In modernen Bewegungssteuerungsprozessen stellen Echtzeit-Mess- und Steuerungssysteme höhere Anforderungen an die digitale Hochgeschwindigkeitssignalverarbeitung. Um den weltweiten Bedarf an Bewegungssteuerungssystemen zu decken, hat TI den 32-Bit-Festkomma-DSP-Controller TMS320F2810 für leistungsstarke und hochpräzise industrielle Steuerungsanwendungen auf den Markt gebracht. Die Leistung des x240 wurde um das Zehnfache verbessert. Er nutzt Software zur Datenverarbeitung, verfügt über leistungsfähigere Funktionen und flexiblere Algorithmen. Mit bis zu 128.000 Wörtern Flash-E2PROM und 2.000 Wörtern ROM erfüllt er die Anforderungen an hohe Rechenleistung und Verarbeitungsgeschwindigkeit [1]. CPLD (Complex Programmable Logic Device) konfiguriert mithilfe von computergestützter Designtechnologie die vom Design generierte Datendatei im statischen Datenspeicher (SRAM) des Chips. Er ist reprogrammierbar und ermöglicht die flexible Konfiguration von Hardware-Logikschaltungen, wodurch Platzbedarf und Komplexität der Leiterplatte reduziert werden. Durch die Kombination von DSP und CPLD in der Servomotorsteuerung sowie verbesserte Regelalgorithmen und Hardwarestrukturen erfüllt das gesamte Motorsteuerungssystem die Anforderungen an Drehzahl und Stabilität. Systemarchitektur: Das Regelobjekt des Systems ist ein dreiphasiger, vierpoliger Permanentmagnet-Synchronmotor mit 120° Drehwinkel. Der Encoder ist ein hybrider fotoelektrischer Encoder mit Differenzialübertragung zur Verbesserung der Störfestigkeit. Der Prozessor, ein TMS320F2810-Chip für digitale Steuerungssysteme, bildet das Herzstück des Systems und ist verantwortlich für die Implementierung von Regelstrategien und -algorithmen, die Kommunikation mit der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), die Verarbeitung von Systemdaten sowie Schutz- und Alarmfunktionen für das Servosystem. Der zentrale Chip der HMI ist der Mikrocontroller-Display-Chip Zhouligong 7289. Er sendet Drehzahl- und Regelparameter-Sollwerte, Start-/Stopp-Informationen usw. an den DSP und zeigt die Datenänderungen des Antriebssystems in Echtzeit an. Das Hardware-Steuermodul verwendet den ALTERA CPLD-EPM7128, einen integrierten Chip für spezifische Logik- und Timing-Funktionen. Er integriert einen Großteil der Leiterplattenentwicklung, wie Logikeingänge und Ausgangsreferenzen für externe fotoelektrische Gebersignale, in das Chipdesign. Dadurch lassen sich nicht nur verschiedene Logikfunktionen im Chipdesign realisieren, sondern auch der Aufwand und die Komplexität der Schaltungsentwicklung werden durch die flexible Anschlussdefinition deutlich reduziert. Dies erhöht die Flexibilität des Designs, verbessert die Arbeitseffizienz und erleichtert die Weiterentwicklung des Systems [2]. Das Blockdiagramm des Systems ist in Abbildung 1 dargestellt: CPLD-Design. Im stabilen Betrieb des Permanentmagnet-Servomotors werden seine synchrone Drehzahl und Rotorposition durch das vom fotoelektrischen Geber erzeugte, rotorsynchronisierte Impulssignal erfasst. Da das vom fotoelektrischen Geber erzeugte Impulssignal Oberwellen und Störungen enthält, werden die Drehzahl- und Positionsimpulssignale an die CPLD-Logik gesendet, um Störsignale herauszufiltern und gleichzeitig den DSP zu schützen, damit dieser den Code nicht auslesen kann [4]. Aus Platzgründen wird die Softwareverarbeitung der Drehzahlimpulssignale U+ und U- beispielhaft dargestellt. Die zugehörige VHDL-Beschreibung lautet wie folgt: `process(U+, U-, U, ERR) begin if(U+='0'and U-='1') then U<= U+, ERR=0; elsif(U+='0'and U-='0') then U<= Z, ERR=1; elsif(U+='1'and U-='0') then U<= U-, ERR=0; elsif(U+='1'and U-='1') then U<= Z, ERR=1; end; ` Prinzip des Steuerungsverfahrens : In Servosystemen können durch die Steuerung des elektromagnetischen Drehmoments von permanentmagneterregten Synchronmotoren die Winkelposition, Drehzahl und Beschleunigung des Motors den Anforderungen des Steuersignals entsprechen. Die Beziehung zwischen dem elektromagnetischen Drehmoment des Motors und der Motorspannung sowie dem Motorstrom ist multivariat und nichtlinear. Die Vektorregelung von Wechselstrommotoren ist ein effektives Mittel zur Lösung dieses Problems [3]. Das elektromagnetische Drehmoment T des Motors ist: T = KFsFfsinθsf (1). Die Richtung der Erregermagnetomotorkraft des Synchronmotors liegt auf der Magnetpolachse des Rotors. Wenn die Stärke der Statormagnetomotorkraft entlang der q-Achse ausgerichtet ist, beträgt θsf = 90°. Durch die Regelung der Stärke der Statormagnetomotorkraft lässt sich das Drehmoment T des Motors und somit die Motordrehzahl n regeln. Das mathematische Modell des