基于DSP和FPGA的三相異步電機矢量伺服系統

引言

隨著電力電子技術、微電子技術及交流伺服控制理論的發展，交流伺服驅動已經具有可與直流伺服驅動相比擬的性能，并且交流伺服傳動技術已廣泛應用于印刷、數控機床、食品包裝、紡織、塑料、電子半導體等行業[1]。交流伺服傳動系統的電機一般又分為交流永磁同步電機和鼠籠式交流異步電動機，在小功率范圍交流永磁同步伺服系統有一定的優勢但是在大功率伺服系統中，鼠籠式異步電機因結構簡單、制造容易、價格低廉、應用范圍廣、過流能力大的特點而得到廣泛應用[3]。筆者研制了一套基于ASIPM、現場可編程邏輯門陣列（FPGA）和專用的數字信號處理器 （DSP ）的鼠籠式三相異步電動機伺服系統，本文介紹了系統控制原理、硬件和軟件的設計，通過實驗對其進行了驗證。

1系統控制原理

感應電動機的矢量控制通常按照定子磁鏈Ψs、轉子磁鏈Ψr和氣隙磁鏈Ψm來定向[6]；根據磁鏈位置檢測方式的不同，矢量控制可分為直接矢量控制和間接矢量控制。該系統采用定向于轉子磁鏈Ψr利用轉差關系來估計磁鏈相對于轉子的位置的間接矢量控制，通過采用坐標變換實現對電動機定子電流的解耦；采用可在任何速度范圍內使用的基于電流模型估計，即利用速度信號和電流信號估計轉子磁鏈分量 和 [2]。
系統控制框圖如圖1所示。

2控制系統的硬件設計

以DSP為核心的伺服系統硬件如圖3，整個系統的控制電路的核心由DSP + FPGA組成。

2.1主控電路
其中FPGA，型號為Xilinx 的XC3S400，主要用于信號的邏輯控制以及開關驅動信號的輸出控制等。DSP型號為TMS320F2812，作為控制核心，接受外部信號后控制伺服系統的工作參數，并轉換成逆變器的開關信號輸出，該信號經隔離電路后直接控制ASIPM模塊給電機供電。

2.2功率電路
整個主電路先經不控整流，后經全橋逆變輸出。功率變換電路中采用三菱公司的一體化智能功率模塊（ASIPM）PS12036。該模塊采用15A，1200V的功率管，內部集成了驅動電路，并設計有短路、過電流、欠電壓等故障檢測保護電路。系統電源采用變壓器降壓隔離二極管整流濾波后由線性穩壓電源和開關電源為各部分提供電源，主要包括DSP和FPGA.、電流采樣和處理電路、光電編碼器接口電路、7路PWM信號的驅動電源、串口電路和保護電路。

2.3電流采樣電路
本系統的設計要求采樣三相電流，采樣電路采用霍爾傳感器并經AD模擬電路限制在0V～3.0V的電壓范圍內，然后送人DSP的AD轉換器中。

2.4轉子速度位置檢測電路
電機反饋采用增量式光電編碼器，該編碼器分辨率為2000線/轉，輸出脈沖信號A、B、Z，信號A、B相位依次相差90°（電角度），DSP通過判斷A、B的相位和個數可以得到電機的轉向和速度。Z信號每轉一圈出現一次，用于位置信號的復位。光電編碼盤脈沖信號經過接口電路隔離電平轉換后送入DSP，經內部QEP電路實現四倍頻，因此電機每圈的脈沖數是8000線/轉。

3系統軟件實現方案
本系統的軟件在結構上可分為主程序和PWM中斷服務子程序。主程序只完成系統硬件和軟件的初始化任務，然后處于等待狀態。完整的磁場定向實時矢量控制算法在T1定時器下溢中斷服務程序中實現。
位置速度的采樣利用DSP的QEP單元，為了電動機轉速的穩定采用了變周期采樣對不同速度段的采樣周期不同。電流采樣利用TMS320F2812自帶的AD轉換模塊，同時對信號進行數字濾波。電流環和速度環采用的是PID調節器；為了實現位置跟隨的快速性和無超調性，位置環采用變比例調節器。空間矢量PWM（SVPWM）根據逆變器的開關邏輯將轉子磁場空間劃分為6個區域，在各區域對定子電壓矢量進行分解，從而得到產生實際PWM波形所需的參數。
為了提高數字的表示范圍和運算的精度，增強程序的可移植性，將運算量進行標幺化處理，就是將運算量與其最大值或額定值進行比較，這樣預算量都化為小數，為了滿足TMS320F2812的定點運算的要求，利用IQmath程序庫中_iq（）可將小數轉成整數形式，即小數的Q格式[5]。這樣浮點運算就轉換為速度快得多的整型運算。

4實驗結果及結論
本實驗ASIPM選用三菱公司的PS12036, 實驗電機的額定功率2.2kW, 額定線電壓380 V，額定頻率50 Hz，額定電流4A，Y型接法。SVPWM波的載波頻率為10kHz。實驗波形如圖7，圖8所示。這些波形驗證了 SVPWM的正確性，且逆變器輸出電流的諧波成分減小，說明了該系統控制精度高，具有良好的動、靜態特性。

5結束語
本文所研究的交流伺服系統，充分利用DSP和FPGA的外圍電路和控制接口，簡化了硬件設計，同時在軟件設計中采用模塊化方法方便復雜程序的編寫。實驗結果顯示該系統具有良好的控制性能。隨著工業生產中不斷增長的高精度、高可靠性的需求，交流伺服系統的應用將越來越廣泛。