基于IRMCK201和DSP的永磁同步电机数字化控制平台设计

基于IRMCK201和DSP的永磁同步电机数字化控制平台 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 基于IRMCK201和DSP的永磁同步电机数 字化控制平台设计 《工业控制计算机}2009年22卷第2期67 基于IRMCK201和DSP的 永磁同步电机数字化控制平台设计 PMSMDigitalControlPlatformBasedonIRMCK201andDSP 郭超楼佩煌蔡祺祥(南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016) 摘要 将运动控制专用芯片IRMCK201和高性能DSP芯片TMS320F2812相结合,采用 SERCOS总线作为伺服驱动的数 字化接口,搭建了永磁同步电机全数字化控制平台.分析并设计了平台的硬件结构, 包括lRMCK2O1实现电流环和速度环, DSP实现位置环以及与总线接口,监控模块的通信,功率驱动电路,保护电路和总 线接口模块设计.阐述了DSP和IRM— CK201的通信以及位置环和SERCOS从站的软件等系统实现的关键技术. 关键词:IRMCK201,DSP,SERCOS,永磁同步电机,数字化 Abstract ThispaperconstructsPMSMdigitalcontrolplatformusingthecombinationofmotioncontrolASICIRMCK201andhigh performanceDSPTMS320F2812asmaincontroller,andSERCOSasthedigitalinterfaceofservodriver.Thehardwarestructure ofplatformisdesigned.includingcurrentloopandspeedlooprealizedbyIRMCK201.positionlooprealizedbyDSP.communi- cationbetweenbusinterfaceandDSP.communicationbetweenPCmonitormoduleandDSP.andthedesignofpowerdrive circuit,protectioncircuitandbusinterfacemodule.Also,severalkeytechnologiesarediscussedinthispapersuchasthecorn- municationbetweenDSPandIRMCK201.aswellasthesoftwareofpositionloopandSERC OSslavestation. Keywords:lRMCK201.DSP,SERCOS,PMSM.Digital 本文将高性能DSP芯片TMS320F2812和运动控制专用 芯片IRMCK201相结合,实现内部三环的数字化控制,并采用 SERCOS总线实现伺服驱动接口的数字化,搭建了具有完整的 保护和监控功能的永磁同步电机全数字化,高性能控制平台. 1数字化控制平台的硬件结构设计与分析 基于IRMCK201和DSP的全数字化交流伺服驱动平台的 设计主要包括以lRMCK201为核心的电流环和速度环设计,以 TMS320F2812为核心的位置环设计,功率驱动电路设计,保护 电路设计以及SERCOS总线接口模块设计.其中电流环和速度 环设计包含基于IR2175的电流检测电路和电机转子的速度和 位置检测电路.其硬件结构图如图1所示. 图1数字化控制平台的硬件结构图 DSP作为主控芯片负责位置环处理,IRMCK201芯片的寄 存器设置,与SERCOS从站模块通信,键盘和显示以及与PC }江苏省精密与微细制造技术重点实验室开放式基(JSPM200701) 机的通信实现状态监控.IRMCK201接收电流检测电路反馈的 电流信号和转子的速度和位置检测电路反馈的编码器信号,完 成系统的电流环和速度环控制,并产生SVPWM信号来驱动功 率模块.保护电路可以输出信号到IRMCK201的GATEKILL引 脚和DSP的外部中断引脚,关断SVPWM信号,实现过流,欠 压,过压保护. 1.1以IRMCK201为核心的电流环和速度环设计 lRMCK20.1是通用的伺服电机控制平台,可用于控制永磁 交流电机以及带编码器的的交流感应电机.