基于DSP 和IRMCK201 的双CPU的永磁同步电机位置伺服系统设计_暗记_旗子

由于永磁伺服电机具有转子迁徙改变惯量小、相应速率快 、效率高 、功率密度大 、电机体积小 、肃清电刷而降落噪声和减少掩护等其他电机难以比拟的优点 ,在高性能位置伺服领域,由其为伺服电机组成的伺服系统运用越来越广泛。
永磁无刷电机有两种形式:方波式和正弦波式。
本文紧张研究以PMSM 为伺服电机的伺服系统目前实现永磁同步电动机的掌握紧张采取DSP、DSP+F PG A 和DSP +ASIC 三种路子。
前两种办法实现位置掌握编程量较大,美国国际整流器件公司针对高性能互换伺服驱动哀求,基于FPGA 技能开拓出了完全的闭环电流掌握和速率掌握的伺服系统单片办理方案———IRMCK201 。
笔者基于这种数字运动掌握芯片, 设计了DSP和IRMCK201 的互换伺服掌握系统。
该系统同样具有性能优胜、构造大略 、编程任务小 、开拓周期短等优点 ,也具有很好的推广意义 。

1 IRMCK201芯片简介

美国国际整流器件(IR)公司针对高性能互换伺服驱动的需求, 设计出了基于FPGA 技能的完全的伺服驱动掌握办理方案———IRMCK 201 芯片。
与传统的运动掌握专用DSP 芯片不同的是, IRMCK 201 不仅包含运动掌握的外围功能(如PWM 、编码计数电路、电流传感接口等),而且还包含通过硬件实现的FOC 算法和速率掌握算法,从而省略了编程任务,简化了高性能互换伺服系统的设计。
此外 ,它还适用于不同类型的永磁电机或感应电机,因而有很好的运用前景。

IRMCK 201 芯片的紧张特点如下 :①完全的电流闭环掌握和速率闭环掌握 ;②带去世区的空间矢量PWM ;③最大时钟输入33 .3 M Hz ,最高PWM 载波频率83 .3 kHz , 电流环带宽5.5 kHz , 速率环更新率5/10kHz ;④具有与高压线性电流传感器IR2175 、高压驱动芯片IR213x 、霍尔 A/ B/C 旗子暗记 、光 电编 码 器 、RS232 或RS422 、快速 SPI 的接口 ;⑤ 配 置 光 电 码 盘 的 线 数 范 围 为 200PP R ～10 000PPR;⑥可以监视直流母线电压 ;⑦可以配置仿照参考输入 ;⑧2 M Hz 的计数器改进低速性能 ;⑨具有 4 路采样/保持的 A/D 转换接口 ;⑩通过主机寄存器接口 , AT24C01A 可对内部数据/参数进行初始化;1 1智能IGBT 保护封锁掌握。
从上面可以看出, 作为运动掌握芯片, IRMCK201在硬件上具备了伺服掌握所必需的掌握单元, 如带去世区韶光设置的空间矢量PWM 、PA RK 变换和Clark 变换、电流环 PI 调节器、速率环 PI 调节器、速率丈量单元等。
这样用户就省去了编写代码任务,简化了繁芜的设计过程。

2 系统实现

该互换伺服系统掌握电路紧张由T MS320LF2407 、IRMCK 201 和少量的外围电路组成。
采取 TI 公司的DSPT MS320LF2407 作为主控芯片 ,卖力伺服电机位置环的处理 ,同时卖力电机的启动 、停滞以及键盘相应和显示的操作 ,并完成IRMCK201 的初始化。
IRMCK 201 内部硬件电路完成系统的电流环、速率环掌握 , 终极产生SV PWM 驱动旗子暗记,以完成对功率模块的开关掌握, 同时通过A/D 接口对母线电压进行监测, 以实现过压保护功能。
系统采取 2 000PP R 的增量式光电码盘和霍尔传感器丈量电机位置和速率旗子暗记, 采取IR2175 电流传感器对相电流采样。
由于 IRMCK 201 供应了IR2175 接口, 以是采样的电流旗子暗记可直接送到IRMCK201 作为掌握部分的电流反馈。
为了增强系统的抗滋扰性,采取高速光耦将系统的掌握部分和功率部分进行隔离。
主电路由三相桥式全波整流电路、滤波器和逆变器等组成。
系统硬件设计构造框图如图1 所示。

3 系统硬件设计

3.1 位置环设计

永磁同步电动机矢量掌握系统须要精确的转子磁极位置和速率信息,以进行掌握电压的调度。
为了提高掌握系统的精度,转子位置检测器可采取稠浊式光电编码器。
本系统采取稠浊式光电编码器,输出的A +、A -、B +、B -、Z +、Z -六路旗子暗记,经由滤波往后,为提高反馈旗子暗记的抗滋扰能力,送入正交线性接管器DS3486 ,末了输出有关转速、转向 、原点位置及相对角位移的数字旗子暗记 A +、B+、Z +。
输出的HA LL A/ B/ C 三路旗子暗记, 给出了电机转子的初始精确定位和初始的绝对位置。
采取稠浊式光电码盘对伺服电机的位置进行采样,得到位置反馈旗子暗记。
将位置反馈旗子暗记送入T MS320F2407A 的事宜管理模块中进行后处理。
事宜管理模块具有正交解码脉冲电路(QEP 电路),当Q EP 电路被使能时,会对引脚Q EP1 和QEP2 上的正交编码输入脉冲进行解码和计数。
这样对位置的检测不须要其他外围电路 ,电路大略可靠。
从上述可以看出,位置环的有关硬件设计大略可靠。
在这个别系中 ,位置环的设计紧张是在DSP 中用大略的软件设计实现的,该部分将在软件设计中详细先容。

