1、 基于 DSP 和 FPGA 的 交流伺服 系统 研究 摘 要 随着电力电子技术和微处理器技术的 发展 ， 交流伺服系统已经广泛应用于数控机床、家用电器 等多种工业产品中。而 交流永磁同步电机 (PMSM)由于高转矩、低损耗、脉动小、电气时间常数小等物理特点 ，使其成为高精数控加工的最佳执行机构。 开发一个基于 交流 永磁伺服电机的高精度， 快响应、强稳定 性 的 伺服系统有着十分重要的实际意义。 本文首先对交流伺服系统的基本概况做了阐述，推导了永磁同步电机的数学模型，介绍了电压空间矢量的控制方法，设计了三闭环控制系统，给出了位置环、速度环和电流 环控制器的设计方法，其中对位置环和速度环采用了
2、鲁棒性很强的滑模变结构控制方法，对电流环采用了经典的 PI 控制 ，通过 MATBAL 仿真验证了 此控制 系统的可行性。在硬件结构上采用 IPM DSP FPGA 结构，其中 IPM功率模块完成功率驱动， DSP 完成控制算法和通讯， FPGA 完成对霍尔信号的检测、码盘信号的读取、键盘的扫描、显示器的动态刷新、保护信号的处理等功能。此 结构使 DSP 和 FPGA 充分发挥各自的优势，同时在性能上还弥补了各自的不足，节约了大量时间和资源，提高了系统的性能。最后对整个系统的软件做了介绍，给出了主要 部分的流程图及部分代码。 关键字：交流伺服； PMSM； DSP； FPGA； SVPWM；滑
3、模变结构控制； PI Reseach of AC Servo System based on DSP And FPGA Abstract With the rapid development of the AC servo technology which based on power electronics technology and microprocessor technology, the AC servo system has been appliced in CNC machine tools, household appliances and many other indust
4、rial products widely. PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) has many good characteristics such as high torque, low wastage, low pulse, low electric time constant and etc, which make PMSM become the best implement in high precise CNC. Herefore, it is of practical significance to develop high accu
5、racy, fast response and strong stability servo control system. First of all, the general situation about AC servo technology is given. On the base of introducing the mathematics model of PMSM, SVPWM method is put forward. Secondly the paper degigns a three close loop contol system, giving the design
6、ing details in position loop controller, speed loop and the circuit loop. The position loop and the speed loop take the sliding mode variable control method which has high robustness and the circuit loop takes the classical PI control method. According to the result of simulation by MATBAL, the syst
7、em is feasible.Then the paper introduces the hardware system based on IPM+DSP+FPGA. IPM module accomplishes power diver. DSP finishes the works including AC servo control algorithm and the communication. FPGA achieves the purposes including detecting the hall signal, reading code disc signal, scanni
8、ng the keyboard, dynamic refreshing the LED display, dealing with protection signal and etc. This hardware system makes DSP and FPGA full play each ones advantages and make up each ones disadvantages, which not only saves much time, but also improved the efficiency of whole system. Finally, the pape
9、r introduces the software system by giving the main flow chart and some codes. Keywords: AC servo; PMSM； DSP; FPGA; SVPWM; sliding mode variable control; PI 目 录 第 1 章 绪论 . - 1 - 1.1 交流伺服系统简介 . - 1 - 1.2 交流伺服系统的发展过程与趋势 . - 2 - 1.3 交流伺服系统的控制方案 . - 4 - 1.4 本文的研究目的和意义及内容安排 . - 5 - 第 2 章 PMSM 的结构和数学模型 .
