维普资讯 http://www.cqvip.com ２０ｏ８年６月 第 期 ｖ ０Ｉ＿２４ Ｎｏ．Ｊ哈尔滨商业大学学报（自然科学版） ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｏｍｍｅｒｃｅ（ＮａｔｕｒａＩ Ｓｃｉｅｎ ｃｅｓ Ｅｄｉｔｉ０ｎ） 。 （ｘ】８ ．３ 基于ＤＳＰ的永磁同步电动机控制系统的研究 高晗璎，张小新，王福家 （哈尔滨理Ｔ大学电气与电子一 程学院，哈尔滨１５００４０） 摘要：介绍了一种新颖的永磁同步电动机速度闭环控制系统，该系统以数字信号处理器（ＤＳＰ）为核 心器件，采用速度、电流双闭环控制策略．阐述了系统的工作原理、硬件结构和软件编程，最后进行了 实验研究．实验结果表明，该系统具有硬件设计独特、抗干扰能力强以及动态响应快等优点． 关键词：永磁同步电动机；ＤＳＰ；双闭环控制；自举；驱动保护 中图分类号：ＴＭ３８４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—０９４６（２００８）０３—０３３５—０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ＧＡＯ Ｈａｎ—ｙｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｘｉｎ，ＷＡＮＧ Ｆｕ－ｊｉａ （Ｓｃ：ｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｋｘ，，ｔｒｉｃ＆Ｅｌ￣ｔｒｏｎｉ（ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｉｔｇ，＂Ｈａｄ）ｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ．ａｒｉｄ ， ｏ ，｝ ｎ ｌ５ｃ【 ，０ ｍ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｎ ｐｅｎｎａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｖｎｃｈｒｏｎ０ｕｓ ｍ０一 ｔｏｒ（ＰＭＳＭ） ｓｙｓｔｅｍ，ａ ｎｏｖｅｌ ＰＭＳＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ａ ｄｏｕｂｌｅ ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｌｏｏｐ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｗｉｔｈ ＤＳＰ ａｓ ｃｏｒｅ ０ｆ ｔｈｅ ｓｙｓ— ｔｅｒｎ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｔｈｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅＳ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕＩ＿ｅ ａｎｄ ｓ０ｆｔ— ｗａｒｅ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，ｃｏｎｄｕｃｔｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｍａｎｙ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｕｎｉｑｕｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｒａｐｉｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ； ｓｔｒａｐ；ｄｒｉｖｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ 三相永磁同步电动机具有体积小、重量轻、效 了开关频率；自行设计了自举驱动电路，保证了 率高、惯性低以及转子无发热问题等优点，因此在 ＩＧＢＴ能够安全可靠地运行；此外还设计了键盘和 工业、航空航天等领域正越来越受到人们的青睐． 显示电路，使系统具有良好的人机交互性能．