3.2 速率环设计

从光电编码器中输出的A 、B 旗子暗记是2 个互差90°的脉冲序列,从这2 个旗子暗记能打算出电动机速率和迁徙改变方向。
采取稠浊式光电码盘对伺服电机的速率进行采样,得到速率反馈旗子暗记。
将速率反馈直接送入IRMCK201 芯片中,进行速率闭环的处理。
速率环紧张由 IRMCK 201 来办理,只要设定IRMCK201 速率环寄存器相应的值, 就可实现速率闭环。
由此可以看出 ,速率环的设计完备是靠硬件实现的, 不须要任何软件设计, 省去了很大的一部分事情。

3.3 IR2175与霍尔电流传感器实现电流环

IR2175 是一个单片式线性电流传感器 , 是针对电机驱动运用而设计的 。
利用 IRMCK201 芯片实现伺服系统时 ,电流反馈用采样电阻结合 IR2175作为电流的反馈回路。
采样电阻对伺服电机的相电流进行采样, 输出260mV 以内的采样电压旗子暗记, 将该旗子暗记输入到电流传感器IR2175 中,通过它的内部处理后输出一个占空比随电流幅值大小改变的脉冲旗子暗记。
该脉冲旗子暗记经由光电隔离后送入IRMCK201 中, 作为伺服电机的电流反馈旗子暗记。
由于 IR2175 的输入电压限定在±260 mV 之间,当采样电阻一定时,主回路的最大电流就被限定,即系统的功率等级被限定,很难实现功率型伺服系统。
在本方案中 ,采取霍尔电流传感器加取样电阻和IR2175 的方法来办理功率等级受限的问题,终极可实现功率型的位置伺服系统。
用霍尔电流传感器(可以根据功率等级的须要进行选型)对电机相电流进行采样,输出接一个取样电阻得到一个±260 mV 之间的电压。
将该电压作为 IR2175 的输入,IR2175 的输出通过光耦送入IRMCK 201 中进行打算。
一起电流反馈的示意图如图2 所示。

3.4 DSP 与 IRMCK201之间通信接口设计

DSP 的低 8 位数据线与 IRMCK201 的8 位并行数据线相连,将IRMCK201 作为DSP 的外围接口扩展芯片,用I/O 空间选择旗子暗记和并口的高三位旗子暗记通过GA L 进行译码作为它的片选旗子暗记。

在电动机运行过程中, DSP 要实时访问IRMCK 201的寄存器并进行配置,因此它们之间的通信对可靠性和快速性的 要 求 就 比 较 高 。
本 方 案 采 用 并 口 方 式 , 经G A L16V 8B 译码实现 DSP 与 IRMCK201 的准确 、可靠通信 。
图 3 为 DSP 与 IRMCK 201 的通信接口电路 。

4 系统程序设计

由于系统的电流环、速率环掌握和过流、过压 、欠压等保护功能都由IRMCK201内部硬件实现 , 以是系统软件紧张是用DSP 实现互换伺服系统位置环的掌握和对IRMCK 201 的通信。
比较之下 ,程序设计比较大略。
作为位置伺服系统,在定位掌握中, 必须担保以下3个方面的哀求:定位精度,哀求系统稳态偏差为零;定位速率,哀求系统有尽可能高的动态相应速率;哀求系统位置相应无超调。
本系统中位置环采取前馈掌握:按照给定变革进行掌握,当给定的变革涌现时, 调节器急速根据其性子和大小对被控参数进行掌握,使被控量能及时跟随给定值的变革,大大减小掌握的滞后。
当伺服系统引入前馈掌握后,永磁互换伺服系统的位置环掌握器传函构造模型伺服系统的等效构造如图4 所示。
为比例调节器加一个前馈补偿环节, K P P为位置环比例系数, K PR为前馈系数, T R 为前馈滤波韶光常数,这一构造可知足性能指标的哀求。
在前馈环节中加入低阶滤波器,可以有效抑制颠簸,减小超调。

当把电机参数测定之后,就可以根据电机的实际须要,选取得当的掌握器参数。
采取前馈掌握后, 位置跟踪滞后偏差可减小至20 %旁边, 从而大幅度提高位置掌握精度。
位置环中断处理子程序如图5 所示。

5 实验波形与结论

采取的电机为表面贴装式永磁同步电动机,图6 为无前馈时的位置跟随曲线,图7 为前馈掌握时的位置跟随曲线,图8 为位置给定后电动机的速率相应曲线。
实验表明 ,采取位置前馈掌握系统得到了快速的动态相应,同时担保了定位高精度和无超调。

本系统采取了IRMCK 201 芯片, 结合利用T I 公司的DSP 芯片T MS320LF2407 , 大大简化了系统的软硬件设计,缩短了系统开拓周期,提高了系统的可靠性,从而实现了高性能的互换伺服系统。
此系统已成功利用于电梯门机伺服系统和功率伺服系统。
实践证明 ,这种位置伺服系统是可靠的、高性能的 。
对此位置伺服系统作相应的改动 ,可以运用到其他伺服系统中 ,运用处所十分广泛 。