基于DSP的永磁同步电机矢量控制伺服系统研究
摘要
随着我国进一步提高国有装备制造业的发展战略地位，作为制造装备核心的伺服驱动系统的研究得到国内各科研机构、研究院校及相关企业的高度重视。现代伺服系统最璀璨的明珠——矢量控制交流永磁同步伺服系统，成为了我国伺服驱动系统制造业赶超国际先进水平的第一峰。本文以广州市某研发单位攻关项目为背景，从控制理论和工程应用两个方面，对永磁同步电机转子磁场定向矢量控制伺服系统进行了深入、全面的研究。
本文首先通过建立永磁同步电机数学模型，详细分析介绍了电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术以及矢量控制原理，并简要阐述了PMSM转子磁场定向矢量控制伺服系统的结构环节构成及其控制实现原理。
然后以TI公司TMS320F2812 DSP数字信号处理芯片为核心，辅以编程逻辑器件CPLD、智能功率模块IPM及其他相关外围电路，设计了一套FOC-PMSM矢量控制伺服驱动系统。并在硬件设计基础上，在TI公司DSP C2000系列集成开发环境CCS2下，分块设计了包括永磁同步电机矢量控制算法、SVPWM波的产生、电流及速度和位置中断采样等系统程序。
最后，在伺服系统基本的软硬件设计基础上，基于MATLAB对此伺服系统进行计算机仿真评估系统的仿真研究。仿真过程紧密联系了实际系统的软硬件的模块设计，从而使得最终给出的FOC-PMSM矢量控制伺服评估系统仿真模型极具可比性。后经仿真评估系统与实际系统的联合调试实验，测出了良好的实验结果波形及数据，验证了设计方案的基本成功，进一步的调试整定将可以使其满足高性能伺服系统的要求。
本文研制的交流永磁同步伺服系统在硬件与软件两方面的设计过程中，均具一定的前瞻性，可为我国交流伺服系统的研制和开发提供借鉴，并为后续的研发工作奠定了一定的基础。
Along with the unceasing development of modernized industry, the servosystem is widespread in many systems'applications day by day, at the same time, the higher performance of the servosystem is required. The PMSM-Servosystem can achieve the performances of high accuracy, high dynamic performance, wide-scope speed regulated or orientation control, so the study of Field Orientated Control(FOC) system of PMSM has become one of the key directions in the study of digital-controlled machine tool AC servo system.
This paper make an in-depth study on the Digitization PMSM Servo Driver, the main contents are: based on the mathematical model of PMSM and the principle of FOC and VC, this paper uses the Matlab/Simulink to build the simulation model of the FOC-PMSM Vector control Servo system.
In this foundation, the author design and fabricate the digital servosystem basing on the TMS320LF2812 DSP and CPLD, achieving the aim of locating the field orientation of the PMSM precisely. Furthermore, the author used the CAN、SCI controller embedded in the DSP to harmonize the parameters of the multi-PMSMs, and to monitor them remotely, making the AC servo system has the network function.
This paper describes the principles and the realization of the hardware and software of the servosystem detaily. Including: (1)the realization of high-performance driver the project realization are the key and difficulties.
Through debug this servosystem and experiment on it, proving that this system can satisfy the basic requests of the high-performance servosystem. All the work in this paper clarifies the principles, methods and performances of the PMSM FOC system, which has the reference significance for studying the PMSM FOC system and enhancing the system's performance henceforth.
本文首先通过建立永磁同步电机数学模型，详细分析介绍了电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术以及矢量控制原理，并简要阐述了PMSM转子磁场定向矢量控制伺服系统的结构环节构成及其控制实现原理。
然后以TI公司TMS320F2812 DSP数字信号处理芯片为核心，辅以编程逻辑器件CPLD、智能功率模块IPM及其他相关外围电路，设计了一套FOC-PMSM矢量控制伺服驱动系统。并在硬件设计基础上，在TI公司DSP C2000系列集成开发环境CCS2下，分块设计了包括永磁同步电机矢量控制算法、SVPWM波的产生、电流及速度和位置中断采样等系统程序。
最后，在伺服系统基本的软硬件设计基础上，基于MATLAB对此伺服系统进行计算机仿真评估系统的仿真研究。仿真过程紧密联系了实际系统的软硬件的模块设计，从而使得最终给出的FOC-PMSM矢量控制伺服评估系统仿真模型极具可比性。后经仿真评估系统与实际系统的联合调试实验，测出了良好的实验结果波形及数据，验证了设计方案的基本成功，进一步的调试整定将可以使其满足高性能伺服系统的要求。
本文研制的交流永磁同步伺服系统在硬件与软件两方面的设计过程中，均具一定的前瞻性，可为我国交流伺服系统的研制和开发提供借鉴，并为后续的研发工作奠定了一定的基础。
Along with the unceasing development of modernized industry, the servosystem is widespread in many systems'applications day by day, at the same time, the higher performance of the servosystem is required. The PMSM-Servosystem can achieve the performances of high accuracy, high dynamic performance, wide-scope speed regulated or orientation control, so the study of Field Orientated Control(FOC) system of PMSM has become one of the key directions in the study of digital-controlled machine tool AC servo system.
