摘 要：從跟蹤系統(tǒng)定位的性、跟蹤的平穩(wěn)性需求出發(fā),結(jié)合交流伺服電機(jī)優(yōu)良的控制性能,詳述了通過采用合理的ARM+FPGA芯片組控制策略以及完備的伺服控制芯片IRMCK201完成PMSM調(diào)速系統(tǒng)控制的方法。該控制策略的使用,提高了系統(tǒng)整體運(yùn)動性能,實(shí)現(xiàn)了硬件資源的化利用。同時為交流伺服電機(jī)的容量選取方法提供了具有可操作性的參考資料。

　　對于武器系統(tǒng)來講，目標(biāo)跟蹤單元的優(yōu)劣將直接影響到整個武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的整體發(fā)揮。而目標(biāo)跟蹤過程本身具有的特點(diǎn)又決定了跟蹤系統(tǒng)必須具備穩(wěn)定的低速跟蹤能力、良好的過載能力以及快速的響應(yīng)能力等特征。解決以上技術(shù)點(diǎn)非常關(guān)鍵的就是電機(jī)的選取和控制。在電機(jī)選擇上，由于交流伺服電機(jī)具備了極高的控制、穩(wěn)定的低頻特性、優(yōu)良的矩頻特性、較強(qiáng)的過載能力以及快速的響應(yīng)能力，并且已經(jīng)成為控制電機(jī)發(fā)展的主要趨勢，基于上述考慮，作者重點(diǎn)對永磁同步電動機(jī)在跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)用進(jìn)行了深入研究。

　　交流伺服電機(jī)中，習(xí)慣上把由正弦波永磁同步電動機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)稱為正弦型永磁同步電動機(jī)(PMSM)調(diào)速系統(tǒng)；而由梯形波(方波)永磁同步電動機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動機(jī)系統(tǒng)類似，稱這種系統(tǒng)為無刷直流電動機(jī)(BLDCM)調(diào)速系統(tǒng)。文章重點(diǎn)探討PMSM調(diào)速系統(tǒng)的控制技術(shù)。

　　1 PMSM調(diào)速基本原理

　　控制上，從PMSM理想條件出發(fā)，建立轉(zhuǎn)子軸(d，q軸)數(shù)學(xué)模型，在假設(shè)磁路不飽和，不計(jì)磁滯和渦流損耗影響，空間磁場呈正弦分布的條件下，當(dāng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子為圓筒形(Ld=Lq=L)，摩擦系數(shù)B=0，得d、q坐標(biāo)系上電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

　　式中：id，iq，為d，q軸電流；Ld，Lq為定子電感在d，q軸下的等效電感；Ψf為轉(zhuǎn)子勵磁磁場鏈過定子繞組的磁鏈；Pn為電機(jī)極對數(shù)。從轉(zhuǎn)子坐標(biāo)來看，對于定子電流可以分為兩部分，即力矩電流iq和勵磁電流id。矢量控制中通常使id=0來保證用的電流幅值得到的輸出轉(zhuǎn)矩。此時，式(1)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：

　　由式(2)看出，Pn及Ψf都是電機(jī)內(nèi)部參數(shù)，其值恒定，為獲得恒定的力矩輸出，只要控制iq為定值?？芍?，iq的方向可以通過檢測轉(zhuǎn)子軸來確定，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制大大簡化。

　　矢量控制的PMSM位置伺服系統(tǒng)一般由電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)構(gòu)成的三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)性能的化是整個伺服系統(tǒng)高性能的基礎(chǔ)，而外環(huán)性能的發(fā)揮依賴于系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的優(yōu)化。尤其是電流環(huán)，他是高性能PMSM位置伺服系統(tǒng)構(gòu)成的根本，其動態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，也直接影響整個系統(tǒng)的動態(tài)性能。系統(tǒng)中必須有快速的電流環(huán)以保證定轉(zhuǎn)子電流對矢量控制指令的準(zhǔn)確跟蹤，這樣才能在電機(jī)模型中將定轉(zhuǎn)子電壓方程略去，或僅用小慣性環(huán)節(jié)替代，達(dá)到矢量控制的目的。因而電流環(huán)的動態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，研究同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)必須涉及到電流環(huán)的研究。結(jié)合以上原理分析，作者在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上依靠優(yōu)良的控制器件和策略來保證高控制實(shí)現(xiàn)。

