王艾萌，张丽，李和明

(华北电力大学电气工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

随着电力电子技术、传感器技术，电机控制理论的不断发展，高性能交流永磁同步电机伺服控制系统在许多的高科技领域得到了广泛的应用，如数控机床，航空航天，雷达与各种军用武器跟随系统及卫星天线系统等。其中，卫星天线伺服系统的主要任务是保证卫星天线的主轴可靠、稳定地旋转，提供精确的角位置测量数据，在转动部分和固定部分之间传输电源能量，遥感数据、工程遥感数据和遥控指令［1～4］。本文根据卫星天线系统的高精度控制要求，设计开发了一种以TMS320F2812电机专用芯片和CPLD为主要控制芯片，基于SVPWM的矢量控制和在线参数估计算法的交流永磁同步电机数字化伺服系统。该伺服系统经过实验验证具有较好的动、静态特性，稳定的速度调节，具有较好的工作特性。

1 伺服系统的硬件设计

根据控制要求结合DSP和CPLD芯片简化硬件设计，提高系统的可靠性。伺服控制系统的硬件部分主要包括功率驱动电路和控制电路两部分。功率驱动电路主要包括整流、逆变、驱动、制动等电路。同时，为了保证系统的安全和稳定，设计完成了主回路的过压、欠压、过流、过热等故障保护电路。功率驱动结构图如图1中的虚线框内所示。其中整流逆变电路通过BSM25GP120芯片实现，驱动芯片采用international rectifier公司生产的驱动芯片 IR2335。CPLD芯片采用XC9536XL－10VQ44I，实现了控制器的扩展管理功能，主要完成PWM信号电平转换电路、故障信号显示和逻辑处理等功能。过压保护原理如图2所示。电压信号为高压侧直流侧分压得到，电压信号与R2上的电压进行比较，通过比较器LM319决定三极管9013的关断和开通。当9013开通时，光耦PS2501导通，故障信号HV_S电平降低，发出故障信号。其它保护电路原理与过压保护的工作原理相似。

2 伺服系统的矢量控制

针对卫星天线的伺服驱动系统要求和特点，选择永磁同步电机作为伺服电机。永磁电机具有直流电机所不具有的电机体积小、无电刷、免维护、转动惯量小、控制简单及感应电机不具有的效率高、功率密度高等优点［2，3］。根据永磁同步电机的特性建立其数学模型，永磁同步电机在旋转坐标系下的电压方程:

采用磁场定向控制时，转矩方程为

转矩是关于q轴电流的线性方程，定子电流与转子永磁磁通互相独立解耦，使控制系统简单，转矩特性好，此时可以得到最大的转矩输出，同时提高运行效率。ud为定子电压d轴分量;uq为定子电压q轴分量;id为定子电流的d轴分量;iq为定子电流的q轴分量;ω为电角速度;Ψf为永磁磁链;p为电机极对数。

基于SVPWM的磁场定向矢量控制调速系统结构框图如图3所示。

图3 基于SVPWM的磁场定向矢量控制系统结构框图Fig.3 Diagram of the control system based on SVPWM and field oriented vector control

3 电机参数估计

考虑到电机参数对系统运行和性能的重要性，为了提高伺服系统的性能，在设计的伺服系统中提出了电机电感参数的在线估计算法，可以实现对电感参数的在线估计。运用在线估计算法得到的参数对调速系统进行控制，可以提高系统控制的鲁棒性和控制精度。电机参数估计算法可以提高伺服系统的性能要求，易于扩大该伺服控制系统的高性能控制应用领域。在线参数估计算法针对的参数是独立的，即与其他参数之间不存在耦合现象。首先，根据电机的稳态运行时的数学模型，即式 (1)中微分项为0，建立电感参数的在线估计数学模型［6］:

该模型可以应用到凸极永磁同步电机和隐极式永磁同步电机进行电感参数的估计。由式 (3)可以看出，在线估计电感参数受电压、电流和速度波动因数的干扰，易使参数误差较大，使参数的精度和稳定性降低。根据模型参考自适应的基本思想，即误差经过自适应机构对模型进行校正，使得模型动态过程与实际动态过程尽可能一致［7］，得到q轴电感参数的估计模型，如图4所示。其中，Ud为电流控制器输出的d轴电压值，Leq为电机额定运行时的电感值，在电机启动瞬间，可以提高参数估计模型的快速性和准确性。Lqg为在线估计得到的电感值。该算法简单，易于软件编程实现。

图4 q轴电感在线参数估计模型Fig.4 On－line estimation model of the q－axis inductance

4 DSP数字控制系统

为了达到高精度的伺服驱动性能指标，系统采用TI公司生产的适用于电机控制的数字信号处理器(DSP)TMS320F2812。该芯片是32位高性能定点数字控制芯片，时钟频率可达150 MHZ，能够满足高速的处理要求和实时控制［5］。根据基于SVPWM的磁场定向的控制系统建立了系统软件控制流程图。图5所示为永磁同步电机伺服控制的部分软件流程。