Permanentmagnet-Synchronmotors lautet wie folgt: Ud＝R id ＋pψd－ωeψq （2） Uq＝R iq ＋pψq＋ωeψd （3） ψd＝Ld id ＋ψf （4） ψq＝Lq iq （5） Dabei ist ωe der elektrische Drehwinkel des Rotors; Ψf ist der dem Permanentmagneten entsprechende Rotorfluss. Durch Einsetzen der Gleichungen (3), (4) und (5) in Gleichung (2) ergibt sich: Ud = R id + p (Ld id + ψf) - ωeLq iq = R id + Ld p id - ωeLq iq (6) Die Transformation liefert: Ud + ωeLq iq = (R + Ld p) id (7) Analog erhält man: Uq - ωe(Ld id + ψf) = (R + p Lq) iq (8) Das elektromagnetische Drehmoment des Motors ergibt sich wie folgt: Der Faktor 1,5 wird hinzugefügt, da die Koordinatentransformation das Prinzip der konstanten Amplitude anstelle des Prinzips der konstanten Leistung anwendet. Wenn id = 0, ist Te = 1,5NpΨfiq, d. h. das elektromagnetische Drehmoment kann linear durch die Steuerung von iq geregelt werden. Die Struktur des Regelkreises ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Steuerung des Stroms entlang der dq-Achse erfolgt durch die Steuerung der Spannung entlang der dq-Achse. Die dq-Achsenspannung kann jedoch nicht direkt ausgegeben werden und muss, wie in Abbildung 2 (Regelkreisdiagramm) dargestellt, in das stationäre Dreiphasen-Koordinatensystem transformiert werden. Bei der Softwareentwicklung ist eine enge Anbindung an den Hardware-Kern F2810 erforderlich, um Echtzeitfähigkeit, Flexibilität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Die Software ist modular aufgebaut und besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: Initialisierungsmodul , Systemsteuerungsmodul und Kommunikationsmodul [5]. Das folgende Beispiel veranschaulicht die DSP-Implementierung der SVPWM-Steuerung und die zugehörige Software-Implementierungsmethode. Berechnung des Raumvektors: Wenn der zusammengesetzte Raumvektor Uout in Form der Komponenten Uout und Uoutβ im Oαβ-Koordinatensystem gegeben ist, werden zunächst B0, B1 und B2 mithilfe der folgenden Formel berechnet: B0 = Uoutβ, B1 = sin60°Uoutα - sin30°Uoutβ, B2 = -sin60°Uoutα - sin30°Uoutβ. Anschließend wird die Sektornummer P = 4sign(B2) + 2sign(B1) + sign(B0) berechnet, wobei sign(x) die Vorzeichenfunktion ist. Wenn x > 0, ist sign(x) = 1; wenn x < 0, ist sign(x) = 0. Die Softwareimplementierung für die Raumvektorberechnung mit dem F2810 sieht wie folgt aus: Wenn Vref1 > 0 {A = 1; sonst A = 0;} Wenn Vref2 > 0 {B = 1; sonst B = 0;} Wenn Vref3 > 0 {C = 1; sonst C = 0;} Sektor = 4C + 2B + A Variablenoperationen Um Gleitkommaoperationen mit einem Festkommaprozessor zu ermöglichen, muss die Systemsoftware eine geeignete Festkommatabellendarstellung verwenden. Unter Berücksichtigung verschiedener Systemparameter verwendet dieses System eine Q12-Festkommatabellendarstellung. Hinweis: Wenn der DSP-Timer den kontinuierlichen Inkrementierungs-/Dekrementierungszählmodus verwendet, ist der Periodenwert des Periodenregisters gleich T/2. Dabei ist VDC die Bus-Gleichspannung, VDCint der Spannungsskalierungskoeffizient und T die PWM-Interruptperiode. Berechnung der Sättigung des Zeitparameters Wenn der Wechselrichter unabhängig voneinander die Nullvektoren O000 und O111 ausgibt, bleibt der Statorflussverkettungsvektor Ψ des Motors stationär. Basierend auf dieser Eigenschaft wird die Aktionszeit t0 des Nullvektors während TPWM eingefügt, sodass TPWM = t0 + t1 + t2. Hierbei ist t0 die Leitungszeit des Nullvektors, und t1 und t2 sind die Aktivierungszeiten der Statorvektoren, die jeweils im Abstand von 60° an den Zielvektor angrenzen. Wenn die berechnete Zeit einen Sättigungswert erreicht, d. h. t1 + t2 > TPWM, erfolgt die Software-Implementierung wie folgt: Wenn (t2 + t1) > PWMPRD. Fazit: Umfangreiche Experimente haben gezeigt, dass dieses Steuerungssystem, das einen digitalen Signalprozessor mit einem programmierbaren Logikbaustein kombiniert, eine hervorragende Regelungsleistung, hohe Zuverlässigkeit und gute Stabilität aufweist und somit eine solide Grundlage für die Serienproduktion bildet. Die wichtigsten Vorteile sind: Verbesserte Systemleistung: Der Einsatz von integrierten Hochgeschwindigkeitsreglern verbessert die Genauigkeit, die Reaktionsgeschwindigkeit, das statische und dynamische Verhalten sowie die Stabilität des Systems. Hohe Programmierbarkeit: Mit programmierbaren Reglern implementierte Regelalgorithmen lassen sich einfach in Software implementieren, was die Fehlersuche und Wartung vereinfacht und System-Upgrades erleichtert. Hohe Integration: Dies reduziert die Größe des Steuerungssystems erheblich und spart Platz vor Ort. Energieeinsparung und Umweltschutz. Hohe Bedienbarkeit: Es verfügt über eine benutzerfreundliche Mensch-Maschine-Schnittstelle.