2024年4月24日发(作者：巫代桃)
摘要
运动控制技术是数控机床、机器人等重要组成部分，交流伺服系统由于其
优异的特性而在现代运动控制系统中得到了广泛的应用。随着各种专用运动
控制芯片的出现及数字信号处理器（ＤＳＰ）性能的不断提高，应用先进算法，
开发全数字化的智能控制系统将成为新一代运动控制设计的发展方向。本文
所介绍的正是一种以数字信号处理器（ＤＳＰ）和伺服专用芯片（ＩＲ２０１）为核
心的两轴永磁同步伺服运动控制系统的设计方案。
本文是以我校数控实验室两轴试验平台改进计划项目—基于ＤＳＰ交流
伺服两轴运动控制系统的研究与设计为背景，详细讨论了永磁同步电机的精
确数学模型、矢量控制原理以及利用伺服专用芯片实现电机控制策略等问题。
给出了软、硬件设计方案。
在两轴及多轴控制系统中，通常用到电动机种类分为步进和同步型ＡＣ伺
服电机两种。由于步进电机低速转动时振动和噪声大以及失步等缺点，因此
用转子作为永磁材料的同步伺服电动机获得了比前者更为广泛的应用。该课
题就是采用交流永磁同步电机，同时将数字信号处理器（ＤＳＰ）和伺服专用芯
片“ＲＭＣＫ２０１）相结合．ＤＳＰ芯片完成运动控制中的直线、圆弧插补算法等，
而芯片ＩＲＭＣＫ２０１是一款新出的伺服专用芯片，它简化了传统复杂的电机矢量
控制算法并提高了精度和稳定性，有助于缩短两轴及多轴控制系统研发周期
及提高设计水平。
本课题所研究的理论和所采用的技术都是当前运动控制领域里的“热
点”，所做的研究工作，为将永磁同步电机广泛地应用与各类多轴运动系统提
供了一定的理论参考依据和工程实际方法。
关键词：数字信号处理器永磁交流伺服系统运动控制插补算法
Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ－ａｘｉｓ ｍｏｔｉｏｎ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＰＭＳＭ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｍｏｔ ｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ ＣＮＣ ａｎｄ Ｒｏｂｏｔｓ． Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ
（ＰＭＳＭ） ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｏｄｅｍ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｉｔｓ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ （ＤＳＰ） ａｎｄ ｓｅｖｒｏ ｃｈｉｐ ｆｏｒ
ｍｏｔｉｏｎ （ＩＲＭＣＫ２０１）， ａｐｐｌｙｉｎｇ ａｄｖａｎｃｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｆｕｌｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
ｗｉｌｌ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｇｅｎｅｒａｌ ｔｅｎｄｅｎｃｙ恤伪。ｆｉｅｌｄ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ， ａ ｄｏｕｂｌｅ－ａｘｉｓ ＡＣ ｓｅｖｒｏ
ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ （ＤＳＰ） ａｎｄ ｓｅｒｖｏ比币ｆｏｒ ｍｏｔｉｏｎ （ＩＲＭＣＫ２０１） ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．
Ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｕｐｄａｔｉｎｇ ｄｏｕｂｌｅ－ａｘｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ血ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｂ她ｏｕｒ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ： ｅｒｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ－ａｘｉｓ ｍｏｔｉｎ ｏｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＰＭＳＭ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ． Ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｓ ｏｆ Ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＰＭＳＭ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ运ｔｈｅ
ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ叩ｐｌｉｅｄ ｔｏ
山．ＰＭＳＭ ｃｏｎｔｒｏｌ， ａｎｄ ｓｈｏｗ出．ｂｌｕｅ ｐｒｉｎｔ ａｂｏｕｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ．
Ｇｅｎｅ ｒａｌｌｙ， ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｐｐｌｉｅｄ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｕｄｂｌｅ－ａｘｉｓ ｏｒ
ｍｕｌｔｉ－ａｘｉｓ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｏｒｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇ ｏｆ ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ， ｓｕｃｈ ａｓ ｔｅｎｄｉｎｇ
ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｕｔ ｏｆ ｓｔｅｐ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｓｏ ｔｈｅ ＰＭＳＭ ｉｓ ｍｏｒｅ ｐｏｐｕｌａｒ ｔｈａｎ．，“证奴
ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ＰＭＳＭ￣ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ加ｔｈｅ ｔｏｐｉｃ ｉｎ ｏｒｄｅｒ协ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ
ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｏｒｌ． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，山．ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐｉｃ ｌｉｅ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｃｔ ｔｈａｔ
ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ＤＳＰ ｃｈｉｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｈｉｐ （ＩＲＭＣＫ２０１） ｆｏｒ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ
ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ． Ｍａｎｙ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｅｘｅｃｕｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ＤＳＰ
Ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ＩＲＭＣＫ２０１ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ ｉｓ ａ ｌａｔｅ－ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉａｌ ＩＣ ｆｏｒ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｉｔ
ｒｅｄｏｕｎｄ ｔｏ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ－ａｘｉｓ ｏｒ ｍｕｌｔｉ－ａｘｉｓ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ
2024年4月24日发(作者：巫代桃)
摘要
运动控制技术是数控机床、机器人等重要组成部分，交流伺服系统由于其
优异的特性而在现代运动控制系统中得到了广泛的应用。随着各种专用运动
控制芯片的出现及数字信号处理器（ＤＳＰ）性能的不断提高，应用先进算法，
开发全数字化的智能控制系统将成为新一代运动控制设计的发展方向。本文
所介绍的正是一种以数字信号处理器（ＤＳＰ）和伺服专用芯片（ＩＲ２０１）为核
心的两轴永磁同步伺服运动控制系统的设计方案。
本文是以我校数控实验室两轴试验平台改进计划项目—基于ＤＳＰ交流
伺服两轴运动控制系统的研究与设计为背景，详细讨论了永磁同步电机的精
确数学模型、矢量控制原理以及利用伺服专用芯片实现电机控制策略等问题。
给出了软、硬件设计方案。
在两轴及多轴控制系统中，通常用到电动机种类分为步进和同步型ＡＣ伺
服电机两种。由于步进电机低速转动时振动和噪声大以及失步等缺点，因此
用转子作为永磁材料的同步伺服电动机获得了比前者更为广泛的应用。该课
题就是采用交流永磁同步电机，同时将数字信号处理器（ＤＳＰ）和伺服专用芯
片“ＲＭＣＫ２０１）相结合．ＤＳＰ芯片完成运动控制中的直线、圆弧插补算法等，
而芯片ＩＲＭＣＫ２０１是一款新出的伺服专用芯片，它简化了传统复杂的电机矢量
控制算法并提高了精度和稳定性，有助于缩短两轴及多轴控制系统研发周期
及提高设计水平。
本课题所研究的理论和所采用的技术都是当前运动控制领域里的“热
点”，所做的研究工作，为将永磁同步电机广泛地应用与各类多轴运动系统提
供了一定的理论参考依据和工程实际方法。
关键词：数字信号处理器永磁交流伺服系统运动控制插补算法
Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ－ａｘｉｓ ｍｏｔｉｏｎ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＰＭＳＭ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｍｏｔ ｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ ＣＮＣ ａｎｄ Ｒｏｂｏｔｓ． Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ
（ＰＭＳＭ） ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｏｄｅｍ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｉｔｓ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ （ＤＳＰ） ａｎｄ ｓｅｖｒｏ ｃｈｉｐ ｆｏｒ
ｍｏｔｉｏｎ （ＩＲＭＣＫ２０１）， ａｐｐｌｙｉｎｇ ａｄｖａｎｃｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｆｕｌｌ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
ｗｉｌｌ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｇｅｎｅｒａｌ ｔｅｎｄｅｎｃｙ恤伪。ｆｉｅｌｄ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ， ａ ｄｏｕｂｌｅ－ａｘｉｓ ＡＣ ｓｅｖｒｏ
ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ （ＤＳＰ） ａｎｄ ｓｅｒｖｏ比币ｆｏｒ ｍｏｔｉｏｎ （ＩＲＭＣＫ２０１） ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．
Ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｕｐｄａｔｉｎｇ ｄｏｕｂｌｅ－ａｘｉｓ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ血ｎｕｍｅｒｉｃａｌ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｌａｂ她ｏｕｒ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ： ｅｒｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ－ａｘｉｓ ｍｏｔｉｎ ｏｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＰＭＳＭ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ． Ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｓ ｏｆ Ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ＰＭＳＭ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ运ｔｈｅ
ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ叩ｐｌｉｅｄ ｔｏ
山．ＰＭＳＭ ｃｏｎｔｒｏｌ， ａｎｄ ｓｈｏｗ出．ｂｌｕｅ ｐｒｉｎｔ ａｂｏｕｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ．
Ｇｅｎｅ ｒａｌｌｙ， ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ａｐｐｌｉｅｄ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ ａｎｄ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｕｄｂｌｅ－ａｘｉｓ ｏｒ
ｍｕｌｔｉ－ａｘｉｓ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｏｒｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇ ｏｆ ｓｔｅｐ ｍｏｔｏｒ， ｓｕｃｈ ａｓ ｔｅｎｄｉｎｇ
ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｕｔ ｏｆ ｓｔｅｐ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｓｏ ｔｈｅ ＰＭＳＭ ｉｓ ｍｏｒｅ ｐｏｐｕｌａｒ ｔｈａｎ．，“证奴
ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ， ｔｈｅ ＰＭＳＭ￣ａｌｓｏ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ加ｔｈｅ ｔｏｐｉｃ ｉｎ ｏｒｄｅｒ协ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ
ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｎ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｏｒｌ． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，山．ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐｉｃ ｌｉｅ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｃｔ ｔｈａｔ
ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ＤＳＰ ｃｈｉｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｈｉｐ （ＩＲＭＣＫ２０１） ｆｏｒ ｓｅｒｖｏ ｍｏｔｏｒ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ
ａｎｄ ａｐｐｌｉｅｄ． Ｍａｎｙ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｅｘｅｃｕｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ＤＳＰ
Ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ＩＲＭＣＫ２０１ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ ｉｓ ａ ｌａｔｅ－ｍｏｄｅｌ ｓｐｅｃｉａｌ ＩＣ ｆｏｒ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｉｔ
ｒｅｄｏｕｎｄ ｔｏ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ－ａｘｉｓ ｏｒ ｍｕｌｔｉ－ａｘｉｓ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