《变频器世界》一种能提高数字交流伺服控制精度的算法研究作者：华中科技大学控制系文思国尹泉万淑芸[专家点评]1引言近年,交流伺服系统的应用已经十分广泛,特别是在要求高精度、快响应的应用场合,交流永磁同步电机伺服系统具有非常明显的优势。随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速、高集成度、低成本的微机和专用芯片的问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统成为可能。数字信号处理器(dsp)在实现全数字化交流伺服电机控制系统方面有着无可比拟的优势。然而目前dsp的机器字长仅为32位，为了满足高控制精度要求，本文提出了一种用软件方法扩展dsp计算字长的算法。2交流伺服系统的构成交流电动机加上传感器和控制器组成具有定位和跟踪功能的闭环系统。系统控制部分结构采用三环串级控制结构，第一环为转矩环，第二环为转速环，第三环为位置环。图1为基于矢量控制的交流伺服系统控制框图。3交流伺服系统的dsp实现一般的运动控制系统分为控制和功率驱动两大部分。功率驱动部分包括开关电源，集成功率模块(integratepowermodule，ipm)，电流霍尔采样电路，功率保护电路等，控制部分主要采用dsptms320lf2407a。基于tms320lf2407a的控制平台结构框图如图2所示，整个平台分为两大部分:tms320lf2407a组成运动控制系统的核心部分,主要任务是采集信号,完成控制算法,发出pwm驱动信号,同时利用其外设为平台提供外部i/o接口。4扩展dsp字长的算法4.1位置调节器的设计从图1中可以看出，电流环和转速环是内环，而位置环是外环，要提高控制精度，提高位置环的控制精度至关重要。电流环和转速环都采用pi调节器，最后位置环可等效为图3。为了保证位置不出现超调,一般位置伺服系统大都采用ⅰ型结构,位置调节器采用p调节器，则离散的p调节器输出表达式为u(k)=kp[θ*(k)-θ(k)]，位置误差表达式为e(k)=θ*(k)-θ(k)，其中θ*为输入给定值,θ为实际位置。4.2扩展dsp字长的算法为了提高控制精度可以把原来用32位有符号二进制表示的给定值和位置反馈值改成48位有符号二进制表示的数，这样字长加长了，精度也就自然提高了。由此涉及到的算法有:加法、减法、乘法、除法以及取绝对值算法。加、减法算法流程图如图4、5所示。乘法运算只要把设置简单，就可以通过移位运算来实现，在这里就不赘述了。图4减法流程图图5加法流程图48位有符号二进制数表示的给定值、位置反馈值以及位置误差除了用来运算以外，还要用来显示。由于伺服驱动器上用来显示的led有限，只有六位，而且第一位还要用来表示符号位，最大只能显示99999，而16位最大的二进制数为65535，因此，可以把48位二进制数分为低、中、高位字来分别显示，为了实现这样的拆分，需要相应的48位无符号二进制数的除法运算。在除法运算中要用到取绝对值运算。绝对值运算比较简单，就是把负的48位二进制补码取反再加1的运算。拆分低、中、高位字的除法流程图如图6和图7所示。图6低、中、高位字除法流程图图7高位字处理流程图4.3举例验证48位有符号二进制数的表示范围为:-140737488355328～+140737488355327从中任选一个数来验证,如取(-140727654356789)d=(80024a26e8cb)h，拆分结果如下:高位字为14072d;中位字为1543d，中位字加50000标志为1，加25000标志为1;低位字为6789d，低位字加50000标志为1。结果完全正确，符合要求。5结束语由于位置调节器的运算并不复杂，通过软件编程实现证明这种方法是可行的。通过这种扩展dsp字长的算法，从数值表示的角度系统控制精度得到了提高，误差得到了降低，系统性能得到了改善。参考文献[1]刘和平等.tms320lf240xdsp结构、原理及应用[m].北京:北京航空航天大学出版社,2002.[2]韩安太等.dsp控制器原理及其在运动控制系统中的应用[m].北京:清华大学出版社，2003.