10、- 7 - 2.1 PMSM 的结构 . - 7 - 2.2 PMSM 的数学模型 . - 8 - 2.3 本章小结 . - 11 - 第 3 章 PMSM 交流伺服系统的控制方案 . - 12 - 3.1 PMSM 的矢量控制系统 . - 12 - 3.2 位置环和速度环滑模变结构控制器的设计 . - 16 - 3.3 电流环 PI 控制器的设计 . - 22 - 3.4 本章小结 . - 26 - 第 4 章 PMSM 交流伺服系统仿真 . - 27 - 4.1 SVPWM 仿真 . - 27 - 4.2 PMSM 交流伺服系统仿真 . - 30 - 第 5 章 PMSM 交流伺服系统的硬
11、件设计 . - 36 - 5.1 交流伺服硬件系统的总体结构 . - 36 - 5.2 主功率电路 . - 36 - 5.3 DSP 硬件系统 . - 40 - 5.4 FPGA 硬件系统 . - 43 - 5.5 DSP 和 FPGA 总线接口电路 . - 49 - 5.6 系统电源电路 . - 50 - 5.7 本章小结 . - 52 - 第 6 章 PMSM 交流伺服系统的软件设计 . - 53 - 6.1 软件的总体设计方案 . - 53 - 6.2 DSP 软件系统 . - 53 - 6.3 FPGA 软件系统 . - 63 - 6.4 本章小结 . - 67 - 第 7 章 总结与
12、展望 . - 68 - 参考文献 . - 70 - - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 交流伺服系统简介 伺服来自英文单词 Servo，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。 伺服系统 的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。在 20 世纪 60 年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在 70 年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。我们通常说的 伺服驱动 器已经包括了 控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功
13、率 步进电机 直接驱动的开环伺服系统曾经在 90 年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。进入 21 世纪，交流伺服系统越来越成熟，市场呈现快速多元化发展，国内外众多品牌进入市场竞争。目前交流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术之一。 典型交流伺服系统结构如图 1-1 所示。将输入信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统 的跟随误差，对其进行放大，经驱动电路，控制执行元件带动被控对象运动，直到跟随误差为零 1。交流伺服系统主要包括功率驱动单元、位置控制器、速度控制器、电流控制器、位置 /转速反馈单元及电流反馈单元等。 位 置控 制单 元功 率驱 动单 元电 流控
14、制单 元速 度控 制单 元位 置 检 测 单 元P M S M电 流 反 馈 单 元S控 制 单 元图 1-1 交流伺服系统的基本结构 交流伺服电机 作为交流伺服系统的执行元件，交流伺服电机应尽可能以准确、快速的动作完成系统运动指令要求的任务。所以，交流伺服电机应具备体积小、重量轻、大转矩输出、低惯性、良好的控制性能和制动性能、宽广的调速范围、转矩脉 动小等特点 23。 - 2 - 在交流伺服系统中，电机的类型有永磁同步交流伺服电机（ PMSM)和感应异步交流伺服电机 (IM)，其中，永磁同步电机具备十分优良的低速性能，可以实现弱磁高速控制，调速范围宽广，动态特性和效率都很高，已经成为伺服系统
15、的主流之选。而异步伺服电机虽然结构坚固、制造简单、价格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率场合得到重视。本文的研究对象是交流永磁同步伺服系统。 功率驱动单元 功率驱动单元采用三相全桥不可控整流，三相正弦 PWM 电压型逆变器变频的 AC-DC-AC 结构。为避免上电时出现过 大的瞬时电流以及电机制动时产生很高的 “泵升电压”，设有软起动电路和能耗泄放保护电路。逆变部分采用集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块 (PIM)，开关频率可达 20Hkz。 控制单元 控制单元是整个交流伺服系统的核心，包含系统位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。现代交流伺服系统采用微处理器