图5 永磁同步电机伺服控制系统部分流程图Fig.5 Program flow chat of the PMSM servo system

4.1 转子位置角检测和速度检测

在数字控制的伺服系统中，转子位置对于整个系统的运行性能起着关键的作用，只有精确的位置测量才能实现位置和角度的无误差跟踪。在本系统中，采用有位置传感器的检测方法，该方法比无位置传感器检测方法使电磁转矩在启动过程中脉动较小，转速调整时间较短及启动运行速度较快，虽然使系统体积和成本有所增加，速度超调量较大，但却保证了调速系统的快速动态响应特性［8，9］。位置角的检测采用增量式光电编码器作为传感器，产生正交编码脉冲 (正交脉冲是两个频率可变，但是固定90°相位差的脉冲序列)，然后通过DSP的编码脉冲电路 (QEP)对其解码和计数。TMS320F2812每个事件管理模块 (EVA和EVB)都具有正交编码脉冲电路，该电路被使能后，引脚CAP1/QEP1和CAP2/QEP2接收脉冲，可通过两路正交脉冲先后顺序判断转动方向，根据脉冲个数确定电机转子位置角度［5］。

根据得到的转子位置信息进行转速计算。对编码器线数和转速环节采样时间及控制指标三方面进行衡量，采用M法进行速度计算，即通过单位时间转过的角度大小来计算速度。M法的原理为［8］

式中:K1=1/(fbT)，其中，fb为基本频率;T为假设的采样时间周期。式 (4)可以看作一个纯微分环节的计算，为了减小由于纯微分引起的噪声放大，在本设计中添加了一个一阶低通数字滤波器来优化速度。软件可实现的离散化的一阶低通滤波器的数学表达式为式 (5)，式中fc为截止频率，为自行设定参数。

4.2 SVPWM信号的软件实现

SVPWM的算法实现了合成矢量所在扇区的判断，及所在扇区相邻基本电压矢量和零矢量的作用时间计算，结合DSP内部的比较电路和PWM电路最终产生带死区补偿的SVPWM信号。TMS320F2812的每个事件管理器都有三个带可编程死区的比较单元，每个比较单元都产生两路对称的PWM信号输出，可用于控制逆变器的上下桥臂，因此三个比较单元共可以产生三对对称的PWM信号，可实现对三相逆变器的控制［5］。DSP内部的PWM电路方便地通过软件对其可编程死区寄存器进行配置来实现死区，这样可以避免使用模拟器实现死区时间，也就不存在模拟器件的特性漂移和偏差问题，使系统的控制更加可靠。

4.3 定子电流的检测

对于整个伺服闭环系统，电流环是其中的核心环节，闭环系统需要及时获得准确的实际电流，以实现电流的实时跟踪。为了满足系统电流环的响应速度，文中电流检测环节采用霍尔电流传感器，将电流信号转换成电压信号，经过滤波电路放大成0～3 V区间内变化的模拟电压信号，输入到DSP芯片内的A/D模块变换得到数字信号。TMS320F2812片上集成有两路相对独立的带流水线的A/D转换器。每路各有一套采样保持电路、A/D转换内核和8路模拟信号输入选通电路。总共可以实现16路模拟信号的采样［5］。对模拟和数字的转换启动后，排序寄存器可以自动进行排序，根据软件设定的转换通道，自动完成转换。本设计对转换后的处理采用查询方式，这样可以减少中断次数，提高系统的顺序控制的可靠性。

5 伺服系统的性能分析

对于卫星天线数字化伺服系统，完成了以TMS320F2812和CPLD为核心控制芯片的系统硬件的设计制造和软件调试，对整个系统的性能进行了实验研究和分析。实验电机采用400 W电机，基本参数如表1。

表1 400 W电机参数Tab.1 400 W PM motor parameters

在实验平台上实现基于SVPWM 的磁场定向控制的伺服系统，系统频率为12 kHz。设计中的死区时间是通过软件设定的，由于电力电子器件的影响最终触发开关管的触发脉冲的死区时间小于设定，为了保证安全，对最终的触发脉冲进行测量以确定其死区时间，波形如图6所示;转速阶跃的波形变化和相应的相电流的波形变化如图7所示;电机不同转速和相应相电流的波形如图8所示;额定转速情况下线电压波形如图9所示。

图6 触发脉冲死区波形Fig.6 Trigger pulse waveform considering the dead time

实验对设计的卫星天线伺服系统的静态特性，超调量、速度比、速度环带宽等主要性能指标进行测试。

静态特性，指转速调节线性误差。以300转为步长给定从0到3000 r/min，总共对10个测定点进行实验分析，由实验结果分析得出线性误差≤±0.08%，满足卫星天线伺服系统≤±0.1%的性能指标要求。超调量，对于测定点下的速度超调量进行计算均≤10%，满足卫星天线伺服系统对于超调量≤15%的性能指标要求。速度比，调速使电机最高稳定运行转速为3000 r/min，最低转速为1 r/min，因此调速比λ=3 000/1=3 000，满足卫星天线伺服系统调速比的性能指标。速度环带宽，反映伺服系统的动态特性即跟踪的快速性。速度环带宽≥30 Hz，满足性能要求。

6 结论

本文根据卫星天线伺服系统的控制要求，设计了基于DSP的矢量控制的永磁同步电机伺服系统。设计中采用DSP和CPLD等主要芯片，完成控制系统的硬件设计和软件程序设计，实现了卫星天线的数字化伺服控制。并在程序设计中提出了电机电感参数在线估计算法，可以利用在线估计得到的参数进行控制，可以进一步提高伺服系统的控制精度和鲁棒性，同时扩大伺服系统的高精度应用范围。实验结果证明以TMS320F2812为主控芯片设计的永磁同步电机数字化伺服控制系统有效可靠，有较好的动、静态响应特性，达到并满足卫星天线的伺服驱动系统的性能要求和功能要求，但就实际应用来看，还需进一步提高速度环响应频率，提高系统的抗扰动能力及系统的鲁棒性。

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