采用 但＿１ 业生产的日益自动化和复杂化对现代伺服系 ｃ语言进行了软件设计，实现了系统速度、电流双 统提出了更高的要求，因此加快研发高性能ＰＭＳＭ 闭环控制¨ ．大量实验以及长时间运行结果表明 伺服系统来满足精密数控机床、特种机器人等驱动 该系统设计是可行的，具有较高的实用价值． 的要求，具有踅要的理论意义和实用价值． 本文所设计的速度伺服系统以ＴＩ公司的 １ 永磁同步电动机正弦波驱动的工 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７为核心，选用高分辨率的混合式光 作原理 电编码器和磁平衡式电流霍尔传感器作为位置和 本系统使用的永磁同步电动机具有正弦波反 电流检测元件，大大提高了系统的控制精度；采用 电势，即相电动势可以表示为 ＩＧＢＴ作为功率开关元件，减小了驱动功率并提高 收稿日期：２００７一Ｉｌ～ｌ５． 基金项目：哈尔滨科技局攻关项目（２００６ＡＡ２ＣＥＩ５７）；黑龙汀省教育厅科技攻关项目（ＧＣ０４Ａ５１７）． 作者简介：离晗璎（１９６９一），男，哈尔滨理【大学电气学院副教授、博： ，研究＿方向：电机控制及电力电了 维普资讯 http://www.cqvip.com
哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 第２４卷 ，ｅ＾＝Ｅ ｓｉｎ ０ 弦波”驱动的永磁同步电机的力矩波动为零，从而 ｛ｅ口＝Ｅ ｓｉｎ（０—１２０。） ｔｅｃ＝Ｅ ｓｉｎ（ ＋１２０。） （１） 保证了系统既具有较快的动态响应速度，同时又具 有较高稳态精度 Ｊ． 此时，若控制三相定子绕组电流与相电势同相 位，则可以表示为 ｒ ＝ｌｓｉｎ ０ ｍ２ 系统硬件设计 控制系统的结构框图如图１所示，由主电路、 ｛ｉ口＝ｌｍｓｉｎ（０—１２０。） ｔｉｃ＝ｌｓｉｎ（０＋１２０。） ｍ（２） 驱动电路和控制电路构成，其中主电路由整流电路 和逆变电路等构成，驱动电路实现ＰＷＭ控制信号 的功率放大，进而驱动ＩＧＢＴ，控制电路则由 由式（１）、（２），则永磁同步电动机的电磁转矩 为 ｅＡｉ ＋ｅＢｉＢ＋ｅｃｉｃ ３ ＥｍＩ ＝ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７、电流霍尔传感器、混合式光电编码 器、键盘和显示电路等组成，用来完成相电流、转子 位置和转速信号的采集，实现系统速度、电流双闭 （３） 由式（３）可以看出，在理想的情况下，采用“正 环控制以及三相６路ＰＷＭ输出等 一Ｊ． 图１系统的原理框图 ２．１驱动电路设计 高了系统的抗干扰能力．长时间运行结果表明该驱 动电路简单实用，能够保证功率器件可靠地通 断Ｅ５］． 驱动电路的设计主要是考虑上桥功率管驱动 电源的浮地问题．解决的方法有２种：第一种是多 电源的驱动方式，缺点是增加了电源数量，增加了 系统成本；第二种是采用自举技术．本系统采用自 举方式设计了驱动电路，如图２所示．当上管 关 断，下管 导通时，Ⅳ点电位为＋１５ Ｖ， 点为＋ １５Ｖ电源地ＧＮＤ，若忽略二极管Ｄ 的导通压降， 则自举电容Ｃ 的电压为＋１５ Ｖ；而当上管 导 通，下管 关断时 点的电压为 ，而Ⅳ点电位 由于自举电容ｃ５电压不能瞬变，瞬时Ⅳ点电位为 ＋１５ Ｖ，则自举二极管Ｄ。承受反压关断，从而 保护＋１５ Ｖ电源．自举电容 需采用较大电容值 （本系统取为１００ ），在载波频率为２０ ｋＨｚ的条 件下自举电容的电压波动不超过１００ ｍＶ，从而保 证了上桥功率开关管能够可靠地工作．本系统控制 电路和主电路之间采用高速光耦进行隔离，从而提 图２自举电路的设计 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３期 高晗璎，等：基于ＤＳＰ的永磁同步电动机控制系统的研究 ２．２电流采样单元 ＤＳＰ正常运行后，ＳＪ１才可以接通；如果ＤＳＰ不能 正常运行，则ＳＪ１关断．这样就可以保证ＤＳＰ在不 电流采样是本系统设计的一个重要环节，电流 采样的准确性直接影响着电机的控制性能，所以电 流采样必须实时、准确．本系统采用磁场平衡式霍 尔电流传感器进行电流检测，具有响应速度快、测 量精度高的特点，是最理想的电流检测方法．电流 检测元件的输出为一交流量，而ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７片 内Ａ／Ｄ转换器的允许输入电压为０～３．