16、进行全数字化控制，使伺服系统控制进入智能化阶段，其中 DSP 以其高速计算能力和特殊的硬件结构成为伺服控制系统中的主流处理器。 检测装置 检测装置是交流伺服系统的重要组成部分，是构成系统闭环的关键，直接关系 到系统的静态及动态特性，也是系统发现故障、触发保护动作的依据。目前常用的位置传感器主要有高分辨率的旋转变压器和光电编码器等，转速信息可以通过对位置信息进行微分运算得到，所以位置传感器也可作为速度传感器 4。永磁同步电机的三相定子电流一般采用霍尔效应电流传感器进行检测。 1.2 交流伺服系统的发展 过程 与趋势 交流伺服系统的发展紧密地与伺服电机的不同发展阶段相联系，迄今为止经历了三个主要发
17、展阶段 3： 第一阶段： 20 世纪 60 年代以前，主要以步进电机驱动液压伺服马达或者以功率步进电机直接驱动，具有响应时间短，驱 动部件外形尺寸小等优点，伺服系统的位置控制多为开环系统。这一时期是液压伺服系统的全盛期。但也存在一些缺点 ： 发热大、效率低、易污染环境、维修困难等。 第二阶段： 20 世纪 60、 70 年代，这是直流伺服电机诞生和全盛发展的时期。直流电机是自然解耦的，电磁转矩和电枢电流成正比，转矩响应速度快，具有良好的调速性能。随着大功率晶体管的应用，电流控制性能大大提高，在很多高性能驱动装置中广泛采用直流电机，伺服系统的位置控制也由开环发展成为闭环。但是，直流电机有一个致命
18、弱点，即机械换向时会产生电火花，这就加重了电刷和换向器的维 修工作量，而且，不适于在易燃、易爆、多尘的环境中应用。 - 3 - 第三阶段： 20 世纪 80 年代至今，以机电一体化发展为时代背景。由于伺服电机结构及永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电机 (方波电流驱动 )、交流伺服电机 (正弦波电流驱动 )等多种新型电动机，同时，电力电子技术、微处理器的迅速发展引发了伺服驱动装置经历了模拟式、数字模拟混合式和全数字化等几个发展时期 。 在交流伺服研究领域，日本、美国和欧洲的研究一直走在世界前列。日本的安川公司在 20 世纪 80 年代中期研制成功世界上第一台交流伺服驱动器。随后
19、FANUC、三菱、松下等公司先后推出各自的交流伺服系统，国外的这些产品大多是基于异步电动机的。国内在基于异步电机交流伺服系统的研究比较晚，到目前为止还没有产品问世。国内很多学者把研究的重点放在永磁同步电机伺服系统上。我国的华中科技大学、北京机床研究所、西安徽电动机研究所、中科院沈阳自动化研究所、兰州电动机厂等单位开始研究并推出交流伺服系统。其中，由广州数控公司生产的 DA98 全数字式交流伺服驱动装置在我国的高精度数控伺服驱动行业已经打开局面，打破了外国公司垄断的局面，开创了民族品牌新纪元。 交流伺服的信号和数控系统接口 由三种模式，也是它经历的三个阶段。以国内来说，广州数控的 DA98 属于
20、第一代也是划时代的一种伺服驱动器，它接收方向脉冲。第二代是以埃斯顿为代表的 EDB 系列，它不仅能够接收脉冲信号，还能接收速度控制或是转矩控制的模拟量的输入。第三代是网络化交流伺服系统。它是工业现场总线技术和全数字化交流伺服的有机结合，全数字化交流伺服技术可以使用户根据负载状况调整参数，也省去了一些模拟回路所产生的漂移等不稳定因素。采用基于现场总线的网络控制技术，将微处理器和现场总线接口置入全数字型交流电机伺服驱动器，形成智能型独立的全数字伺服 控制的单元，将其直接连接到工业现场总线上，就形成了新型的基于现场总线的网络控制系统。减少了硬件数量和连接，各智能单元结构上独立自主，可与外界以及相互间
21、实现数据共享，而且可以加挂其它现场控制设备，易于扩展。到目前为止网络化交流伺服器在国内还没有成熟产品。北京航空航天大学机器人研究所开发设计了一种DSP+FPGA+ASIPM 的网络化交流伺服控制系统，原理样机已在三维雕刻机上得到了初步的验证 56。 目前的伺服器驱动器内部大多采用高速 DSP 处理器，推进了 各种先进的运动控制算法在新兴驱动器上的使用。在硬件结构 上各大伺服系统供应商大多采用DSP+CPLD(FPGA)结构，由于 DSP 和 CPLD(FPGA)可重复编程性，可以实现交流伺服系统的模块化可重构。只要为系统配置相应不同的软件（包括控制算法）就可以控制和驱动异步电机、永磁同步伺服电