This paper make an in-depth study on the Digitization PMSM Servo Driver, the main contents are: based on the mathematical model of PMSM and the principle of FOC and VC, this paper uses the Matlab/Simulink to build the simulation model of the FOC-PMSM Vector control Servo system.
In this foundation, the author design and fabricate the digital servosystem basing on the TMS320LF2812 DSP and CPLD, achieving the aim of locating the field orientation of the PMSM precisely. Furthermore, the author used the CAN、SCI controller embedded in the DSP to harmonize the parameters of the multi-PMSMs, and to monitor them remotely, making the AC servo system has the network function.
This paper describes the principles and the realization of the hardware and software of the servosystem detaily. Including: (1)the realization of high-performance driver the project realization are the key and difficulties.
Through debug this servosystem and experiment on it, proving that this system can satisfy the basic requests of the high-performance servosystem. All the work in this paper clarifies the principles, methods and performances of the PMSM FOC system, which has the reference significance for studying the PMSM FOC system and enhancing the system's performance henceforth.
引文
[1] 刘栋良等．交流伺服及其控制策略综述[J]．电气时代 2006(2)：38-41
[2] 陈吉红等．发展我国伺服驱动产业的探讨[J]．伺服控制，2007(3)：12-15
[3] 尔桂花，窦曰轩．运动控制系统[M]．北京：清化大学出版社，2002．10
[4] 徐宏．基于DSP的永磁同步伺服系统的研究[D]．大连理工大学硕士论文，2006．6
[5] 王健．现代交流伺服系统技术和市场发展综述[J]．伺服控制，2007(1)：17-21
[6] 高扬．永磁交流伺服系统及其运动控制技术研究[D]．哈尔滨工业大学博士论文 2005．9
[7] 王晓明等．电机的DSP控制技术—TI公司DSP应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．3
[8] 刘栋良．永磁同步电机伺服系统非线性控制策略的研究[D]．浙江大学博士论文 2005．9
[9] 舒志兵等．交流伺服运动控制系统[M]．北京：清化大学出版社，2006．3
[10] 谢宝昌．电机的DSP控制技术及其应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．3
[11] 李圭等．基于TMS320F2812的永磁同步电机的伺服系统的研究[J]．自动化与仪器仪表，2007(1)：33-36
[12] 夏俭军等．一种高性能DSP芯片TMS320F2812[J]．微处理机2005(12)：80-83
[13] 刘和平等．TMS320C28X系列DSP指令和编程指南[M]．北京：清化大学出版社，2005．3
[14] 张卫宁．TMS320C28X系列DSP的CPU与外设(下)[M]．北京：清化大学出版社，2005．1
[15] 孙新建等．DSP芯片应用系列讲座(五)[J]．军事通信技术 2006(3)：77-80
[16] 骆品亮．自由软件开发的模块化理论解释与启示[J]．中国工业经济 2004(11)：75-81
[17] 马东玺等．数字伺服控制系统软件模块化设计[J]．软件技术2005(2)：86-88
[18] 刘和平等．TMS320LF240X DSP[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002．9
[19] 多摩川光电编码器应用手册(日文&英文)
[20] 陈荣．永磁同步伺服系统电流环的设计[J]．南京航空航天大学学报 2004(4)：220-225
[21] 武新伟等．交流伺服位置系统的数字PID控制[J]．机械工程与自动化，2006(8)：108-111
[22] PM5ORSD060 IGBT-IPM R series[EB/OL]. http://www2.scut.edu.cn/scutco/maindoc/techtrade/fuji/documents/datasheets/igbt/ipm/r-series/600V/PM50RSD060.pdf
[23] 姜燕平．多摩川绝对式编码器特点和应用[J]．技术应用 2005(3)：32-33
[24] Texas Instruments, Field Oriented Control of Three-Phase Permanent-Magnet Synchronous Motor, 2005
[25] 施丽婷等．数控交流伺服系统三环整定及应用[J]．南京工业大学学报，2006(7)：36-40
