基于FPGA的交流伺服系统电流环带宽扩展_唐小琦

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1、第４２卷第２期华中科技大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．４２Ｎｏ．２２０１４年２月Ｊ．ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖ．ｏｆＳｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｆｅｂ．２０１４ＤＯＩ：１０．１３２４５／ｊ．ｈｕｓｔ．１４０２０１基于ＦＰＧＡ的交流伺服系统电流环带宽扩展唐小琦１１１２苏玲宏周向东程建军（１华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉４３００７４；２广州深圳市浩能科技有限公司，广东深圳５１８１７２）摘要在电流环的数学模型基础上，分析了电流环带宽与电流环路延时的关系，比较

2、了几种典型电流环时序下产生的延时，对电流采样和ＰＷＭ占空比更新时序进行了改进，并在ＦＰＧＡ中得到了具体的验证和实现．实验结果表明：这种改进的电流环时序克服了原有电流环时序的问题，能在不改变功率器件开关频率和不损失输出电压能力的基础上减小电流环路延时，从而提高电流环带宽，改善电流环和速度环的控制性能．关键词交流伺服系统；电流环；延时；带宽；时序中图分类号ＴＭ３８３．４文献标志码Ａ文章编号１６７１－４５１２（２０１４）０２－０００１－０５Ｂａｎｄｗｉｄｔｈｅｘｐａｎｓｉｏｎｏｆｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐ

3、ｆｏｒＡＣｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＦＰＧＡ１１１２ＴａｎｇＸｉａｏｑｉＳｕＬｉｎｇｈｏｎｇＺｈｏｕＸｉａｎｇｄｏｎｇＣｈｅｎｇＪｉａｎｊｕｎ（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；２ＳｈｅｎｚｈｅｎＨａｏｎｅｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｚｈｅｎｇ５１８１７２，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＣｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ

4、Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐｂａｎｄｗｉｄｔｈａｎｄｔｉｍｅｄｅｌａｙｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂａｓｅｄｏｎａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐａｎｄｔｈｅｔｉｍｅｄｅｌａｙｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｓｅｖｅｒａｌｔｙｐｉｃａｌｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐｔｉｍｉｎｇｓｗａｓｃｏｍｐａｒｅｄ．ＴｈｅｔｉｍｉｎｇｏｆｃｕｒｒｅｎｔｓａｍｐｌｉｎｇａｎｄＰＷＭｄｕｔｙｕｐｄａｔｅｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄ，ｗｈｉｃｈｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄａｎｄ

5、ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｏｎｏｎｅ－ｃｈｉｐＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ）．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅ－ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐｔｉｍｉｎｇｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐｄｅｌａｙｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｃｕｒ－ｒｅｎｔｌｏｏｐｂａｎｄｗｉｄｔｈｗｉｔｈｏｕｔｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄｌｏｓｉｎｇｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒ

6、ｅ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐａｎｄｓｐｅｅｄｌｏｏｐｗｅｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＡＣ（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ）ｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍ；ｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐ；ｄｅｌａｙ；ｂａｎｄｗｉｄｔｈ；ｔｉｍｅｓｅｑｕｅｎｃｅ交流伺服系统包括位置环、速度环、电流环三ＰＷＭ开关频率的前提下，尽量减小控制环路的个控制回路．其中，电流环是整个系统的最内层，延时，对电流环带宽的提高具有重要意义．文献其控制性能的优劣直接影响到伺服系统速度环和［

7、３］提出了在一个载波周期内双次电流采样双次［１］位置环的响应性能．理论上，内层的电流环带宽ＰＷＭ占空比更新的电流环时序策略，可以有效一定要高于外层速度环和位置环的带宽，否则整减小延时，理论上可扩展电流环带宽一倍以上．文个控制系统会不稳定或者响应不佳．献［４－７］提出了一种即时更新ＰＷＭ占空比的电在交流伺服控制系统中，制约电流环带宽的流环时序方法，其通过适当限制电压输出能力，可因素主要包括ＰＷＭ开关频率和控制环路的延等效消除计算延时，据此设计出的电流环带宽可［２－３］时．但由于受到开关器件性能和散

8、热能力的限以达到传统电流环带宽的三倍左右．制，中小功率伺服驱动器的开关频率一般控制在在上述文献提出方法的基础上，对电流环时［４］１０ｋＨｚ左右，提升空间不大．因此，在不提高序进行了改进，提出了一种新的电流环时序方法，收稿日期２０１３－０６－０５．作者简介唐小琦（１９５７－），男，教授；周向东（通信作者），博士，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｃｎｃｘｄｚｈｏｕ＠２６３．ｎｅｔ．基金项目科技重大专项基金资助项目（２０１２ＺＸ０４００１０１２）；广东省部产学研重大专项基金资助项目（２０１２Ａ０９０３０００１２）．·