項目(XYN1706)

作者簡介：張燕紅(1979—)，女，博士，副教授，主要研究方向為智能控制。