22、机、无刷直流电机，而通过对 FPGA的重新配置还可以驱动直线电机和三相感应式高压步进电机。这就为数控机床的升级以及革新留下了很多的空间。 随着生产力的不断发展，交流伺服系统向着高度集成化、智能化、网络化和- 4 - 从故障诊断到预测性维护方向发展。 高度集成化 新的伺服系统产品改变了将伺服系统划分 为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成化、多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变其性能，既可以使用电机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个
23、控制系统的体积，使得伺服系统的安装与调试工作都得到了简化。 智能化 最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面：首先他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机 对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数可以在线由上位计算机加以修改，应用起来十分方便 ;其次它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性；除以上特点之外，伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统的参数整定是保证系统性能指标的重要环
24、节，带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统的参数整定出来，并自动实现其最优化。 网络化 网络技术将交流伺服电机驱 动器、运动控制卡、上位控制计算机通过网络连接，构成系统的解决方案，通过网络进行高速数据传输，可以实现分布式控制和一体化管理。分布式交流伺服系统已经走向市场，罗克韦尔的 SERCOS、伦茨的 SystemBus 及 RS485、 CANBus、 Profibus、 Interbus、 DeviCeNet 等均可以运用于永磁同步电机控制系统中。 从故障诊断到预测性维护 随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊断和保护技术 (问题发生的时候判断原因并采取措施避免故障扩大化
25、 )已经落伍，最新的产品嵌入了预测性维护技术，使得人们可以通 过 Internet 及时了解重要技术参数的动态趋势，并采取预防性措施。 1.3 交流伺服系统的控制方案 交流 伺服系统 的控制方案主要有调压调频控制 (VVVF)、矢量控制 (Field Oriented Control，即 FOC)和直接转矩控制 (Direct Torque Control，即 DTC)。 8 （ 1） VVVF(Variable Voltage and Variable Frequency) 意为：可变电压、可变频率 。 VVVF 控制的逆变器连接电机，通过同时改变频率和电压，达到磁通恒定（可以用反电势 /频
26、 率近似表征）和控制电机转速（和频率成正比）的目的 。- 5 - 逆变器调制采用 PWM 方式。 VVVF 属于开环控制， 没有 反馈信号，无法即时观测电机状态，不能精确控制电磁转矩，仅适于风机、水泵等无需精确控制的场合。文献 7将 VVVF 应用于异步电机调速中，设计出了结构简单、性能可靠的调速系统。 （ 2）矢量控制（ Transvektor Control） 1971 年，德国西门子公司 F.Blaschke 等发表的论文感应电机磁场定向的控制原理和美国 P.C.Custman 与 A.A.Clark 申请的专利感应电机定子电压的坐标变换控制 使交流电机控制理论获得了第一次质的飞跃。其
27、基本 原理为： 它以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态特性。 矢量控制方法实现过程中需要复杂的坐标变换且对电机的参数依赖性很大。 矢量控制适用于宽范围调速系统和伺服系统 。 （ 3）直接转矩控制（ Direct Torque Control） 1985 年，德国鲁尔大学 M.Depenbrock 教授提出了直接 转矩控制系统，又称直接自控制系统 DSR（德文 Direkte Selbstregelung）。随后日本学者
