基于DSP56F805的高性能伺服系统控制算法研究
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摘要
本论文在进行了以DSP为核心控制芯片的全数字交流永磁同步电机
(PMSM)伺服系统仿真软件设计的基础上，提出了采用Kalman滤波观测器提高
系统速度控制性能的方法。
论文首先介绍了国内外对伺服系统的研究情况。全数字化是现代伺服系统不
断追求的目标，也是本论文研究工作的指导思想。
为了满足高性能交流伺服的需要，必须采用闭环控制的方式。本文以交流永
磁同步电机为控制对象，从控制原理、控制方案确定等方面入手，建立了交流伺
服系统的双闭环结构数学模型，并通过仿真对系统进行了分析。
作为目前最先进的单片微处理器，DSP芯片功能强大、执行速度快、性能稳
定可靠，在伺服系统领域有着广泛的应用前景。本文设计了基于DSP56F805，
由速度和电流反馈控制回路构成的伺服系统实时仿真软件，并给出了其设计和编
制过程。
由于光电编码器的使用，位置信号的部分信息在数据采集的过程中丢失，使
得电机转动不稳定，因此有必要对测得的位置信息进行处理。本文利用Kalman
滤波器，对信号进行滤波。同时针对滤波器对电机参数变化敏感的特性，以及增
强系统鲁棒性的需要，引入增广最小二乘递推算法(RELS)，根据滤波的结果，
辨识电机机械参数的变化，并对速度控制器增益和滤波器参数进行修正。
计算机仿真和实验结果表明，论文提出的方法是切实可行的，其动态控制效
果是令人满意的。同时，本方法的研究，对提高伺服系统的性能具有一定的参考
价值和实用意义。
An emulation software of a fully digital PMSM servo system with DSP as its kernel controller is studied in this paper. To improve the performance of the system, an observer using Kalman filter is also proposed.
The paper first introduces the research work that has been done home and abroad on the servo system. Fully digital system has always been the goal to pursue in the field of servo system and provided fundamental impetus to the research work done in this paper.
To achieve a good performance both statically and dynamically, closed loop control method has to be applied. Using permanent magnet synchronous motor as the controlled object, this paper establishes two-closed-loop model of the PMSM servo system by computer simulation based on the selection of the control theory and the control method.
Being the most state-of-the-art single-chip microprocessor, DSP exhibits a superior functionality, high processing speed and reliable performance, and therefore has a wide application prospect in the field of servo system. This paper illustrates the emulation software architecture of the system based on DSP56F805. The design and implementation of the speed and current feedback loop are described in detail.
Some information of the position is lost during the data sampling due to the optical encoder. As the result, the smooth of the rotation is degraded, so it is necessary to deal with the data. This paper uses Kalman filter to process the signal. At the same time, the recursive extended least squares (RELS) parameter identification method identifies the variations of mechanical parameters, and the estimated parameters are used to modify the gain of the speed controller.
Computer simulation and experimental results are presented, from which the algorithm is proved to be feasible. Moreover, the study of the paper has a certain role on promoting the performance of the servo drivers.
(PMSM)伺服系统仿真软件设计的基础上，提出了采用Kalman滤波观测器提高
系统速度控制性能的方法。
论文首先介绍了国内外对伺服系统的研究情况。全数字化是现代伺服系统不
断追求的目标，也是本论文研究工作的指导思想。
为了满足高性能交流伺服的需要，必须采用闭环控制的方式。本文以交流永
磁同步电机为控制对象，从控制原理、控制方案确定等方面入手，建立了交流伺
服系统的双闭环结构数学模型，并通过仿真对系统进行了分析。
作为目前最先进的单片微处理器，DSP芯片功能强大、执行速度快、性能稳
定可靠，在伺服系统领域有着广泛的应用前景。本文设计了基于DSP56F805，
由速度和电流反馈控制回路构成的伺服系统实时仿真软件，并给出了其设计和编
制过程。
由于光电编码器的使用，位置信号的部分信息在数据采集的过程中丢失，使
得电机转动不稳定，因此有必要对测得的位置信息进行处理。本文利用Kalman
滤波器，对信号进行滤波。同时针对滤波器对电机参数变化敏感的特性，以及增
强系统鲁棒性的需要，引入增广最小二乘递推算法(RELS)，根据滤波的结果，
辨识电机机械参数的变化，并对速度控制器增益和滤波器参数进行修正。
计算机仿真和实验结果表明，论文提出的方法是切实可行的，其动态控制效
果是令人满意的。同时，本方法的研究，对提高伺服系统的性能具有一定的参考
价值和实用意义。
An emulation software of a fully digital PMSM servo system with DSP as its kernel controller is studied in this paper. To improve the performance of the system, an observer using Kalman filter is also proposed.
