楊才文 吳志毅 徐秀會(huì)

摘 要：介紹了基于DSP+CPLD為處理核心數(shù)字伺服系統(tǒng)在雷達(dá)中整體方案設(shè)計(jì)，闡明了交流數(shù)字伺服系統(tǒng)原理，給出了APR、ASR和ACR電路的模型、該處理器的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)原理框圖和程序設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性.具有精度高、性能可靠、安全性好、自動(dòng)化程度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：三相交流永磁同步電機(jī);DSP;TMS320F2407;智能功率模塊

中圖分類號(hào)：TN952 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）04-0043-02

隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，人們對(duì)工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備要求越來(lái)越高。雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)也不例外，由于雷達(dá)的特殊性，對(duì)其體積、質(zhì)量、成本、可靠性、靈活性、跟蹤的快速性、精確性和抗干擾性等方面提出了更高的要求和目標(biāo)。三相交流永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，無(wú)論在軍工產(chǎn)品方面，還是民用產(chǎn)品都有它廣闊的運(yùn)用空間。如搜索雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)、導(dǎo)彈、航空航天、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、柔性制造系統(tǒng)、電梯控制等。

1 技術(shù)方案的選擇

雷達(dá)交流數(shù)字伺服系統(tǒng)的技術(shù)在方案選擇上，可以采用多種實(shí)現(xiàn)方式。但方案選取的原則應(yīng)該滿足實(shí)時(shí)性、高可靠性，同時(shí)考慮體積和重量。因此根據(jù)實(shí)際采用DSP+ CPLD為處理核心，外加接口電路和保護(hù)電路，電機(jī)選擇三相交流永磁同步電機(jī)的工程實(shí)現(xiàn)方案較為可行。

2 總的方案

以DSP+CPLD為處理核心的三相交流伺服控制系統(tǒng)方框圖主要由TMS320LF2407A處理器、CPLD電路、A/D、D/A電路、驅(qū)動(dòng)電路、隔離電路、輸入輸出接口電路、電源電路、保護(hù)電路和功率回路等組成。

3 控制器設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)控制框圖

三相交流永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)框圖，其中APR、ASR和ACR分別是電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)調(diào)節(jié)函數(shù)?？梢詫?shí)現(xiàn)電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）、速度環(huán)和位置環(huán)（外環(huán)）的控制策略，達(dá)到快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)，并消除靜態(tài)誤差，具有良好的性能。

3.2 電流環(huán)設(shè)計(jì)

電流環(huán)是三閉環(huán)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，目的是提高伺服系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度、改善控制性能的關(guān)鍵，同時(shí)可以抑制電流環(huán)內(nèi)部干擾，限制最大電流保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。電流環(huán)的不可變部分用傳遞函數(shù)G（s）表示，反饋用H（s）表示，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反饋是一個(gè)低通濾波器，校正環(huán)節(jié)用Gc1（s）表示，這樣，電流環(huán)的綜合設(shè)計(jì)。

電流環(huán)不可變部分的傳遞函數(shù)為：

用對(duì)電流環(huán)進(jìn)行仿真，從仿真幅頻和相頻特性可以看出，剪切頻率約160Hz，低頻段增益偏小，導(dǎo)致響應(yīng)較慢，需要進(jìn)行校正。對(duì)電流環(huán)采用校正，從時(shí)頻看，增大了低頻段的增益，改善了電流環(huán)的低頻特性，加快了響應(yīng)速度，校正環(huán)節(jié)為：。從時(shí)域分析看出，單位階躍響應(yīng)不超調(diào)，電流環(huán)響應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間在2-6ms以內(nèi)，滿足電流環(huán)的響應(yīng)速度要求。

3.3 速度環(huán)設(shè)計(jì)

在速度環(huán)設(shè)計(jì)中，因?yàn)殡娏鳝h(huán)是它的內(nèi)環(huán)，所以要考慮電流環(huán)在速度環(huán)中的影響，為簡(jiǎn)化分析，對(duì)電流環(huán)進(jìn)行降階簡(jiǎn)化，可降階為一階慣性環(huán)節(jié)。

電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

速度環(huán)的不可變部分由Gi（s）和負(fù)載的傳遞函數(shù)串聯(lián)而成，校正用Gc2（s）來(lái)表示，速度環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖可表示：

