基于PMSM调速的高精度跟踪系统设计研究

摘 要：从跟踪系统定位的精确性、跟踪的平稳性需求出发，结合交流伺服电机优良的控制性能，详述了通过采用合理的ARM+FPGA芯片组控制策略以及完备的伺服控制芯片IRMCK201完成PMSM调速系统精确控制的方法。该控制策略的使用，提高了系统整体运动性能，实现了硬件资源的最大化利用。同时为交流伺服电机的容量选取方法提供了具有可操作性的参考资料。

关键词：PMSM;IRMCK201;芯片组控制;电机容量;调速

中图分类号：TP23 文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2008)09-054-03

Design Research of High Precision Tracking System Based on PMSM Speed Control

ZHAO Yong,HUANG Chen

(Air Defence Command College,Zhengzhou,450052,China)

Abstract：According to the accuracy orientation and smooth tracking character of track system,at the same time the excellent control capability of AC servo motor,the paper provides the method to control the PMSM system in highly-precision with Reasonable ARM+FPGA chip combination mode and high performance digital AC servo control IC IRMCK201.By this means,the movement capability of tracking system is improved efficiently,the hardware resource is used farthest.The paper also introduces the utility method about how to calculate servo motor capacitance exactly.

Keywords：PMSM;IRMCK201;chip combination control;servo motor capacitance;speed control

对于武器系统来讲，目标跟踪单元的优劣将直接影响到整个武器系统作战效能的整体发挥。而目标跟踪过程本身具有的特点又决定了跟踪系统必须具备稳定的低速跟踪能力、良好的过载能力以及快速的响应能力等特征。解决以上技术点非常关键的就是电机的选取和控制。在电机选择上，由于交流伺服电机具备了极高的控制精度、稳定的低频特性、优良的矩频特性、较强的过载能力以及快速的响应能力，并且已经成为控制电机发展的主要趋势，基于上述考虑，作者重点对永磁同步电动机在跟踪系统的运用进行了深入研究。

交流伺服电机中，习惯上把由正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机(pmsm)调速系统；而由梯形波(方波)永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，称这种系统为无刷直流电动机(BLDCM)调速系统。文章重点探讨PMSM调速系统的精确控制技术。

1 PMSM调速基本原理

控制上，从PMSM理想条件出发，建立转子轴(d，q轴)数学模型，在假设磁路不饱和，不计磁滞和涡流损耗影响，空间磁场呈正弦分布的条件下，当永磁同步电机转子为圆筒形(Ld=Lq=L)，摩擦系数B＝0，得d、q坐标系上电磁转矩方程为：

お

T┆em=(3/2)Pn\[Ψf*iq+(Ld-Lq) * id * iq\][JY](1)

И

式中：id，iq为d，q轴电流；Ld，Lq为定子电感在d，q轴下的等效电感；Ψf为转子励磁磁场链过定子绕组的磁链；Pn为电机极对数。从转子坐标来看，对于定子电流可以分为两部分，即力矩电流iq和励磁电流id。矢量控制中通常使id=0来保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩。此时，式(1)的电机转矩表达式为:

И

T┆em=(3/2)PnΨfiq[JY](2)

И

由式(2)看出，Pn及Ψf都是电机内部参数，其值恒定，为获得恒定的力矩输出，只要控制iq为定值。可知，iq的方向可以通过检测转子轴来确定，从而使永磁同步电机的矢量控制大大简化。И

矢量控制的PMSM位置伺服系统一般由电流环、速度环及位置环构成的三环调节系统，各环节性能的最优化是整个伺服系统高性能的基础，而外环性能的发挥依赖于系统内环的优化。尤其是电流环，他是高性能PMSM位置伺服系统构成的根本，其动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现，也直接影响整个系统的动态性能。系统中必须有快速的电流环以保证定转子电流对矢量控制指令的准确跟踪，这样才能在电机模型中将定转子电压方程略去，或仅用小惯性环节替代，达到矢量控制的目的。因而电流环的动态响应特性直接关系到矢量控制策略的实现，研究同步电动机矢量控制系统必须涉及到电流环的研究。 结合以上原理分析，作者在技术实现上依靠优良的控制器件和策略来保证高精度控制实现。

2 伺服电机容量计算

首先从电机本身入手，选择合适的交流伺服电机显然是驱动和控制的前提，在伺服电机选择上，需要考虑的参数比较多，考虑的因素也相对较为复杂，需要考虑电机的工作模式、工作环境以及机械装配形状等。对于跟踪系统来讲，其基本模式如图1所示。

图1 跟踪伺服系统基本运行模式

图1所示跟踪系统一个运行周期可以分划为4个阶段，分别为启动过程(t1)、跟踪过程(t2)、减速过程(t3)以及静止过程(t4)。分析可知，跟踪系统主要工作时间为跟踪过程(t2)，此过程中，将出现频繁的加速、减速阶段，因此在电机选择上，需要重点考虑额定输出功率、额定转矩、最大转矩、转动惯量等参数。图2为交流伺服电机容量计算基本流程，首先根据机械特性，计算负载的惯性距和负载转距，通过初步数据，暂时选定电机容量，然后根据系统基本技术指标，计算负载最快加速、减速时间，从而计算出加速、减速转距，绘制相应的负载转距特性曲线，从而计算出选定系统实际的转距数据，然后用求取的转距数据和额定转矩(TR)比较，如果求取的转距数据小于额定转距数据，则可按指定的运行模式运转，否则，调整初步参数重新进行计算，直到完成。