３ Ｖ，故需 能可靠上电复位时及时切断储能电容Ｃ 充电回 路，从而避免功率开关管“直通”等故障的发生． ３）停机保护 当系统停机或突然断电时，若控制电路的时间 常数小于主电路的时间常数，即当控制电路放电至 零时，主电路Ｃ 仍然有较高电压，此时控制信号紊 要加入特定的电路使交流量转换为直流量，往往有 ２种方法，一种是直流偏置电路，另一种就是精密 全波整流电路．利用直流偏置电路时，可以通过采 样值判断电流的极性，精密全波整流电路则不能． 本系统采用直流偏置电路进行信号处理，如图３所 示， 为绕组电流对应的电压值，取Ｒ ：Ｒ ：Ｒ ＝Ｒ ：１０ ｋｉｔ，则偏置电路输出与输入的关系如式 （４）所示． 世 一 图３直流偏置电路 Ｕｏ： ＋１．６５ （４） 通过偏置电路提升１．６５ Ｖ，从而将一１．６５ ～１．６５ Ｖ的电流采样值转换成０～３．３ Ｖ之间的 电压 ，通过ＡＤＣＩＮ０～２进入ＤＳＰ的Ａ／Ｄ采样 通道，从而获得定子绕组的电流反馈信号． ２．３保护电路设计 保护电路的作用是保证功率开关管能够安全、 可靠地运行，当系统出现异常情况时能够检测故障 状态并封锁系统输出，使系统停止工作，从而保护 功率器件不受损坏．本系统具有充电软启功能，此 外还具有ＤＳＰ可靠复位、过载、过温、停机以及驱 动系统保护等功能．以下将充电软启、ＤＳＰ可靠复 位保护和停机保护等进行简要介绍． １）主电路充电软启 主电路充电软启功能是指当系统启动时接通 单相２２０ Ｖ电压，如果直接接入将会对储能电容 Ｃ 产生极大的电流冲击，从而对系统造成损害．为 此，加入了主电路充电延时电路，具体做法就是在 滤波电容前加一个充电电阻 ，在系统启动时使 直流母线电压逐步增加，避免了启动时的大电流冲 击，待电容Ｃ，的电压为稳态值的８０％时，ＳＪ２闭 和，从而实现了充电软启的功能． ２）ＤＳＰ可靠复位保护 ｓＪｌ继电器的控制信号由ＤＳＰ发出，只有在 乱，有可能造成桥臂功率开关管“直通”现象．为了 避免这一现象的发生，本系统设计了系统断电保护 电路，图４中用ＳＪ３、Ｒ 来实现这一功能．ＳＪ３为常 闭触点，其线圈由电网电压２２０ Ｖ控制，系统上电 时ＳＪ３线圈通电，常闭触点打开，此时系统可以实 现“软启充电”；系统断电时，ＳＪ３常闭触点闭合，电 阻 并入放电回路，此时主电路的时间常数变小， 通过对 适当选取可以保证断电时系统的安全． ＳＪ２ ～ 图４驱动保护电路 ３ 系统软件设计 系统控制软件由主程序和中断服务子程序组 成，见图５、６． Ｉ 采集混合式编码器ｕ、Ｖ和ｗ Ｉ ｆ 信号，估算电机初始位置 ｆ ｆ设定速度ｌ ｌ ＜ Ｙ Ｉ Ｉ开定时器，开总中断ｌ 键盘显示程序ｌ Ｉ ＜幸＞ Ｙｌ 图５系统软件流程图 维普资讯 http://www.cqvip.com
・３３８・ 哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 第２４卷 主程序实现ＤＳＰ的系统初始化、各个变量的 初始化、中断等待和电机转速显示等功能．中断服 务子程序中，包括Ａ／Ｄ转换中断服务子程序和 ＣＡＰ中断服务子程序．其中，Ａ／Ｄ转换中断服务子 程序是控制系统的关键部分，它包括速度、电流双 闭环控制算法；ＣＡＰ中断服务子程序采集ＨＡＬＬ—Ａ 有较好的正弦性． 信号的上升沿，用来使位置信号（电角度）清零．软 件主程序流程图、Ａ／Ｄ中断服务子程序． 烹 ｆ 清除定时器１ 周期中断标志位 二［ 清除ＡＤ转换 中断标虑位 读取Ｔ４ＣｌｑＴ，通过适当 运算获得位置信息 Ｎ —＼／ ‘ ’。。。‘’‘‘ 。 。。。 王 ●－。’。。‘‘‘ 。 。’。。● 一 Ｉ速度采样计数器清零 速度采样及速度环Ｐｌ调节 由速度Ｐｌ调节嚣输出计算电流Ｐｌ调节器的输入 相电流采样及电流ＰＩ调节 由位置信息判断比较方式， 给ＣＭＰＲＸ－３１￣值 开总中断 工 图６ Ａ／Ｄ中断服务子程序 ４ 实验研究 以下以三相永磁同步电动机１１０ＳＴ— Ｍ０６０２０ＬＦＢ为对象进行实验研究，电机参数如下： 额定转矩为６Ｎ・ｉｎ，额定功率为１．２ ｋＷ，额定电流 为６ Ａ．控制器参数如下：输入单相交流电源 １１０ Ｖ，载波频率１２ ｋＨｚ． 图７为转速１２０ ｒ／ｍｉｎ、负载转矩３ Ｎ・ｍ时两 相定子绕组的电流波形，可以看出定子绕组电流具 ： ： ： ： ： ： ： ； ： ； ： 。