速度環(huán)不可變部分的傳遞函數(shù)為：

用對(duì)速度環(huán)進(jìn)行仿真，從幅頻和相頻特性可以看出，剪切頻率靠近段，截止頻率只有幾。此外，還存在低頻段的增益不大的問(wèn)題，會(huì)使得其響應(yīng)速度比較慢，所以需要對(duì)它進(jìn)行校正。根據(jù)速度環(huán)校正前的開環(huán)頻率響應(yīng)可以看出，在這里，采用校正采用超前滯后校正比較合適，校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

校正后的階躍響應(yīng)基本符合要求，單位階躍響應(yīng)時(shí)間約0.1ms-0.2ms，無(wú)超調(diào)。從頻率響應(yīng)來(lái)看，增大了速度環(huán)的增益，使響應(yīng)加快，剪切頻率約50Hz，相對(duì)穩(wěn)定性得到增強(qiáng)（從幅值裕度和相位裕度來(lái)看），基本上滿足速度環(huán)節(jié)的要求。

3.4 位置環(huán)設(shè)計(jì)

在位置環(huán)設(shè)計(jì)中，把由電流環(huán)和速度環(huán)構(gòu)成的內(nèi)環(huán)進(jìn)行降階簡(jiǎn)化，作為位置環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，然后進(jìn)行校正，選擇滿足要求的參數(shù)。

電流環(huán)和速度環(huán)構(gòu)成的內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)為：

代入?yún)?shù)得：

對(duì)它進(jìn)行降階處理，等效為一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可表示為：。

速度環(huán)和電流環(huán)是位置環(huán)的內(nèi)環(huán)，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化為一個(gè)二階慣性環(huán)節(jié)Gs（s），校正用Gc3（s）來(lái)表示，位置環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)框圖可表示如下（i=25）。

則位置環(huán)的不可變部分的傳遞函數(shù)為：。

用對(duì)位置環(huán)進(jìn)行仿真，從它的開環(huán)頻率響應(yīng)可以看出，剪切頻率很低，小于1Hz，必須要進(jìn)行校正。從校正前的頻率響應(yīng)可知，這里采樣超前滯后校正比較合適，校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：

校正后的位置環(huán)提高了截止頻率，截止頻率達(dá)到了約14Hz。從校正后的時(shí)域單位階躍響應(yīng)來(lái)看，上升時(shí)間一開始比較快，到0.2s以后來(lái)趨于平緩，超調(diào)量不到2.5%，而且很快就衰減下來(lái)，可以達(dá)到位置環(huán)對(duì)響應(yīng)速度和對(duì)超調(diào)量的要求。

4 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分由控制處理器電路、驅(qū)動(dòng)控制電路、驅(qū)動(dòng)接口電路和功率放大電路組成。仿真RAM和JTAG接口用于DSP程序的開發(fā)與仿真;D/A從隔離與接口電路接受模擬信號(hào)。CPLD提供JTAG接口，用于CPLD在線仿真與調(diào)試。D/A轉(zhuǎn)換器用于一些輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)換，便于測(cè)試系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)控制電路和保護(hù)電路一起，實(shí)現(xiàn)處理器控制電路的安全輸出。驅(qū)動(dòng)接口電路的主要作用是實(shí)現(xiàn)電氣隔離，并驅(qū)動(dòng)控制功放電路的柵極，實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的矢量控制。功放電路由IGBT模塊組成，實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換，從而驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)。

5 軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)中，通過(guò)采集反饋量，采用矢量控制算法，實(shí)現(xiàn)三相交流電機(jī)的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制。系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)，主要包括主程序和中斷服務(wù)子程序。中斷服務(wù)子程序采用定時(shí)器下溢中斷，在每一個(gè)PWM周期中都要根據(jù)采樣信息對(duì)EVA的三個(gè)比較寄存器進(jìn)行賦值，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向?qū)崟r(shí)矢量控制。

6 結(jié)語(yǔ)

該雷達(dá)數(shù)字伺服系統(tǒng)具有調(diào)速范圍要寬、定位精度要高、響應(yīng)速度快、過(guò)載能力強(qiáng)、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)，已經(jīng)在某些雷達(dá)產(chǎn)品中大量使用。從使用角度看，該數(shù)字伺服系統(tǒng)一致性、安全性、可靠性、穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性比較好，值得進(jìn)一步推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳志毅.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].西南交通大學(xué)出版社，2014.

[2] 吳志毅.射頻電路設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)[M].西南交通大學(xué)出版社，2014.