其主要针对于伺服 驱动系统的设计,具有快速的高性能伺服驱动能力.与传统的控 制方式不同的是,它不仅包含运动控制的外围功能(如SVP— WM,编码计数电路,电流传感接口,A/D转换接口等),而且也 包含通过硬件实现的FOC算法和速度控制算法.其内部结构图 如图2所示. 图2运动控制芯片IRMCK201内部结构图 由图2可知,IMRCK2O1具有完整的速度闭环控制和电流 闭环控制,从编码器接口接收到的脉冲信号经计算得到电机的 基于IRMCK201和DSP带有SERCOS接1:3的永磁同步电机数字化控制平台设 计 速度Wf,与参考速度INT_REF比较后到速度PI调节器进行运 算,得到参考电流i输出给电流环.从电流传感器IR2175接 口得到电流J和IW经Park变换转换成定子坐标系下的电流la 和},然后再经Clark变换转换成转子旋转坐标系的两相电流I 和lq,与参考电流i和i.相比较后分别到电流Pi调节器进行 运算得到电压Vd和V.,Vd和V.经Clark逆变换得到定子参考 电压V凼和V,通过SVPWM模块发出空间矢量PWM波到功 率电路来近似期望的定子参考电压,这就是矢量控制算法的硬 件实现.其中带死区时间设置的空间矢量PWM,Clark变换和 Park变换,电流环Pl调节器,速度环Pl调节器,速度测量单元 等均是通过逻辑硬件实现. 1.1.1基于IR2175的电流检测电路 单片高压电流传感芯片IR2175是为电机驱动设计的专用 lC,其作用是通过外部的分流电阻测量电机的相电流,将电流信 号从伺服电机的高压驱动电路转换到低压驱动电路,以便控制电 路进行信号处理.IR2175完成电机电流的测量时,可以直接与 IRMCK2O1连接,从而使得电机电流检测电路变得紧凑简单.基 于IR2175的永磁同步电机的V相电流检测电路如图3所示. 匿 图3基于IR2175的永磁同步电机的V相电流检测电路 lR2175的高压侧供电电压VB和补偿电压VS的输入来自 于Vfb,Vfb是VP相驱动电源.低压侧的供电电压为15V.PB接 到电机的定子V相绕组上,经过采样电阻后得到260mV以内的 采样电压信号输入到感应输入引脚VIN+,PDB是智能功率模 块的V相输出,输入到VlN一与PB进行比较,从PO口输出一 个占空比随电流幅值大小改变的数字PWM信号SENB,SENB 经过高速光耦6N137隔离后,输入到IRMCK201的lR2175接 口引脚IFB0,实现电机V相电流信号反馈,经过坐标变换,比 较,电流调节器及SVPWM输出,构成电流闭环. 1.1-2电机转子的速度和位置检测电路 本系统中利用复合式光电编码器采集永磁同步电机的转子 速度和位置信号,它输出两组信息:增量式的脉冲信号A+(A-), B+(B-),Z+(Z一)及带有绝对信息功能的信号U+(U一),V+(V一), W+(W一).为了提高系统的抗干扰性能,这六路脉冲信号均为差 分输入,经过滤波,整形连接到IRMCK201的编码器接口,其中 A+,A一信号的处理电路如图4.A+和A一经过滤波后输入正交 线性接收器AM26L32,得到输出AO,再经过整形后直接送到 IRMCK201的编码器接口引脚上. 德话A+ 4B0O 4AG 3B 3A 2B4y 2A3Y iB金2Y lA0iY G 13BO Ilz. 5A0 Cl24 1 图4编码器信号A+,A一的处理电路图 A,B两个信号是互差90.的脉冲序列,通过IRMCK201内 部测速单元可以计算出电机的速度和转动方向,与速度给定值 进行比较得到偏差,经过速度PJ调节器后得到电流给定值输出 到电流环.以上速度环运算均是在IRMCK201内部硬件实现, 只要设定IRMCK201速度环寄存器相应的值,就可以实现速度 闭环. 1.2以TM$320F2812为核心的位置环设计 对永磁同步电机进行精确的位置控制时,需要获得准确的 转子磁极位置,以调整空间矢量PWM波形的输出,控制逆变器 得到合适的驱动电压.复合式光电编码器反馈的信号中Z脉冲 用于基准点定位,U,V,W三路脉冲彼此相位相差12O.,根据它 们的高低电平关系就可粗略地估计电动机磁极现在的位置.在 电机起始时使用U,V,W信号可以实现电机的自启动.