： ： ： ０ ： ： ； ： ： ●●●■● ’●●●●●●●●●●●●●■●●’●■●●●■●■●●●●●●●●●●●●■● ｌ／（５０ ｍｓ・格 ） 图７定子绕组电流波形 图８为给定转速１ ０００ ｒ／ｍｉｎ、负载转矩４Ｎ・ｉｎ 时的启动过程．可以看出启动时间约为３００ ｍｓ． ：‘‘ ’：’。 ‘：。 ’’：’’。。：‘‘。。：’。’’： ’‘。： 。‘。：’。。’： ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： Ｉ鞋 ● 一。 薯 ● 占 呙 ２ ；．．．． ．．．． ．．．．！．．．．ｉ。．．．；．。．．；．．．．；．．．．：．．．。； ｌ／（１ Ｓ．格。） 图８负载转距为４Ｎ・ｍ的起动特性 图９为给定转速８００ ｒ／ｍｉｎ、负载转矩由２Ｎ・ｍ 增至４Ｎ・ｍ时的速度响应曲线，图１０为给定转速 ８００ ｒ／ｍｉｎ、负载转矩由４Ｎ・ｍ减至２Ｎ・ｍ时的速度 响应曲线．可以看出在突增、减负载时转速稍有波 动，在约４００ ｍｓ后转速又恢复至给定转速． ；。’’ ｉ’ 。； ’。‘ｉ’’。 ｉ’ ’’；’’’。；’’’’；’’。’；’ ’； －— －＿ －— ・—尊．＿—＿ ＿— —－．一—— 州 鞋 ．： ’： ● ： ： 。： 召 ： ； ● ・； ●● 台 ： ： 呙 ： ： ： ’： ｔ ： ’： ： 暑 ．： ／（】ｓ・格。） 图９负载转矩由２Ｎ・ｍ增至４Ｎ．ｍ的速度响应 由实验结果可以看出，本文所实现的永磁同步 电动机系统具有较好的动静态特｝生． （下转３４３页） 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 陈希军，等：基于ＳＴＫ的卫星飞行轨迹仿真技术 ．３４３． （『＿ ． 暑匠．Ｊ００ ； 专 囊； ．．表４卫星的姿态四元数数据 由仿真实例可以看出，ＳＴＫ软件是一款功能强 大的卫星仿真软件，它不仅用于卫星的仿真，也广 防工业出版社，２００５：１８５一ｌ９７． ［２］ 徐凯川，朱隆魁，郑［３］ 吴［４］ 王吴，刘建业，段Ｉ二 伟，等．ＳＴＫ在 间作战系统仿真中的 ｊ 泛用于飞机、导弹等飞行器的仿真中．它所产生的 多种仿真数据对于研究和验证飞行器的远动学、动 力学、导航、制导和控制起着重要的作用． 参考文献： ［１］杨颖，王琦．ＳＴＫ在计算机仿真中的应用［Ｍ］．北京：国 应用［Ｊ］．计算机仿真，２００７，５：５２—５４． 方，等．基于ｓＴＫ的Ｊｂ－ｒ￣星动量姿态控 制系统仿真研究［Ｊ］．遥测遥控，２００５，３：７０—７４． 玫，王永泉，张炎华．多天线ＧＰＳ和做机械惯导组合进 行姿态确定［Ｊ］．哈尔滨商、Ｉ 入学学报：自然科学版，２００６， ２２（４）：４１—４６．５０． （上接３３８页） －‘’．■＿＿＇ 伺服系统具有设计合理、性能稳定、运行可靠、控制 精度高和响应速度快的特点，具有一定实用价值． 参考文献： 王波，史小平．永磁同步电动机交流伺服系统控制新方法 ［Ｊ］．控制工程，２００５，２：１８０一ｌ８２． 唐任远．现代永磁电机理论与设计［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，２００２；１６２—１９０． ＺＨＡＮＧ Ｘ．Ｆｕｌｌｙ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＰＭＳＭ ｓｅｒｖｏ ｄｒｉｖｅ ｕｓｉｎｇ ＤＳＰ． ／（１ Ｓ・格 １ＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ １９９５ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓ— ｌｅｍｓ，１９９５，２：２８７～２９１． 图１Ｏ负载转矩由４Ｎ・ｍ减至２Ｎ・ｍ的速度响应 李永东．交流电机数字控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版 ５ 结 语 本文以ｒＩ１公司的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７为核心，实现 社，２００２． 高晗璎，吴欣，李靖．基于ＦＰＧＡ的混合式步进电动机微 步驱动研究［Ｊ］．哈尔滨商业大学学报：自然科学版，２００８，２４ （２）：１７０—１７４． 了永磁同步电动机速度、电流双闭环控制系统．大量 实验结果表明，本文所介绍的永磁同步电动机速度