3 PMSM调速基本实现

3.1 控制系统基本组成

图3为PMSM调速系统基本组成框图，从图中可以看出，系统主要围绕着电流环、速度环及位置环构成的三环调节系统进行设计。设计上，选用了交流伺服专用芯片IRMCK201，基于该芯片优良的性能，在基本不需要编程的情况下，可以完成系统的电流环、速度环控制，并且可以产生控制伺服电机的SVPWM驱动信号。同时作为运动控制芯片，IRMCK201在硬件上具备了伺服控制所必需的控制单元，如带死区时间设置的空间矢量PWM、PARK变换和CLARK变换、电流环PI调节器、速度环PI调节器、速度测量单元等，这样就很大程度上简化了复杂的设计过程，通过该芯片的使用，极大程度上缩短了项目开发周期。在主控芯片上，系统采用了ARM+FPGA构成的芯片组，由ARM完成IRMCK201的初始化以及数据总线和数据交互处理，由FPGA芯片完成系统位置环控制算法的实现。

图2 伺服电机容量计算流程

图3 PMSM调速系统基本组成框图

[BT3-*3]3.2 主控芯片组设计

系统设计时，考虑到基于SRAM LUT结构的FPGA器件的上电配置问题和采用FPGA实现CAN总线以及设备的通信控制问题。项目组采用了组合配置的方式，即采用芯片组控制技术，芯片组包括了ARM芯片和FPGA芯片，通过ARM芯片可以较为简单地实现CAN总线以及设备的通信控制问题，通过FPGA芯片可以解决系统位置环控制算法的实现，同时基于ARM芯片的FLASH存储区可以实现SRAMLUT结构的FPGA器件的动态配置，实现芯片技术互补。

在芯片选择上，ARM芯片选择了LPC2294芯片，FPGA芯片选择了FLEX10K芯片。采用PS(被动串行)配置方式。基本工作过程：当nCONFIG产生下降沿脉冲时启动配置过程，在DCLK上升沿，将数据移入目标芯片。配置后， DCLK通过延长十个周期的时钟，确保目标芯片被正确初始化，进入用户工作模式。配置文件的大小一般由后缀为rbf 的二进制文件决定。文件的生成方法为：在Max+PlusⅡ编译状态，选择文件菜单的变换SRAM目标文件命令；然后在变换SRAM目标文件对话框，指定要转换的文件并且选择输出文件格式为.rbf(Sequential)，然后确定。在电路设计上，考虑到系统控制程序更新和升级的需要，我们充分利用了ARM芯片的ISP功能，即利用PC机通过LPC2294的UART0对ARM芯片进行程序实时更新，以实现系统整体控制的有效更新，进一步增加了系统的配制灵活性。基本配置电路如图4所示。

图4 芯片组配置电路连线关系图

3.3 高精度跟踪闭环控制实现

系统设计上，在保证高精度跟踪设计上，重点围绕电流环、速度环及位置环构成的三环调节系统进行设计，通过采用IRMCK201芯片内部硬件电路完成，以完成对功率模块的开关控制，同时通过A/D接口对母线电压进行监测，以实现过压保护功能。系统采用6000 PPR的增量式光电码盘和霍尔传感器测量电机位置和速度信号，采用IR2175电流传感器对相电流采样，由于IRMCK201提供了IR2175接口，所以采样的电流信号可直接送到IRMCK201作为控制部分的电流反馈。为了增加系统的抗干扰性，本系统采用高速光耦将系统的控制部分和功率部分进行隔离。

控制过程中，对于电流环，由电流传感器IR2175采样电机V相和W相绕组电流，经过IRMCK201内部计算可以得到U相电流，与V相和W相电流一起组成三相电流，通过Park变换与矢量旋转被分解为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，这两个直流量具有独立的比例积分调节器，依靠各自独立的比例积分调节器，系统可以实现对电流环的良好控制；对于速度环，通过

配置相关寄存器使能速度闭环控制。由光电编码信号通过IRMCK201内部测速单元得到速度反馈，他与速度给定值相互比较产生速度偏差。这个偏差经过速度PI调节器产生一个对应的转矩电流Iq，当采用Id=0控制时，Id,Iq即是内部电流环的给定值，他们与实际反馈电流比较产生电流偏差，电流偏差经过电流环PI调节以后产生输出电压Us-q和Us-d，在旋转坐标系d,q下，电压Us-q和Us-d被反变换成静止坐标系下的电压分量，然后经过空间矢量PWM计算后给逆变器的功率模块发出合适的开关信号，控制功率模块开关工作，完成速度闭环；而位置环则依靠FPGA优良的控制性能和控制算法得以保证。通过以上三环的整体配合，很好地保证了高精度系统控制。

图5 电流采集电路图

4 结 语

实践证明，在交流伺服电机控制上，采用优良的伺服控制芯片IRMCK201芯片，同时配合系统中运用的芯片组控制技术，可以很好地提高系统控制性能，极大缩短系统开发时间，在系统跟踪的精确性和低速控制的稳定性上都能够取得很好的效果。

参 考 文 献

［1］郭庆鼎.现代永磁电动机交流伺服系统［M］.北京:中国电力出版社,2006.

［2］宋书中.交流调速系统［M］.北京:机械工业出版社,2006.

［3］周立功.ARM嵌入式系统设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2004.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。