系统1充分利用TM SF243 DSP外设接口丰富、运算速度快的特点，采用坐标变换磁场定向控制、空间矢量PWM与数字PI控制策略，以光电脉冲编码器作为位置和速度传感器，实现软件式交流伺服系统的位置与速度控制1介绍软件交流伺服系统结构与控制软件体系，并进一步给出了实验研究结果1引言伺服系统广泛用于数控机床、机器人、印刷、包装、食品、输送、纺织等自动化机械设备1近年来，随着计算机、电力电子、控制理论、永磁电机材料等技术的发展，伺服技术已迎来了新的发展机遇1伺服系统由传统的步进伺服、直流伺服发展到以永磁电机、感应电机为伺服电机的新一代交流伺服系统由于永磁伺服电机具有转子转动惯量小，响应速度快，效率高，功率密度高，电机体积小，消除电刷而减少噪音和维护等其他电机难以比拟的优点，在高性能位置伺服领域，由其为伺服电机组成的伺服系统应用越来越广泛1永磁无刷电机有两种形式：方波式和正弦波式1这两种电机结构基本一样，即定子为对称三相绕组，转子为永久磁体励磁1对于方波反电势电机即永磁无刷直流电机，其控制原理由直流电机发展而来，采用两组接通控制策略，作原理由交流电机矢量控制变频调速发展而来，它采用三相接通控制策略，由正弦电流驱动以获得更好的性能如无转矩波动等1本文主要研究以PMSM为伺服电机的伺服系统1通常伺服系统的组成如图1，其核心为伺服电机的控制系统。交流电机的控制采用坐标变换磁场定向矢量控制，其控制算法较为复杂1伺服控制器可以由模拟电路实现模拟控制，也可以由数字电路、十六位单片机如80C196实现部分数字控制1新一代先进处理器的出现，进一步发展到伺服系统的全数字、全软件控制1先进处理器是指近来推出的几类高速控制、制造业自动化1艾兴，中国工程院院士，教授，博导1许传俊，教授1张承瑞，教授，博导1张东亮等：基于DSP的永磁同步电机软件式交流伺服系统性能处理器如数字信号处理器DSP（ Digital Signal Processor）、精简指令系统微处理器（ RISC）、并行处理器等1软件伺服控制是将伺服系统的电流环、速度环与位置环全部用计算机软件实现，为进一步采用神经网络、专家系统、模糊控制等智能控制理论，并采用高速网络通讯接口，实现开放式运动控制系统打下基础1控制系统采用美国德州仪器公司T I最新推出的F243 DSP为控制核心，组成的伺服系统只需要很少的系统元件，其性能高，成本较低1本文探讨PM SM软件式交流伺服系统的数学模型、控制策略与系统结构，并进一步给出其软件体系和实验研究结果1伺服系统控制理论分析永磁同步伺服电机矢量控制矢量控制的思想是将交流电机定子三相静止坐标物理量变换到转子旋转坐标，从而实现交流电机的解耦控制1对于三相永磁同步伺服电动机对称接法，通常无中线，三相电流之和为零，三个变量只有两个是独立的，即这时坐标变换的公式可以得以简化，三相到两相静止坐标变换即A、B变换的关系式为两相静止坐标变换到转子旋转坐标即d、q变换，其中， H为转子d轴领先定子a相的电气角度1坐标变换后，定子电压方程可以大为简化，相应的d、q坐标电压方程即Park方程为其中， R为定子相电阻 p= d/ dt为微分算子 X为电气角度速度， X= p H= d H/ dt 7为d、q轴磁链， 7为转子永磁体磁链，为一常数1L为d、q轴电感1）电磁转矩方程为其中， p为电机极对数1可见电磁转矩由两项组成，第一项为基本转矩，与交轴电流i成正比第二项为磁阻转矩，是由d、q轴同步电感不同造成的，且与d、q轴电流的乘积成正比1如不考虑凸极效应，即L a，则该项为零1而机械运动方程为其中， T为机械负载转矩 8 = X/ p为机械角速度 J为转动惯量 B为阻尼系数1山东工业大学学报由上述电压方程和运动方程可得到以i、8为状态变量的同步伺服电机状态方程1它是多变量非线性状态方程，即包含d、q轴坐标电枢电流i的乘积项，且i之间有耦合关系1由于存在这一耦合，电磁转矩不能实现线性化控制1交轴电流i为转矩电流分量，对电磁转矩的产生起主要作用1通常励磁电流分量i对电磁转矩的产生贡献不大，且存在使永磁体去磁的可能，故控制i = 0，则电磁转矩方程和d轴电压方程分别为电磁转矩与交轴电流i成正比，这类似于传统直流电机，则能够实现电磁转矩的线性化控制1因此，采用i = 0的矢量控制，可以得到优良的转速控制特性1电压空间矢量PWM方法脉宽调制（ PWM）是利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制脉冲宽度和脉冲序列的周期以达到调压、调频、控制谐波等目的1PWM控制技术从电压波形正弦到电流波形正弦，再进一步发展到磁通正弦即空间电压矢量法（ SVPWM ）1SVPWM是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形磁场即正弦磁通1它以三相正弦波电压供电时交流电机的理想磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能，即可以获得更小的电流谐波含量与更大的电源电压利用率逆变器主回路（如图2）的6个开关管Q可以形成8个开关量，分别对应8个空间矢量，以Q和Q的开关状态来表截止，而Q的状态与对应的Q和Q正好相反1其中6种状态（ 001 ）为非零矢量16种非零矢量输出电压，并在电机中形成6个工作磁链矢量，以6种不同工作矢量所形成的实际磁链来追踪三相对称正弦波供电时定子上的理想磁链圆，即可得到PWM调制时的等效基准磁链圆，矢量图如图31当输出电压矢量U旋转到某扇区时，由组成该扇区的两个非零矢量U分别作用T时间，时间分解如图3所示1为补偿U的旋转频率，插入零矢量O或O 000，时间为T或O其中， T为PWM周期1数字PI调节器PI控制器的控制规律为张东亮等：基于DSP的永磁同步电机软件式交流伺服系统其中， u（ t ）为输出信号， e 为输入偏差信号， K为比例系数， T为积分时间常数1若采样周期T取得足够短，则离散化的PI表达式为其中， k为采样序号 u （ k ）为第k次采样时刻的控制器输出值 e（ k）为第k次采样时刻的输入值积分系数K这种PI算法的局限在于，由于运行时较大的给定值变化及负载变化会导致控制器变量及输出的饱和与溢出，这种非线性可能增加系统的超调量和调整时间，导致系统动态性能变差1为解决这一问题，可以增加一个积分校正环节1当控制量进入饱和区后，进行积分校正，执行削弱积分的运算，这样可以避免控制量长期停留在饱和区1带输出限幅与积分校正环节的数字PI算法如下：而积分项此处积分校正系数K控制原理综上所述，位置伺服系统的控制原理如图4所示1系统的位置环、速度环与电流环全部山东工业大学学报由软件实现，均采用数字PI调节器1坐标变换矢量控制、空间矢量PWM等均由软件完成1位置检测采用增量式光电编码器，转速n由机械位置H微分求得1去掉外面的位置环可以实现速度伺服系统的控制1伺服控制系统硬件与软件实现系统硬件构成及DSP基本特性伺服系统主要由用于控制的MSK243 DSP板、PM50逆变器功率放大板和永磁同步伺服电机及其同轴光电编码器等组成1功放板包括MOSFET功率场效应管逆变桥及其驱动电路（ IR2S） ，还包括电流检测电路等1本系统采用逆变器桥臂串接电阻并结合软件的方法，可以实现低成本的电流检测1 M SK243 DSP板的核心为TM SF243 DSP1这种DSP是T I公司为数字电机控制和运动控制优化设计的DSP控制器TM SX24X的一种1主要由CPU、片内544字RAM与8K字Flash EPROM、事件管理器、片内外设接口等几部分组成F243 CPU具有16位定点DSP内核，指令系统丰富灵活1运算速度为20M IPS，即指令周期为50 ns1它采用先进的改进型哈佛结构，程序存储器和数据存储器具有各自独立的数据总线和地址总线，分开的程序与数据存储空间使得CPU可以并行访问程序与数据1用于数据读和写的地址总线各自分开，使得在一个指令周期内可以完成数据的存入取出操作1这种高速运算能力使得一些复杂控制算法如智能控制能得以实现实时运算1事件管理器对运动控制提供了一些非常有用的功能11）两个16位通用定时器T1、T2，可用于产生采样周期、作为比较单元产生PWM输出的时间基准、作为QEP电路的时间基准（只能用T2）等12）比较单元与CMP/ PWM输出1共有3个全比较单元，每个全比较单元以定时器T1为时间基准，可输出2路带可编程死区的CMP/ PWM信号， 3个全比较单元可输出6路互补的PWM信号1通过设置T 1为不同工作方式，可选择输出非对称PWM波形、对称PWM波形和空间矢量PWM波形13）正交编码脉冲（ QEP）接口单元1对光电编码器输出的相差90b的A、B两路脉冲信号可进行鉴相和4倍频1外设接口单元提供了方便的输入输出控制电路11）一个准双10位A/ D电路，包含内部采样保持电路，共8个A/ D通道1每个通道的****转换时间仅为0. 