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1硬件設(shè)計(jì)

1．1CPU選型

根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，常采用DSP、ARM和FPGA作為CPU實(shí)現(xiàn)PMSM伺服控制。本文采用TI公司32位電機(jī)控制專用DSP芯片TMS320F28335作為CPU。TMS320F28335時(shí)鐘頻率可達(dá)150MHz;具有256KFLASH，16KSRAM，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展;具有6路對(duì)稱PWM輸出，輸出位數(shù)可達(dá)16位;具有16路12位高速A/D轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)80ns;具有獨(dú)立的浮點(diǎn)核運(yùn)算單元，計(jì)算正余弦函數(shù)僅需37個(gè)時(shí)鐘周期。因此，針對(duì)反電勢(shì)為正弦波的永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制，TMS320F28335具有其他CPU無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

1．2信號(hào)隔離模塊

小區(qū)播種機(jī)工況復(fù)雜，電流變換范圍寬。為減小永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中對(duì)A/D轉(zhuǎn)換通道及CPU的影響，增強(qiáng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，提高控制精度，CPU與永磁同步電動(dòng)機(jī)隔離供電。傳統(tǒng)的光電耦合器，帶寬較窄，在上升沿及下降沿時(shí)波形容易發(fā)生畸變，并且光電耦合器屬于易損器件。本文中，采用數(shù)字隔離器對(duì)DSP的PWM模塊與三相逆變器部分進(jìn)行隔離，所采用型號(hào)為TI公司ISO7140。ISO7140最大傳輸速率可達(dá)50Mbps，每個(gè)隔離通道都有一個(gè)絕緣隔柵分開的邏輯輸入和輸出緩沖器，并在輸入端上有集成濾波器，可有效防止PWM總線或PMSM供電部分的噪聲電流進(jìn)入CPU供電系統(tǒng)，穩(wěn)定性更高DGND為CPU供電系統(tǒng)電源數(shù)字地，MGND為三相逆變器電源地，HIN、LIN、SD、FLT－CLR為三相逆變器中，MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片IR2131引腳。

1．3三相逆變器

小區(qū)播種機(jī)排種器伺服電機(jī)的工作電流一般為1～3A。為降低成本，提高功率放大模塊的穩(wěn)定性，采用IR公司MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片IR2131驅(qū)動(dòng)分離MOS-FET實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)的全橋驅(qū)動(dòng)，功率放大部分電路原理圖。MOSFET型號(hào)為IRF3910，續(xù)流二極管型號(hào)為30WQ06F。0．22Ω電阻為母線過流采樣電阻，采樣電壓經(jīng)兩個(gè)10kΩ分壓后，送往ITRIP引腳。當(dāng)ITRIP引腳電平高于0．5V時(shí)，將觸發(fā)剎車功能，封鎖IR2131輸出，同時(shí)將FAULT引腳置高，過流指示燈亮。FLT－CLR引腳可清除FAULT引腳高電平，解除IR2131輸出封鎖。SD引腳為強(qiáng)制剎車觸發(fā)引腳，當(dāng)其為高電平時(shí)，強(qiáng)制觸發(fā)IR2131剎車功能。

1．4電流采樣

根據(jù)系統(tǒng)的工作電流范圍，采用霍尼韋爾電流互感器CSNE150－100對(duì)PMSM母線電流采樣。采樣電阻Rs將CSNE150－100輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。R1、R2、C1、C2、Rf與差分運(yùn)算放大器AMP1構(gòu)成MFB型二階有源低通濾波器，截止頻率為之所以采用兩級(jí)運(yùn)放構(gòu)成放大與濾波電路是因?yàn)榉聪虮壤\(yùn)算放大電路具有更高的輸入阻抗及更低的輸出阻抗。同時(shí)，濾波與放大電路分離設(shè)計(jì)更利于電路參數(shù)的計(jì)算。

2軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)速度控制，一般采用兩環(huán)控制結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流/轉(zhuǎn)矩環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)。電流/轉(zhuǎn)矩常采用的控制方法為矢量控制。矢量控制利用abc－dq變換將三相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系，采用類似于直流電機(jī)的控制方法對(duì)PMSM進(jìn)行控制。矢量控制能夠取得平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩，但是需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換。本文采用相電流直接控制方法實(shí)現(xiàn)PMSM電流/轉(zhuǎn)矩環(huán)的控制，避免了復(fù)雜的坐標(biāo)變換。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)后的小區(qū)播種機(jī)排種器的控制效果。采用了類似文獻(xiàn)的試驗(yàn)驗(yàn)證方法。固定播種機(jī)作業(yè)距離為3m。理論上，當(dāng)播種機(jī)作業(yè)結(jié)束時(shí)，排種器應(yīng)旋轉(zhuǎn)360°。試驗(yàn)中，分別設(shè)定播種器的速度為2．5、3．5、4．0km/h和變速進(jìn)行作業(yè)。變速作業(yè)時(shí)，速度范圍為2．5～4．0km/h。每個(gè)速度形式分別進(jìn)行5組試驗(yàn)。作業(yè)結(jié)束時(shí)，記錄排種器上所裝備的2500線光電編碼器的輸出脈沖個(gè)數(shù)，并取其5組試驗(yàn)的平均值，作為評(píng)估排種器控制精度的依據(jù)。

4結(jié)論

設(shè)計(jì)了采用永磁同步電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的小區(qū)播種機(jī)排種器伺服控制系統(tǒng)。采用永磁同步電動(dòng)機(jī)代替步進(jìn)電機(jī)，體積更小。采用相電流直接控制法，無需經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)變換即可獲得平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩，簡(jiǎn)化了控制結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明:基于永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)避免了步進(jìn)電機(jī)的失步問題，勻速時(shí)控制精度更高;變速時(shí)，控制誤差雖然有所增大，但是仍能滿足控制要求。所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)質(zhì)量小，價(jià)格低，控制簡(jiǎn)單，控制精度高，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

作者：張健龔麗農(nóng)單位：青島農(nóng)業(yè)大學(xué)