1 引言
目前,交流伺服系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床,機器人等領(lǐng)域，在這些要求高精度，高動態(tài)性能以及小體積的場合，應(yīng)用交流永磁同步電機(pmsm)的伺服系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。pmsm本身不需要勵磁電流，在逆變器供電的情況下，不需要阻尼繞組，效率和功率因素都比較高，而且體積較同容量的異步電機小。近幾年來，隨著微電子和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的交流伺服系統(tǒng)采用了數(shù)字信號處理器(dsp)和智能功率模塊(ipm)，從而實現(xiàn)了從模擬控制到數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變。促使交流伺服系統(tǒng)向數(shù)字化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。本文介紹了一種基于永磁同步電機的伺服系統(tǒng)設(shè)計方法，其中采用f240dsp作為控制芯片，同時采用定子磁場定向原理(foc)進行控制。實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)設(shè)計合理，性能可靠，并也成功應(yīng)用于實際的伺服控制系統(tǒng)中。

2 pmsm數(shù)學(xué)模型
永磁電機可分為兩種:一種輸入電流為方波，也稱為無刷直流電機(bldcm);另一種輸入電流為正弦波，也稱為永磁同步電機(pmsm)。本文是基于對后者的系統(tǒng)設(shè)計。為建立永磁同步電機的轉(zhuǎn)子軸(dq軸)數(shù)學(xué)模型，作如下假定:
(1) 忽略電機鐵心的飽和;
(2) 不計電機的渦流和磁滯損耗;
(3) 轉(zhuǎn)子沒有阻尼繞組。
在上述假定下，以轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)(dq軸)表示的電機電壓方程表示如下:
定子電壓方程:

上述方程中ud，uq分別是定子電壓在d、q軸下的分量; id，iq分別是定子電流在d、q軸下的分量;ld、lq分別是定子電感在d、q軸下的等效電感;rs是定子電阻;ωe為轉(zhuǎn)子電角速度; ψf為轉(zhuǎn)子勵磁磁場鏈過定子繞組的磁鏈;p為微分算子; pn為電機極對數(shù); ωm為轉(zhuǎn)子機械角速度; j為轉(zhuǎn)動慣量; tl為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

3 矢量控制策略
上述方程是通過abc坐標(biāo)系統(tǒng)到dq轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系統(tǒng)的變換得到的。這里取轉(zhuǎn)子軸為d軸，q軸順著旋轉(zhuǎn)方向超前d軸90°電角度。其坐標(biāo)變換公式主要有克拉克變換和帕克變換。


從轉(zhuǎn)子坐標(biāo)來看，對于定子電流可以分為兩部分，即力矩電流iq和勵磁電流id。矢量控制中通常使id=0來保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩。此時式(5)的轉(zhuǎn)矩表達式變?yōu)?

由于pn、ψf都是電機內(nèi)部參數(shù)，其值恒定，為獲得恒定的力矩輸出，只要控制iq為定值。從而使永磁同步電機的矢量控制大大簡化。圖1是本系統(tǒng)的控制框圖，該系統(tǒng)可以工作于速度給定和位置給定模式下，并且pwm調(diào)制方法采用空間矢量調(diào)制法。

4 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

4.1 軟件設(shè)計
dsp伺服控制程序由3個部分組成:主程序的初始化、pwm定時中斷程序和dsp與周邊資源的數(shù)據(jù)交換程序。

圖1 伺服系統(tǒng)控制框圖

(1) 主程序
主程序先完成系統(tǒng)的初始化、i/o口控制信號管理、dsp內(nèi)各個控制模塊寄存器的設(shè)置等，然后進入循環(huán)程序，在這里完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存和報警內(nèi)容的更新。

(2) pwm定時中斷程序
pwm定時中斷程序是整個伺服控制程序的核心內(nèi)容，在這里實現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的采樣控制以及矢量控制、pwm信號生成、各種工作模式選擇和i/o的循環(huán)掃描。中斷控制程序周期為66.7μs，即ipm開關(guān)頻率為15khz。其中每個周期完成電流環(huán)的采樣和開關(guān)信號的輸出，每10個開關(guān)周期完成一次速度環(huán)和位置環(huán)控制。pwm控制信號采用規(guī)則采樣pwm調(diào)制方法生成，在每個采樣周期中對每相電流進行一次誤差判斷以決定該周期中的占空比。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

(3) 數(shù)據(jù)交換程序
數(shù)據(jù)交換程序主要包括與上位機的通訊程序、eeprom中參數(shù)的存儲、控制器鍵盤值的讀取和數(shù)碼管顯示程序。其中通訊采用rs232接口，根據(jù)特定的通訊協(xié)議接受上位機的指令，并根據(jù)要求傳送參數(shù)。eeprom的數(shù)據(jù)交換通過dsp的串口完成。鍵盤和數(shù)碼管顯示在每隔1200個周期掃描一次，更新顯示以及鍵值。

