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1硬件設(shè)計

1．1CPU選型

根據(jù)永磁同步電動機伺服控制系統(tǒng)的特點，常采用DSP、ARM和FPGA作為CPU實現(xiàn)PMSM伺服控制。本文采用TI公司32位電機控制專用DSP芯片TMS320F28335作為CPU。TMS320F28335時鐘頻率可達150MHz;具有256KFLASH，16KSRAM，便于系統(tǒng)的擴展;具有6路對稱PWM輸出，輸出位數(shù)可達16位;具有16路12位高速A/D轉(zhuǎn)換通道，轉(zhuǎn)換時間可達80ns;具有獨立的浮點核運算單元，計算正余弦函數(shù)僅需37個時鐘周期。因此，針對反電勢為正弦波的永磁同步電動機的控制，TMS320F28335具有其他CPU無可比擬的優(yōu)勢。

1．2信號隔離模塊

小區(qū)播種機工況復(fù)雜，電流變換范圍寬。為減小永磁同步電動機運轉(zhuǎn)過程中對A/D轉(zhuǎn)換通道及CPU的影響，增強系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，提高控制精度，CPU與永磁同步電動機隔離供電。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DSP的PWM模塊與三相逆變器部分進行隔離，所采用型號為TI公司ISO7140。ISO7140最大傳輸速率可達50Mbps，每個隔離通道都有一個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)動芯片IR2131引腳。

1．3三相逆變器

小區(qū)播種機排種器伺服電機的工作電流一般為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)動芯片IR2131驅(qū)動分離MOS-FET實現(xiàn)永磁同步電動機的全橋驅(qū)動，功率放大部分電路原理圖。MOSFET型號為IRF3910，續(xù)流二極管型號為30WQ06F。0．22Ω電阻為母線過流采樣電阻，采樣電壓經(jīng)兩個10kΩ分壓后，送往ITRIP引腳。當ITRIP引腳電平高于0．5V時，將觸發(fā)剎車功能，封鎖IR2131輸出，同時將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引腳為強制剎車觸發(fā)引腳，當其為高電平時，強制觸發(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PMSM母線電流采樣。采樣電阻Rs將CSNE150－100輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。R1、R2、C1、C2、Rf與差分運算放大器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運放構(gòu)成放大與濾波電路是因為反向比例運算放大電路具有更高的輸入阻抗及更低的輸出阻抗。同時，濾波與放大電路分離設(shè)計更利于電路參數(shù)的計算。

2軟件設(shè)計

實現(xiàn)永磁同步電動機速度控制，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)坐標系轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標系，采用類似于直流電機的控制方法對PMSM進行控制。矢量控制能夠取得平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩，但是需要復(fù)雜的坐標變換。本文采用相電流直接控制方法實現(xiàn)PMSM電流/轉(zhuǎn)矩環(huán)的控制，避免了復(fù)雜的坐標變換。

3試驗驗證

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

4結(jié)論

設(shè)計了采用永磁同步電動機作為執(zhí)行機構(gòu)的小區(qū)播種機排種器伺服控制系統(tǒng)。采用永磁同步電動機代替步進電機，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，簡化了控制結(jié)構(gòu)。試驗結(jié)果表明:基于永磁同步電動機的控制系統(tǒng)避免了步進電機的失步問題，勻速時控制精度更高;變速時，控制誤差雖然有所增大，但是仍能滿足控制要求。所設(shè)計的控制系統(tǒng)質(zhì)量小，價格低，控制簡單，控制精度高，具有推廣應(yīng)用價值。

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