　　2 伺服電機(jī)容量計(jì)算

　　首先從電機(jī)本身人手，選擇合適的交流伺服電機(jī)顯然是驅(qū)動和控制的前提，在伺服電機(jī)選擇上，需要考慮的參數(shù)比較多，考慮的因素也相對較為復(fù)雜，需要考慮電機(jī)的工作模式、工作環(huán)境以及機(jī)械裝配形狀等。對于跟蹤系統(tǒng)來講，其基本模式如圖1所示。

　　圖1所示跟蹤系統(tǒng)一個運(yùn)行周期可以分劃為4個階段，分別為啟動過程(t1)、跟蹤過程(t2)、減速過程(t3)以及靜止過程(t4)。分析可知，跟蹤系統(tǒng)主要工作時間為跟蹤過程(t2)，此過程中，將出現(xiàn)頻繁的加速、減速階段，因此在電機(jī)選擇上，需要重點(diǎn)考慮額定輸出功率、額定轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)。圖2為交流伺服電機(jī)容量計(jì)算基本流程，首先根據(jù)機(jī)械特性，計(jì)算負(fù)載的慣性距和負(fù)載轉(zhuǎn)距，通過初步數(shù)據(jù)，暫時選定電機(jī)容量，然后根據(jù)系統(tǒng)基本技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算負(fù)載快加速、減速時間，從而計(jì)算出加速、減速轉(zhuǎn)距，繪制相應(yīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)距特性曲線，從而計(jì)算出選定系統(tǒng)實(shí)際的轉(zhuǎn)距數(shù)據(jù)，然后用求取的轉(zhuǎn)距數(shù)據(jù)和額定轉(zhuǎn)矩(TR)比較，如果求取的轉(zhuǎn)距數(shù)據(jù)小于額定轉(zhuǎn)距數(shù)據(jù)，則可按指定的運(yùn)行模式運(yùn)轉(zhuǎn)，否則，調(diào)整初步參數(shù)重新進(jìn)行計(jì)算，直到完成。

　　3 PMSM調(diào)速基本實(shí)現(xiàn)

　　3.1 控制系統(tǒng)基本組成

　　圖3為PMSM調(diào)速系統(tǒng)基本組成框圖，從圖中可以看出，系統(tǒng)主要圍繞著電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)構(gòu)成的三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上，選用了交流伺服專用芯片IRM-CK201，基于該芯片優(yōu)良的性能，在基本不需要編程的情況下，可以完成系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)控制，并且可以產(chǎn)生控制伺服電機(jī)的SVPWM驅(qū)動信號。同時作為運(yùn)動控制芯片，IRMCK201在硬件上具備了伺服控制所必需的控制單元，如帶死區(qū)時間設(shè)置的空間矢量PWM、PARK變換和CLARK變換、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器、速度測量單元等，這樣就很大程度上簡化了復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程，通過該芯片的使用，極大程度上縮短了項(xiàng)目開發(fā)周期。在主控芯片上，系統(tǒng)采用了ARM+FPGA構(gòu)成的芯片組，由ARM完成IRMCK201的初始化以及外圍數(shù)據(jù)總線和數(shù)據(jù)交互處理，由FPGA芯片完成系統(tǒng)位置環(huán)控制算法的實(shí)現(xiàn)。

　　3.2 主控芯片組設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，考慮到基于SRAM LUT結(jié)構(gòu)的FPGA器件的上電配置問題和采用FPGA實(shí)現(xiàn)CAN總線以及外圍設(shè)備的通信控制問題。項(xiàng)目組采用了組合配置的方式，即采用芯片組控制技術(shù)，芯片組包括了ARM芯片和FPGA芯片，通過ARM芯片可以較為簡單地實(shí)現(xiàn)CAN總線以及外圍設(shè)備的通信控制問題，通過FPGA芯片可以解決系統(tǒng)位置環(huán)控制算法的實(shí)現(xiàn)，同時基于ARM芯片的FLASH存儲區(qū)可以實(shí)現(xiàn)SRAM LUT結(jié)構(gòu)的FPGA器件的動態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)芯片技術(shù)互補(bǔ)。