4.2 硬件設(shè)計
(1) dsp以及周邊資源
以dsp為核心的伺服系統(tǒng)硬件如圖2，整個系統(tǒng)的控制電路由dsp+gal組成。其中g(shù)al主要用于系統(tǒng)io空間的選通信號以及開關(guān)驅(qū)動信號的輸出控制等。dsp作為控制核心，接受外部信息后判斷伺服系統(tǒng)的工作模式，并轉(zhuǎn)換成逆變器的開關(guān)信號輸出，該信號經(jīng)隔離電路后直接驅(qū)動ipm模塊給電機供電。另外eeprom用于參數(shù)的保存和用戶信息的存儲。

(2) 功率電路
個主電路先經(jīng)不可控整流，后經(jīng)全橋逆變輸出。逆變器選用三菱公司的pm30rsf060系列igbt智能模塊。該模塊采用30a，600v的功率管，內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，并設(shè)計有過電壓、過電流、過熱、欠電壓、等故障檢測保護電路。系統(tǒng)的輔助電源采用反激式開關(guān)電源，主要供電包括六路開關(guān)管的驅(qū)動電源，dsp和gal以及io口控制芯片的電源和采樣lem以及光電編碼器的電源。

(3) 電流采樣電路
本系統(tǒng)的設(shè)計要求至少采樣兩相電流，由于負(fù)載的對稱性，故采樣ia和ic兩相電流，另一相電流由這兩相電流和求反獲得。采樣電路采用霍爾傳感器并經(jīng)模擬電路處理在±5v的電壓范圍內(nèi)，再經(jīng)雙極性a/d轉(zhuǎn)換芯片后送入dsp內(nèi)。

(4) 轉(zhuǎn)子位置檢測電路
電機反饋采用增量式光電編碼器，該編碼器分辨率為2500p/r，輸出信號包括a、b、z、u、v、w等脈沖，其中a、b信號互差90°(電角度)，dsp通過判斷a、b的相位和個數(shù)可以得到電機的轉(zhuǎn)向和速度。通過采集這些信號判斷電機轉(zhuǎn)子的位置和電機的轉(zhuǎn)速。另外u、v、w三相互差120°(電角度)，用于在電機啟動時判斷電機轉(zhuǎn)子的位置。

(5) 保護電路
系統(tǒng)在主回路設(shè)置了過壓、欠壓、igbt故障、電機過熱、ipm過熱、編碼器故障，故障信號經(jīng)邏輯電路后可直接封鎖開關(guān)脈沖，同時通過dsp的i/o口輸入，通過軟件檢測來實現(xiàn)系統(tǒng)的保護。

5 實驗結(jié)果
上述伺服系統(tǒng)采用交流永磁同步伺服電機，其額定功率2.5kw，額定電流10a，額定轉(zhuǎn)速2000r/min，額定轉(zhuǎn)矩6n·m,定子電感8.5mh，定子電阻2.8ω。圖3所示的是定子電流的iq分量啟動波形，通過仿真獲得; 圖4是在空載下電機額定速度的啟動波形，通過仿真獲得; 圖5是空載啟動時b相電流波形; 圖6是電機帶載穩(wěn)定運行時的b相電流波形。圖7所示的是伺服系統(tǒng)的定位過程，該圖通過串口通訊獲得，其橫坐標(biāo)代表時間軸，數(shù)值代表點數(shù)，兩個點的間距為2ms時間，縱坐標(biāo)代表電機的位置標(biāo)度?？梢钥闯?，電機在定位過程中沒有位置超調(diào)。

圖3 定子力矩和勵磁電流啟動波形 (仿真)


圖4 空載下速度啟動波形(仿真)


圖5 空載啟動時定子b相電流波形 (實驗)


圖6 穩(wěn)態(tài)運行時的電流波形(實驗)


圖7 電機的定位過程(實驗)

仿真和實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較快的動態(tài)響應(yīng)和較高的控制精度，并且可以工作于速度和位置兩種工作模式，在速度模式下實現(xiàn)調(diào)試功能，在定位模式下實現(xiàn)無超調(diào)的準(zhǔn)確定位，因此，能夠完全滿足伺服系統(tǒng)的要求。并且該系統(tǒng)已經(jīng)成功的應(yīng)用于數(shù)控車床的伺服控制系統(tǒng)中，結(jié)果表明該系統(tǒng)性能良好。

6 結(jié)束語
本系統(tǒng)硬件上采用dsp的控制結(jié)構(gòu)，電路設(shè)計簡單，緊湊，滿足了矢量控制實時性的要求，同時全數(shù)字化的控制，使系統(tǒng)在控制精度、功能和抗干擾能力上都有了很大程度的提高。
在充分利用dsp內(nèi)部資源的前提下，只需附加較少的電路元件，即可實現(xiàn)系統(tǒng)預(yù)定的功能，其低成本、高性能的控制特性使該系統(tǒng)具有很好的市場應(yīng)用前景。另外，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計也保證了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。

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作者簡介
胡慶波(1979-) 浙江大學(xué)博士研究生 主要研究方向:電力電子裝置的數(shù)控技術(shù)，伺服控制系統(tǒng)等。