[26] 张海涛等．高精度机电伺服控制系统[J]．微特电机 2007(2)：35-38
[27] 李珂等．LEM传感器在变频器检测与保护电路中的应用[J]．电子元器件应用，2007(2)：68-71
[28] Bon-Gwan Gu、Kwanghee Nam, A Vector Control Scheme for a PM Linear Sychronous Motor in Extended Region, IEEE Transactions on Industry Applications Vol. 39pp. 1280-1287,2003
[29] 舒志兵．基CAN总线的伺服运动控制系统研究[J]．伺服控制，2006(9)：33-35
[30] Texas Instruments, Recommended Power Solutions for the TMS320x2810 /12 DSPS, 2005.2
[31] Texas Instruments , TMS320x28xx, 28xxx Serial Communications Interface (SCI) Reference Guide (Rev. B),2004.11
[32] Texas Instruments, TMS320x281x Event Manager (EV) Reference Guide (Rev. D),2006.8
[33] Texas Instruments, TMS320x28x, 28xxx Serial Peripheral Interface (SPI) Reference Guide (Rev. D),2006.1
[34] 陈伯时．电力拖动自动控制系统-运动控制系统(第3版)[M]．北京：机械工业出版社，2005．1
[35] Marco Tursini、Roberto Petrella、Francesco Parasiliti, InitialRotor Position Estimation Method for PM motors, IEEE Transations on Industry Applications Vol. 39 no. 6 pp. 1630-1640,2003
[36] Texas Instruments, TMS320F2810, TMS320F2811, TMS320F2812, TMS320C2810, TMS320C2811, TMS320C2812 DSPs(Rev. N),2006
[37] 莱姆LTSR系列电流传感器应用手册(中文)
[38] 李圭等．基于TMS320F2812的永磁同步电机的伺服系统的研究[J]．自动化与仪器仪表，2007(1)：33-36
[39] 赵文峰等．控制系统设计与仿真[M]．西安：安电子科技大学出版2003．6
[40] 刘丙友等．基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统主电路的设计[J]．伺服控制，2007(1)：57-59
[41] 薛定宇，陈阳泉．基于MATLAB／SIMULINK的系统仿真技术与应用[M]．北京：清华大学出版 2002
[42] Three phase current measurements using a single line resistor on the TMS320F240[R]. Texas Instruments Europe ,Literature Number: BPRA077, May 1998.
[43] Frede Blaabjerg, John K. Pedersen, Ulrik Jaeger, and Paul Thoegersen. Single Current Sensor Technique in the DC Link of Three-Phase PWM-VS Inverters A Review and a Novel Solution[J]. IEEETrans. On PE, Vol. 6,1991(1): 118-126.
[44] 王潞钢等．DSP C2000程序员高手进阶[M]．北京：机械工业出版社，2005．1
[45] 黄守道等．基于电流检测的零死区控制策略的研究[J]．控制技术，2006(5)：90-93
[46] 李洪文．基于TMS320F2812的多轴伺服控制系统的设计与实现[J]．伺服控制，2006(9)：39-42
[47] 任宝栋等．全数字化交流伺服控制系统的研究与设计[J]．伺服控制，2006(11)：42-44
[48] 万山明等．全数字化交流伺服系统控制环分析[J]．微电机，2005(9)：55-5
[2] 陈吉红等．发展我国伺服驱动产业的探讨[J]．伺服控制，2007(3)：12-15
[3] 尔桂花，窦曰轩．运动控制系统[M]．北京：清化大学出版社，2002．10
[4] 徐宏．基于DSP的永磁同步伺服系统的研究[D]．大连理工大学硕士论文，2006．6
[5] 王健．现代交流伺服系统技术和市场发展综述[J]．伺服控制，2007(1)：17-21
[6] 高扬．永磁交流伺服系统及其运动控制技术研究[D]．哈尔滨工业大学博士论文 2005．9
[7] 王晓明等．电机的DSP控制技术—TI公司DSP应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．3
[8] 刘栋良．永磁同步电机伺服系统非线性控制策略的研究[D]．浙江大学博士论文 2005．9
[9] 舒志兵等．交流伺服运动控制系统[M]．北京：清化大学出版社，2006．3
[10] 谢宝昌．电机的DSP控制技术及其应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．3
[11] 李圭等．基于TMS320F2812的永磁同步电机的伺服系统的研究[J]．自动化与仪器仪表，2007(1)：33-36
[12] 夏俭军等．一种高性能DSP芯片TMS320F2812[J]．微处理机2005(12)：80-83
[13] 刘和平等．TMS320C28X系列DSP指令和编程指南[M]．北京：清化大学出版社，2005．3
[14] 张卫宁．TMS320C28X系列DSP的CPU与外设(下)[M]．北京：清化大学出版社，2005．1