待电机 启动之后,精确的角位置由A,B信号获得.电机启动之后,U,V, W三路信号也可用于检测永磁同步电动机转子磁极位置信号的 诊断. 本系统中位置环的处理用高性能DSP芯片TM$320F2812 实现,TM$320F2812作为主机与lRMCK201进行通信,由光电 编码器产生的电机转子位置信号送入DSP的正交解码脉冲电 路(QEP电路),经过脉冲解码和计数可以得到位置信号,与上 位控制系统给定的参考位置进行比较得到差值,差值经位置调 节器运算后输出速度参考值到IRMCK201的速度环,参考速度 的给定是通过TM$320F2812和IRMCK201之间的通信来完成 的.由此可得,位置伺服控制系统中参考位置和电机转子实际位 置的读取,比较以及位置调节器都是由DSP的软件实现,软件 相对简单;位置环的硬件电路不需要其他外围器件,硬件设计简 单可靠. 1.3由智能功率模块组成的驱动电路设计 本控制平台的驱动电路为AC—DC—AC逆变电路,输入的 三相交流电压经整流,滤波,逆变环节后得到所需要的控制电压 供给伺服电机.整流电路采用整流模块GBJ2510将交流电变成 直流电.逆变部分产生的脉动电流和负载的变化会引起直流电 压脉动,要使用大电容进行滤波.逆变电路采用三菱公司的智能 功率模块(IPM)PS21867,其优势在于不需要对驱动电路,保护 RMCK201配合经过简单的电路,便 电路进行零位的设计,与I 可实现高精度和高可靠性的控制功能.驱动电路设计时需要注 意的问题主要有:对整流模块输出的直流电进行滤波的电容值 越大越好;lPM上桥臂的器件要有隔离控制电源以避免接地回 路噪声;IPM各相的控制电源端子要加去耦电容;PWM的隔离 驱动要采用高速光耦. 1.4保护电路的设计 本系统中故障保护是通过硬件电路检测系统的异常并采取 相应的保护动作,其实时性好,可靠性高.保护电路主要包括:欠 压保护电路,过压保护电路,过流保护电路. 1)IPM具有欠压保护功能,当IGBT下臂欠压时,IPM从 FOFI输出低电平,送人DSP的外部中断接口,来关闭PWM脉 冲输出使能.所以,欠压保护电路主要由FO故障信号光耦隔离 和信号分压组成. 2)过压保护电路主要采用比较器判断,输出经过光耦隔离 后,送入DSP芯片的外部中断接13,DSP响应之后与lRM— CK201通信,关闭PWM脉冲输出. 3)GATEKILL管脚是lRMCK201的门极关断引脚,当其得 到有效信号时,将关断所有六路PWM信号,对IPM起保护作 用.本系统中利用三极管连接在电阻两端,并连接比较器,比较 E 《工业控制计算~)2009年22卷第2期69 器输出经过光耦隔离后到GATEKILL引脚,通过三极管的通断 判断直流母线是否过流,当过流发生时,比较器输出使能 GATEKILL信号,达到过流保护目的. 1.5SERCOS总线接口模块设计 SERCOS总线接口电路主要包括:SERCON816总线控制 芯片,工作状态显示LED,光纤发送器HFBR一1506AMZ和接收 器HFBR一2506AMZ.SERCON816芯片集成了SERCOS总线 的物理层和数据链路层,通过设定片内寄存器和读写结构化的 双口RAM便可实现总线的通讯.TMS320F2812通过控制总 线,地址总线和数据总线对其进行操作,并响应来自SER— CON816的中断信号.本系统中将SERCON816的工作模式配 置为Intel总线模式,采用独立的数据和地址总线,数据总线宽 度为16位.ERRN引脚连接状态显示LED,用于显示SERCOS 光纤环路的状态.SERCON816芯片提供了6个输出引脚,可通 过设置控制寄存器的相应位,控制同时使用的输出线数量,从而 控制输出的光能量.当传输距离较远时,应使用较强的光能量, 避免光信号失真. 2数字化控制平台实现的几个关键问题 2.1TM$320F2812与lRMCK201之间的通信 系统中位置环给定速度参考值,各控制环节参数值的给定, lRMCK201寄存器读取,保护功能快速响应等的实现都依赖于 TMS320F2812与lRMCK201之间可靠,快速的通信. 采用通信速度最快的并1:3方式,IRMCK201的并I:1HPD[0: 7】与DSP的GPIOB0一GPIOB7相连,片选信号HPCSN,读使 能HPOEN,写使能HPWEN,地址使能HPA分别连接 GPIOA4一GPIOA7,由于lRMCK201寄存器读写时,四条控制 线只要给定正确的逻辑,就可以从数据线读取或写入寄存器的 值,因此用DSP的GPIO就可以模拟出读写逻辑,而不需要连 接地址线. 