28、I.Takahashi也提出了类似的控制方案。与矢量控制不同，直接转矩控制放弃了旋转坐标变换，而是在静止两相坐标系上控制转矩和定子磁链。其磁场定向所用的是定子磁链，因此，直接转矩控制无需 解耦 且避免了矢量控制中控制性能易受电机参数变化影响的问题。但是直接转矩控制在理论和实践上还不够成熟，还存在转矩脉动大、低速性能差等问题。 直接转矩控制适用于需要快速转矩响应的大惯量运动控制系统（如电气机车） 9。 本文采用 矢量控制方案。 1.4 本文的研究目的和 意义及 内容安排 以电力电子技术和微处理器技术为基础的交流伺服技术发展迅速，交流伺服系统 以其相对于直流伺服系统的优点，赢得了更加广泛的应用领域
29、，如 数控机床、家用电器、等多种工业产品中。 而交流永磁同步电机 (PMSM)由于高转矩、低损耗、脉动小、电气时间常数小等物理特点，使其成为高精数控加工的最佳执行机构。 因此 开发一个基于交流永磁伺服电机的高精度，快响应、强稳定性的伺服系统有着十分重要的实际意义。 传统的基于单片机的电机控制系统，需要较多的外部硬件，运算速度不高，难以实现一些 较为复杂的控制算法，适时性很难得到保证，因而随着对控制性能越来越高的要求和控制方法复杂度的提高 ，基于单片机的控制系统 已经很难适应实际的要求。 FPGA 的大集成度可以替代多块集成电路和分立元件组成的电路，实现复杂的逻辑功能，并且可以替代微处理器完成部
30、分功能，减轻核心处理器的- 6 - 负担 10。而 DSP 具有很快的数据处理速度和超强的数据处理能力，所以采用FPGA+DSP 结构不仅使其控制系统的体积大大缩小，可靠性明显提高，而且还便于一些先进控制策略的实现， 实现全数字化， 对推动伺服系统智能化发展具有重要意义。 复杂的伺服 系统 很难建立精确的数学模型，只能 忽略一些不确定的参数误差和外干扰等，建立近似的数学模型，从近似的数学模型出发设计的控制器往往其可靠性得不到保证，如何结合现在控制理论的发展，采用先进的控制策略，改进控制器的性能 具有一定的理论和工程实际意义。 本文内容安排如下： 第 1 章 ： 绪论， 对 交流伺服系统 及其发
31、展 过程 和趋势，以及控制策略 的 作了综述 ，然后介绍了 本文 研究 的目的和意义 。 第 2 章 ： 介绍了 PMSM 的结构及其各种坐标下的数学模型。 第 3 章：介绍了交流伺服系统的控制方案，首先 在 PMSM 数学模型的基础上，对矢量控制的原理进行 推导，确定 了 伺服控制方案 ，设计了 三个闭环的控制器 ， 其中位置环和速度环采用滑模变结构控制方法，位置环采用 PI 控制方法。 第 4 章 ： 对系统在 MATLAB 下进行仿真，验证了整个控制系统的可行性。 第 5 章：介绍了 系统的硬件电路设计。包括：主功率电路、位置速度检测电路、采样电路、 A/D 转换电路、保护电路和电源电路
32、等。 第 6 章 ： 介绍了 系统的软件设计。包括：主程序、 T1 中断程序、键盘处理显示程序、 SVPWM 程序和 FPGA 模块设计等。 第 7 章 ： 最后总结了本文的工作，并对下一步的工作进行展望。 - 7 - 第 2 章 PMSM 的结构和数学模型 2.1 PMSM 的结构 永磁同步电动机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波（方波）。因此，永磁同步电机可分为正弦波永磁同步电机（ PMSM）和方波永磁同步电机。方波永磁同步电机也称为直流无刷电机（ BLDCM）。本
33、文中所说的永磁同步电机均是指正弦波永磁同步电机。 永磁同步电机 结构 可分为永磁同步电机定子结构与普通同步电机相比，差别不大，由三相电枢绕组和铁心构成，且三相电枢绕组通常按星形连 接。 在定子空间上三相对称绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速 n 为： psnfn 60 （ 2-1） 式中 n 是同步转速， f 为定子电源频率， pn 为永磁同步电动机的极对数。 其 转子采用永磁体，省去了励磁绕组、滑环和电刷，电机结构显得比较简单。永磁同步电机需要安装转子位置检测器，用于检测转子磁极位置，对电枢电流进行控制，从而控制永磁同步电机。永磁同步电机常用的转子位置检测器有旋转变压器或光电编码器，与转子同轴安装。 图 2-l给出了 PMSM 的结构图。 图 2-1 永磁同步电机的结构 ( a ) 永磁同步电机结构图NSABBCCA定子转子定子绕组( c ) 隐极式( b ) 凸极式磁性材料转子定子
