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基于DSP和FPGA的三相异步电机矢量伺服系统

导读: 随着电力电子技术、微电子技术及交流伺服控制理论的发展,交流伺服驱动已经具有可与直流伺服驱动相比拟的性能,并且交流伺服传动技术已广泛应用于印刷、数控机床、食品包装、纺织、塑料、电子半导体等行业[1]。

  引言

 

  随着电力电子技术、微电子技术及交流伺服控制理论的发展,交流伺服驱动已经具有可与直流伺服驱动相比拟的性能,并且交流伺服传动技术已广泛应用于印刷、数控机床、食品包装、纺织、塑料、电子半导体等行业[1]。交流伺服传动系统的电机一般又分为交流永磁同步电机和鼠笼式交流异步电动机,在小功率范围交流永磁同步伺服系统有一定的优势但是在大功率伺服系统中,鼠笼式异步电机因结构简单、制造容易、价格低廉、应用范围广、过流能力大的特点而得到广泛应用[3]。笔者研制了一套基于ASIPM、现场可编程逻辑门阵列(FPGA)和专用的数字信号处理器 (DSP )的鼠笼式三相异步电动机伺服系统,本文介绍了系统控制原理、硬件和软件的设计,通过实验对其进行了验证。

 

  1系统控制原理

 

  感应电动机的矢量控制通常按照定子磁链Ψs、转子磁链Ψr和气隙磁链Ψm来定向[6];根据磁链位置检测方式的不同,矢量控制可分为直接矢量控制和间接矢量控制。该系统采用定向于转子磁链Ψr利用转差关系来估计磁链相对于转子的位置的间接矢量控制,通过采用坐标变换实现对电动机定子电流的解耦;采用可在任何速度范围内使用的基于电流模型估计,即利用速度信号和电流信号估计转子磁链分量 和 [2]。

  系统控制框图如图1所示。

  

  

  

 

  2控制系统的硬件设计

 

  以DSP为核心的伺服系统硬件如图3,整个系统的控制电路的核心由DSP + FPGA组成。

  

  2.1主控电路

  其中FPGA,型号为Xilinx 的XC3S400,主要用于信号的逻辑控制以及开关驱动信号的输出控制等。DSP型号为TMS320F2812,作为控制核心,接受外部信号后控制伺服系统的工作参数,并转换成逆变器的开关信号输出,该信号经隔离电路后直接控制ASIPM模块给电机供电。

  2.2功率电路

  整个主电路先经不控整流,后经全桥逆变输出。功率变换电路中采用三菱公司的一体化智能功率模块(ASIPM)PS12036。该模块采用15A,1200V的功率管,内部集成了驱动电路,并设计有短路、过电流、欠电压等故障检测保护电路。系统电源采用变压器降压隔离二极管整流滤波后由线性稳压电源和开关电源为各部分提供电源,主要包括DSP和FPGA.、电流采样和处理电路、光电编码器接口电路、7路PWM信号的驱动电源、串口电路和保护电路。

  2.3电流采样电路

  本系统的设计要求采样三相电流,采样电路采用霍尔传感器并经AD模拟电路限制在0V~3.0V的电压范围内,然后送人DSP的AD转换器中。

  2.4转子速度位置检测电路

  电机反馈采用增量式光电编码器,该编码器分辨率为2000线/转,输出脉冲信号A、B、Z,信号A、B相位依次相差90°(电角度),DSP通过判断A、B的相位和个数可以得到电机的转向和速度。Z信号每转一圈出现一次,用于位置信号的复位。光电编码盘脉冲信号经过接口电路隔离电平转换后送入DSP,经内部QEP电路实现四倍频,因此电机每圈的脉冲数是8000线/转。

 

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