[15] 孙新建等．DSP芯片应用系列讲座(五)[J]．军事通信技术 2006(3)：77-80
[16] 骆品亮．自由软件开发的模块化理论解释与启示[J]．中国工业经济 2004(11)：75-81
[17] 马东玺等．数字伺服控制系统软件模块化设计[J]．软件技术2005(2)：86-88
[18] 刘和平等．TMS320LF240X DSP[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002．9
[19] 多摩川光电编码器应用手册(日文&英文)
[20] 陈荣．永磁同步伺服系统电流环的设计[J]．南京航空航天大学学报 2004(4)：220-225
[21] 武新伟等．交流伺服位置系统的数字PID控制[J]．机械工程与自动化，2006(8)：108-111
[22] PM5ORSD060 IGBT-IPM R series[EB/OL]. http://www2.scut.edu.cn/scutco/maindoc/techtrade/fuji/documents/datasheets/igbt/ipm/r-series/600V/PM50RSD060.pdf
[23] 姜燕平．多摩川绝对式编码器特点和应用[J]．技术应用 2005(3)：32-33
[24] Texas Instruments, Field Oriented Control of Three-Phase Permanent-Magnet Synchronous Motor, 2005
[25] 施丽婷等．数控交流伺服系统三环整定及应用[J]．南京工业大学学报，2006(7)：36-40
[26] 张海涛等．高精度机电伺服控制系统[J]．微特电机 2007(2)：35-38
[27] 李珂等．LEM传感器在变频器检测与保护电路中的应用[J]．电子元器件应用，2007(2)：68-71
[28] Bon-Gwan Gu、Kwanghee Nam, A Vector Control Scheme for a PM Linear Sychronous Motor in Extended Region, IEEE Transactions on Industry Applications Vol. 39pp. 1280-1287,2003
[29] 舒志兵．基CAN总线的伺服运动控制系统研究[J]．伺服控制，2006(9)：33-35
[30] Texas Instruments, Recommended Power Solutions for the TMS320x2810 /12 DSPS, 2005.2
[31] Texas Instruments , TMS320x28xx, 28xxx Serial Communications Interface (SCI) Reference Guide (Rev. B),2004.11
[32] Texas Instruments, TMS320x281x Event Manager (EV) Reference Guide (Rev. D),2006.8
[33] Texas Instruments, TMS320x28x, 28xxx Serial Peripheral Interface (SPI) Reference Guide (Rev. D),2006.1
[34] 陈伯时．电力拖动自动控制系统-运动控制系统(第3版)[M]．北京：机械工业出版社，2005．1
[35] Marco Tursini、Roberto Petrella、Francesco Parasiliti, InitialRotor Position Estimation Method for PM motors, IEEE Transations on Industry Applications Vol. 39 no. 6 pp. 1630-1640,2003
[36] Texas Instruments, TMS320F2810, TMS320F2811, TMS320F2812, TMS320C2810, TMS320C2811, TMS320C2812 DSPs(Rev. N),2006
[37] 莱姆LTSR系列电流传感器应用手册(中文)
[38] 李圭等．基于TMS320F2812的永磁同步电机的伺服系统的研究[J]．自动化与仪器仪表，2007(1)：33-36
[39] 赵文峰等．控制系统设计与仿真[M]．西安：安电子科技大学出版2003．6
[40] 刘丙友等．基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统主电路的设计[J]．伺服控制，2007(1)：57-59
[41] 薛定宇，陈阳泉．基于MATLAB／SIMULINK的系统仿真技术与应用[M]．北京：清华大学出版 2002
[42] Three phase current measurements using a single line resistor on the TMS320F240[R]. Texas Instruments Europe ,Literature Number: BPRA077, May 1998.
[43] Frede Blaabjerg, John K. Pedersen, Ulrik Jaeger, and Paul Thoegersen. Single Current Sensor Technique in the DC Link of Three-Phase PWM-VS Inverters A Review and a Novel Solution[J]. IEEETrans. On PE, Vol. 6,1991(1): 118-126.
[44] 王潞钢等．DSP C2000程序员高手进阶[M]．北京：机械工业出版社，2005．1
[45] 黄守道等．基于电流检测的零死区控制策略的研究[J]．控制技术，2006(5)：90-93
[46] 李洪文．基于TMS320F2812的多轴伺服控制系统的设计与实现[J]．伺服控制，2006(9)：39-42
[47] 任宝栋等．全数字化交流伺服控制系统的研究与设计[J]．伺服控制，2006(11)：42-44
[48] 万山明等．全数字化交流伺服系统控制环分析[J]．微电机，2005(9)：55-5