通信接口直接连接IRMCK201内部主寄存器组,HPA是地 址/数据的选择信号线,当选择地址时,主寄存器的值用来更新 地址寄存器.所以,数据线写入的值是寄存器的地址值,对某个 寄存器操作总是先写入其地址值,在读写其寄存器值.对于十六 位寄存器的操作,是先正常读写其低八位的值,然后在读写一 遍,数据寄存器中存放高八位的值,此时所操作寄存器的地址自 动偏移,不需要人工写入. 2.2对IRMCK201的操作和位置环的软件实现 对IRMCK201操作的DSP程序的流程如图5所示,DSP 初始化后要配置IRM— CK201,包括参考速度的 极限值,PWM波的周期和 死区时间,滑模增益,错误 监控以及速度环使能.配 置电机参数主要有编码器 计数使能,电机速度比例 因子,起始时读HALL传感 器的值以及根据反馈设置 电流Pl和速度PI调节器 的比例积分系数.读取电 流偏差主要是打开电流反 馈补偿使能位,从速度环 得到参考输人电流,关闭 电压修调PWM输出.然后 打开PWM和FOC使能, TMS:320F2812 }JJ&如化——…一 ' IRM(k:01 + IL磐敏 碘}U流偏 + 述7r器I 蛾俄 爻嫩编器伯0; 处埘 j皿j'=上制j扶'f;L,j《 lI誓}《{疆 —— 参弩化棚实 flJ}匕较 位『州红嚣返l7 j虫搜r器啡 flI参考述搜 圈5DSP对IRMCK201的操作 及位置环实现的流程圈 向速度寄存器写入数据. 图5中给出了位置环中断服务子程序,读取参考位置和编 码器信号是主要甩到DSP的正交解码电路,本平台中断服务程 序中可以运用多种位置环控制算法,如采用比例调节器使系统 动态性能较为平稳,使用PID和位置前馈的混合控制以提高系 统定位精度等. 2.3SERCOS从站的软件实现 SERCOS从站的控制程序主要任务是接收主站MDT报文 并采集状态信息,包括开关量和脉冲量信息,向主站反馈AT电 报,完成接口初始化和周期通讯处理,其流程图如图6. 图6从站周期通讯流程圈 首先进行SERCON816的初始化,包括控制寄存器和双口 RAM的初始化;然后进行CP0,CP3阶段的通讯初始化,此时 从站接收主站MST的阶段信息,初始化阶段寄存器和传输块标 志,并根据服务通道中断标志INLSC响应主站的读写请求和 过程命令. 在CP4周期通讯阶段,从站读取主站的控制指令MDT,根 据控制字中相应的标志位开始周期数据传输,从站扫描数据接 收中断,开始处理MDT数据,包括判断运行模式,运行状态要求 以及保存读缓冲区的指令值到数据存储区.然后开始允许中断, 进入时间中断等待,通过在从站两个时间点t0和t1的中断服务 程序,分别实现MDT指令的执行和AT数据的采集. 3结束语 本文设计了基于IRMCK201和TM$320F2812的数字化控 制平台,用其对额定功率为1.5kW,额定转速为1500r/min,额 定转矩为6.37N?m的永磁同步电机进行测试,结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明电机运 行平滑,达到了较好的控制性能. 永磁同步电机的数字化控制平台利用IRMCK201的硬件电 路实现电流环和速度环,DSP软件实现位置环,两者相互配合.既 实现了永磁同步电机的高性能速度和位置控制,又简化了交流伺 服系统的设计过程.同时,具有的SERCOS总线接口,可以进行高 速,高精度的数据传输,使伺服系统实现了真正意义上的数字化. 参考文献 [1]滕福林.基于IRMCK201的交流位置伺服系统研究与应用设计[J]. 伺服控制,2o07(3):27—35 [2]陈吉红,朱志红,熊清平.发展我国伺服驱动产业的探讨[J].伺服控 制,2007(2):12—15 [3]康存锋,陈卫福.基于SERCOS技术实现高速高精度运动控制[J]. 制造技术与机床.2002(6):8—9 [4]ToshioTakahashi.HighPerformanceACDrivebySingleChip MotionControlEngineIC.IRCorporation.2003 ?稿日期:2008.7.20]