　　在芯片選擇上，ARM芯片選擇了LPC2294芯片，F(xiàn)PGA芯片選擇了FLEX10K芯片。采用PS(被動串行)配置方式。基本工作過程：當(dāng)nCONFIG產(chǎn)生下降沿脈沖時啟動配置過程，在DCLK上升沿，將數(shù)據(jù)移人目標(biāo)芯片。配置后，DCLK通過延長十個周期的時鐘，確保目標(biāo)芯片被正確初始化，進(jìn)入用戶工作模式。配置文件的大小一般由后綴為rbf的二進(jìn)制文件決定。文件的生成方法為：在Max+PlusⅡ編譯狀態(tài)，選擇文件菜單的變換SRAM目標(biāo)文件命令；然后在變換SRAM目標(biāo)文件對話框，指定要轉(zhuǎn)換的文件并且選擇輸出文件格式為.rbf(Sequential)，然后確定。在電路設(shè)計(jì)上，考慮到系統(tǒng)控制程序更新和升級的需要，我們充分利用了ARM芯片的ISP功能，即利用PC機(jī)通過LPC2294的UART0對ARM芯片進(jìn)行程序?qū)崟r更新，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體控制的有效更新，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的配制靈活性。基本配置電路如圖4所示。

　　3.3 高跟蹤閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，在保證高跟蹤設(shè)計(jì)上，重點(diǎn)圍繞電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)構(gòu)成的三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過采用IRMCK201芯片內(nèi)部硬件電路完成，以完成對功率模塊的開關(guān)控制，同時通過A／D接口對母線電壓進(jìn)行監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能。系統(tǒng)采用6000 PPR的增量式光電碼盤和霍爾傳感器測量電機(jī)位置和速度信號，采用IR2175電流傳感器對相電流采樣，由于IRMCK201提供了IR2175接口，所以采樣的電流信號可直接送到IRMCK201作為控制部分的電流反饋。為了增加系統(tǒng)的抗干擾性，本系統(tǒng)采用高速光耦將系統(tǒng)的控制部分和功率部分進(jìn)行隔離。

　　控制過程中，對于電流環(huán)，由電流傳感器IR2175采樣電機(jī)V相和W相繞組電流，經(jīng)過IRMCK201內(nèi)部計(jì)算可以得到U相電流，與V相和W相電流一起組成三相電流，通過Park變換與矢量旋轉(zhuǎn)被分解為產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，這兩個直流量具有獨(dú)立的比例積分調(diào)節(jié)器，依靠各自獨(dú)立的比例積分調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對電流環(huán)的良好控制；對于速度環(huán)，通過配置相關(guān)寄存器使能速度閉環(huán)控制。由光電編碼信號通過IRMCK201內(nèi)部測速單元得到速度反饋，他與速度給定值相互比較產(chǎn)生速度偏差。這個偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩電流Iq，當(dāng)采用Id=0控制時，Id，Iq即是內(nèi)部電流環(huán)的給定值，他們與實(shí)際反饋電流比較產(chǎn)生電流偏差，電流偏差經(jīng)過電流環(huán)PI調(diào)節(jié)以后產(chǎn)生輸出電壓Us-q和Us-d，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d，q下，電壓Us-q和Us-d被反變換成靜止坐標(biāo)系下的電壓分量，然后經(jīng)過空間矢量PWM計(jì)算后，給逆變器的功率模塊發(fā)出合適的開關(guān)信號，控制功率模塊開關(guān)工作，完成速度閉環(huán)；而位置環(huán)則依靠FPGA優(yōu)良的控制性能和控制算法得以保證。通過以上三環(huán)的整體配合，很好地保證了高系統(tǒng)控制。

　　4 結(jié) 語

　　實(shí)踐證明，在交流伺服電機(jī)控制上，采用優(yōu)良的伺服控制芯片IRMCK201芯片，同時配合系統(tǒng)中運(yùn)用的芯片組控制技術(shù)，可以很好地提高系統(tǒng)控制性能，極大縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，在系統(tǒng)跟蹤的性和低速控制的穩(wěn)定性上都能夠取得很好的效果。（作者：趙 勇 黃 晨   現(xiàn)代電子技術(shù)）

參考文獻(xiàn):

[1]. IRMCK201 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/IRMCK201_1732555.html.
[2]. LPC2294 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/LPC2294_454558.html.
[3]. FLEX10K datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/FLEX10K_328755.html.
[4]. IR2175 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/IR2175_406834.html.