85 Ls，完成两相电流的检测只需1. 7 Ls12）一个异步串行接口SCI和一个同步串行接口SPI1SCI为通用异步收发器（ UART） ，可用于与PC机进行串行通讯13）监视定时器（ WD）与实时定时器中断（ RT I） ，监控系统软件及硬件工作，在CPU工作混乱时，产生系统复位15） CAN现场总线?？?基于DSP的软件式伺服控制系统结构如图5所示1伺服系统的电流、速度和位置反馈信号分别由TMSF243 DSP的A/ D转换接口和QEP单元输入，控制器输出直接控制比较单元的比较值，从而控制输出PWM脉冲的宽度， PWM信号经功率场效应管MOSFET构成的桥式逆变电路驱动伺服电机1用SCI接口完成与上位机的串行通讯功能1通过上位机可以设定参考给定位置、速度、电流，也可将位置、速度、电流反馈检测量实时传送到上位机显示，也可以通过数字I/ O扩展的键盘设定给定量，由SPI接口完成串行驱动数码管显示功能1伺服系统与CNC数控系统的接口除了通常的模拟速度接口外，还增加了脉冲数字量接口和张东亮等：基于DSP的永磁同步电机软件式交流伺服系统串行通讯网络接口1软件结构伺服系统软件包括PC上位主机部分和DSP控制部分1软件实现上述的控制原理及系统功能1上位机软件为用户图形界面，采编程设计，通过串行通讯实现图形界面下控制器参数调整、标志设置、变量设定与状态显示等功能1 DSP方控制软件采用汇编语言与C语言结合编程，利用集成开发环境Code Com poser进行开发调试1软件可分为以下逻辑层： I/ O接口层、实时中断层、I/ O数据层和管理层1I/ O接口层包括： （ 1） SCI接口串行通讯 （ 2） ADC接口用于电流检测 （ 3） PWM接口用于产生逆变器命令（定时器T1产生PWM周期）　（ 4）定时器T1用于产生电流、速度与位置采样周期 （ 5） QEP单元和定时器T2用于测量电机转子位置1实时中断层包括定时器T 1实时中断、A/ D转换中断和串行通讯实时中断1在定时器T1实时中断程序中，进行正弦函数查表、坐标变换、数字PI控制等1I/ O数据交换层包括串行接收与发送数据交换，电流、速度、位置给定值与测量值数据交换1管理层包括上位机命令解释、参考给定生成、运动语言解释程序、键盘显示人机接口等1实验结果实验装置由永磁同步伺服电机、DSP板、逆变器功放板和一台奔腾óPC计算机组成1伺服电机内装分辨率为500线/ r的光电脉冲编码器，四倍频后为2000脉冲/ r，用于速度控制与位置控制的反馈1永磁同步伺服电机的规格参数为：额定转矩T压U = 19V额定电流I = 90 Ls反电势常数K转矩常数K = 25 mNm/ A转子转动惯量机械时间常数T = 8 ms电机极对数P先后进行了速度控制与位置控制实验1PWM频率的选择取决于电气时间常数，本系统PWM频率选为20 kHz1位置控制时q轴与d轴电流控制参数：采样周期T = 100 Ls，比例系数K = 20位置控转速响应曲线和位置响应曲线分别如图6， 7所示，性能曲线由T echnosoft运动控制实验记录1实验表明，采用TM SF243 DSP为核心组成的软件伺服系统，可以实现快速和高精度的速度与位置伺服控制1山东工业大学学报结论（ 1）理论与实验表明，矢量控制算法能够实现永磁同步电机的无脉动转矩实时控制，定子电流的幅值无论是瞬态还是稳态总是可以控制的1空间矢量PWM算法适合于与矢量控制算法配合产生永磁同步电机参考给定电压1（ 2）采用F243 DSP为核心组成的伺服控制系统，只需很少的系统元件，其性能高，成本较低1所选定点DSP是目前用于运动控制方面比较理想的选择，其价格低于通常模拟电路的价格，系统有很高的性能价格比1DSP的高速性能为实时智能控制策略的实现提供了现实基础1（ 3）伺服系统实现软件数字控制后，系统的控制精度、功能和抗干扰性都得到了很大提高1所提出的基于DSP的永磁同步电机软件式交流伺服系统结构与控制方法可以用于数控机床、工业机器人等领域