以DSP實現永磁式交流馬達之控制參數自動調整與極點配置控制設計

Abstract

本文使用德州儀器 (TI) 公司所研發生產的數位訊號處理器 (DSP) TMS320F240來實現一個數位化伺服馬達控制器。所採用的馬達為具有光學編碼器與霍爾感測器的永磁式同步馬達。在伺服控制迴路的規劃上則是以位置和速度迴路為系統的外迴路，電流迴路和向量控制則為系統的內迴路。在速度迴路部分，採用比例積分 (PI) 控制器，利用學習自動機方法對PI控制器的參數進行調整，並利用個人電腦與串列通訊埠 (RS-232) 實現線上即時參數自動調整，使得系統達到最佳化的效能。在位置迴路部分，利用多項式技巧以一個簡單且容易快速實行的IIR格式轉移函數來實現pole-placement設計，改善了傳統的比例 (P) 控制器無法有效的提升系統響應系統頻寬不足的缺點，明顯地提高了響應速度。 在硬體製作部分，本文採用德州儀器公司的TMS320F243這顆DSP當作控制晶片，配合複雜型可規劃邏輯晶片 (CPLD) 以及SRAM，研製出一個數位馬達控制板，使得交流伺服馬達控制器的發展朝向更輕巧化、更具有可靠性以及富彈性的目標前進。在人機介面部分，完成了一套以視窗為基礎的監控系統，提供一個快速且簡便的實驗學習環境。

A digital servo control system using a digital signal processor (DSP) chip TMS320F240 produced by TI company is presented in this paper. A Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) with photo-encoder and Hall sensor is used. In the part of servo control loop, the system uses position and speed regulations as the system outer loop, and the current regulation with vector control is used as the inner loop. In the part of velocity loop, the proportional and integral (PI) closed-loop control is employed, and the controller parameters are tuned by the learning automata method. The controller and the host PC have RS-232 interface for on-line tuning to achieve the system optimal performance. In position loop, an efficient implementation of pole-placement design using a polynomial equations approach in IIR format is proposed to improve the position control loop performance. In hardware design, a TMS320F243-based DSP servo controller has been developed. Main components in the digital motor control board (DMCB) include DSP (TMS320F243), CPLD, and SRAM. The developed system has reached compact size, flexibility, and high reliability. In human-interface, a window based supervisory control system is developed to support an easy experimental environment. 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究背景與發展概況 3 1.3 研究方法與系統描述 4 1.4 論文架構 5 第二章 交流伺服馬達之原理與向量控制 6 2.1 永磁式交流伺服馬達之數學模型 6 2.2 座標轉換 9 2.3 交流伺服馬達之向量控制 14 2.3.1 轉子初始角度之估測 15 2.3.2 反積分終結器 16 2.3.3 弱磁控制 18 第三章 速度迴路控制參數自動調整 21 3.1 自動學習機方法 21 3.2 線上自動參數調整之實現 24 第四章 以多項式實現Pole-Placement設計 30 4.1 狀態觀測器 30 4.2 包含狀態觀測器之伺服系統 31 4.3 多項式技巧 35 4.4 模擬結果 36 第五章 交流伺服向量控制之DSP實現 51 5.1 實驗系統之硬體架構 51 5.1.1 數位馬達控制板之製作 52 5.2 TMS320F240之簡介 55 5.3 伺服迴路之數值實現 61 5.3.1 定點DSP數值表示法 63 5.3.2 電流與速度精度 66 第六章 實驗結果 69 6.1 反積分終結器與弱磁控制之實驗結果 69 6.2 位置迴路之系統判別 69 6.3 速度迴路控制參數自動調整之實驗結果與分析 76 6.4 以多項式實現Pole-Placement設計之實驗結果 84 第七章 結論 91 參考文獻 92