The paper first introduces the research work that has been done home and abroad on the servo system. Fully digital system has always been the goal to pursue in the field of servo system and provided fundamental impetus to the research work done in this paper.
To achieve a good performance both statically and dynamically, closed loop control method has to be applied. Using permanent magnet synchronous motor as the controlled object, this paper establishes two-closed-loop model of the PMSM servo system by computer simulation based on the selection of the control theory and the control method.
Being the most state-of-the-art single-chip microprocessor, DSP exhibits a superior functionality, high processing speed and reliable performance, and therefore has a wide application prospect in the field of servo system. This paper illustrates the emulation software architecture of the system based on DSP56F805. The design and implementation of the speed and current feedback loop are described in detail.
Some information of the position is lost during the data sampling due to the optical encoder. As the result, the smooth of the rotation is degraded, so it is necessary to deal with the data. This paper uses Kalman filter to process the signal. At the same time, the recursive extended least squares (RELS) parameter identification method identifies the variations of mechanical parameters, and the estimated parameters are used to modify the gain of the speed controller.
Computer simulation and experimental results are presented, from which the algorithm is proved to be feasible. Moreover, the study of the paper has a certain role on promoting the performance of the servo drivers.
引文
[1] 胡祐德，马东升，张莉松．伺服系统原理与设计．北京：北京理工大学出版社，1993
[2] 王季秩，曲家骐．执行电动机．北京：机械工业出版社，1999
[3] 王成元，周美文，郭庆鼎，矢量控制交流伺服驱动电动机．北京：机械工业出版社，1995
[4] 陈国呈．PWM变频调速技术．北京：机械工业出版社，1998
[5] 李志民，张遇杰．同步电动机调速系统．北京：机械工业出版社，1996
[6] 马小亮．大功率交-交变频交流调速及矢量控制．北京：机械工业出版社，1992
[7] 符曦．高磁场永磁式电动机及其驱动系统．北京：机械工业出版社，1997
[8] 金钰，胡祐德，李向春．伺服系统设计指导．北京：北京理工大学出版社，2000
[9] 李仁定．电机的微机控制．北京：机械工业出版社，1999
[10] 秦忆．现代交流伺服系统．武汉：华中理工大学出版社，1995
[11] 李泽元．“21世纪的电力电子技术”．在上海台达电力电子研发中心开幕酒会上的演讲，1999．6
[12] 郭庆鼎，王成元．交流伺服系统．北京：机械工业出版社，1994
[13] Sheng-Ming Yang, Shuenn-Jenn Ke. Performance Evaluation of a Velocity Observer for Accurate Velocity Estimation of Servo Motor Drives. IEEE Trans. Ind. Applicat. 2000(Vol.36, No. 1), p98～104
[14] R.Lorenz, K.Van Patten. High-Resolution Velocity Estimation for All-Digital, AC Servo Drives. IEEE Trans. Ind. Applicat. 1991(Vol.27, No.4), p701～705
[15] L.Harnefors, Hans-Peter Nee. A General Algorithm for Speed and Position Estimation of AC Motor. IEEE Trans. Ind. Electron. 2000(Vol.47, No. 1), p77～83
[16] 马葆庆．电动机控制技术．武汉：华中理工大学出版社，1997
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[18] 叶剑波，李耀华，张斌，王时毅．伺服系统滑模变结构扰动及瞬时转速观测器．电工电能新技术，1999(第18卷，第4期)，p49～52
[19] G. Zhu, L.Dessaint, O.Akhrif, A.Kaddouri. Speed Tracking Control of a Permanent-Magnet Synchronous Motor with State and Load Torque Observer. IEEE Trans. Ind. Electron. 2000(Vol.47, No.2), p346～354
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[22] S.Bolognani, R.Oboe, M.Zigliotto. Sensorless Full-Digital PMSM Drive With EKF Estimation of Speed and Rotor Position. IEEE Trans. Ind. Electron.1999(vol.46, No.1), p184～190
[23] 李烨，严欣平．永磁同步电动机伺服系统研究现状及应用前景．微电机，2001年(第34卷，第4期，总第121期)，p30～32
[24] 耿连发，田立坚，吴延忠．交流伺服系统的发展概况．微电机，1994年(第27卷，第4期，总第87期)，p23～27
[25] 刘昊，许镇林，窦汝振．DSP在全数字交流伺服系统中的应用．制造业自动化，2001(23(8))，p47～49
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