交流永磁同步電機(jī)數(shù)字伺服技術(shù)

伺服技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)重要的支柱性技術(shù)，隨著近年來不斷的發(fā)展，交流伺服在很多場合逐步取代了以往的直流伺服技術(shù)，而三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)(PermanentMagnetSynchronousMotor，簡稱PMSM)是交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)的一種，隨著永磁體性能的提高和價(jià)格的下降，以及由永磁取代繞線式轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組所帶來的一系列優(yōu)點(diǎn)如轉(zhuǎn)子無發(fā)熱問題、控制系統(tǒng) 簡單、具有較高的運(yùn)行效率和較高的運(yùn)行速度等等。在數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人等小功率應(yīng)用場合，已獲得了廣泛應(yīng)用。

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)對精密化、高速化、高性能的要求的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的控制器在高要求的場合已經(jīng)不能夠勝任，在很多要求高實(shí)時(shí)性，高效率的場合，就必須要用專門的數(shù)字信號處理器(DSP)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制器的部分功能。特別是在控制算法復(fù)雜或?qū)λ惴ㄟM(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化的時(shí)候，DSP獨(dú)特的快速計(jì)算的能力就明顯的體現(xiàn)出來。

　　另外，隨著集成電路制造技術(shù)的進(jìn)步和電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流伺服也得到了長足的發(fā)展。集三相逆變器和保護(hù)電路、隔離電路、能耗制動(dòng)電路等功能為一體的智能功率模塊、先進(jìn)的電力電子器件的出現(xiàn)、使交流伺服控制更方便、功耗更低、開關(guān)時(shí)間更短、變頻范圍更寬、性能更優(yōu)越。這些都使交流伺服相對直流伺服體現(xiàn)出了明顯的優(yōu)越性。

　　系統(tǒng)概述

　　交流伺服數(shù)字化系統(tǒng)的硬件由DSP作為信號處理器，用旋轉(zhuǎn)編碼器和電流傳感器提供反饋信號，智能功率模塊IPM作為逆變器，經(jīng)傳感器出來的信號經(jīng)過濾波整形等處理后反饋給DSP進(jìn)行運(yùn)算，DSP經(jīng)過對參考信號和反饋信號的處理運(yùn)算來調(diào)節(jié)伺服系統(tǒng)的電流環(huán)，速度環(huán)，和位置環(huán)的控制，最后輸出PWM信號經(jīng)過隔離驅(qū)動(dòng)IPM模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)的伺服閉環(huán)控制。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。    

圖1硬件結(jié)構(gòu)圖

　　系統(tǒng)的控制為三環(huán)控制方式，位置控制是外環(huán)，也是最終目標(biāo)，速度控制是中環(huán)，電流控制是內(nèi)環(huán)。為了保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和定位時(shí)不產(chǎn)生震蕩，電流環(huán)和速度環(huán)均采用PID調(diào)節(jié)，位置調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的控制框圖如圖2：   

圖2控制系統(tǒng)框圖

　　編碼器檢測的轉(zhuǎn)子位置實(shí)際信號與系統(tǒng)給定位置信號進(jìn)行比較，比較后的差值經(jīng)位置調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)后輸出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速給定信號，給定轉(zhuǎn)速信號再與編碼器檢測的實(shí)際速度信號進(jìn)行比較，比較后的差值經(jīng)速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，輸出給定電流指令值，在于電流反饋實(shí)際值比較后進(jìn)行PWM控制。

　　矢量控制

　　在同步電機(jī)中，勵(lì)磁磁場與電樞磁通勢間的空間角度不是固定的，因此調(diào)節(jié)電樞電流就不能直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。通過電機(jī)的外部控制系統(tǒng)，對電樞磁通勢相對勵(lì)磁磁場進(jìn)行空間定向控制，控制兩者之間的角度保持固定值，同時(shí)對電樞電流的幅值也進(jìn)行控制，這種控制方式就稱為矢量控制。

　　矢量控制也就是通過控制兩相的轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)d-q軸的電流來等效控制電樞的三相電流。通過前面的系統(tǒng)控制框圖可以清楚理解這種等效，可以用下面的公式表示：   

　　(1)

　　由電機(jī)非負(fù)載軸端安裝的編碼器隨時(shí)檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，不斷的取得位置角信息，通過檢測實(shí)時(shí)的知道了θ，也就是說能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的坐標(biāo)變化，變換后的電流對逆變器進(jìn)行控制，產(chǎn)生PWM波形去控制電機(jī)。

　　位置及速度的檢測

　　交流伺服電機(jī)內(nèi)裝有編碼器進(jìn)行位置及速度的測量，大多數(shù)情況下，直接從編碼器出來的信號波形不規(guī)則，還不能直接用于控制，信號處理和遠(yuǎn)距離傳輸，所以要對信號進(jìn)行整形和濾波變成矩形波后再反饋給DSP，處理后的兩路相互正交的編碼器信號A、B經(jīng)過電壓變換直接送入DSP的QEP引腳，經(jīng)譯碼邏輯單元產(chǎn)生轉(zhuǎn)向信號和4倍頻的脈沖信號。轉(zhuǎn)向信號是根據(jù)兩路信號的相位超前滯后決定的。由于存在正反轉(zhuǎn)的問題，要求計(jì)數(shù)器具有可逆性，所以把通用定時(shí)器2設(shè)置為定向增減計(jì)數(shù)模式，把倍頻后的正交編碼脈沖作為定時(shí)器2的輸入時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的方向由轉(zhuǎn)向信號決定，如果QEP1的輸入相位超前，則增計(jì)數(shù)，反之則減計(jì)數(shù)。位置和轉(zhuǎn)速由脈沖數(shù)和脈沖頻率就可以決定。每轉(zhuǎn)的總脈沖數(shù)用M表示，T1時(shí)刻的脈沖數(shù)為m1，則電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度就可以根據(jù)下式計(jì)算出來。

　　(2)

　　如果是多轉(zhuǎn)的情況下，再配合編碼器的Z相零位脈沖的計(jì)數(shù)值和相應(yīng)定時(shí)器2的清零，就可以知道電機(jī)軸轉(zhuǎn)了多少圈多少角度了。電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的計(jì)算可以根據(jù)MT測速法，確定編碼器的速度公式如下：  

　　(3)

　　M1—定時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器記錄的編碼器脈沖數(shù)；

　　M2—定時(shí)間內(nèi)記錄的DSP的時(shí)鐘脈沖數(shù)；

　　N—編碼器線數(shù)，也就是倍頻前的編碼器的脈沖數(shù)；

　　Fclk—DSP的時(shí)鐘脈沖頻率。

　　結(jié)語

　　綜上所述，本文研究的數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)行了模塊化設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件編程容易。可以輕松實(shí)現(xiàn)PC機(jī)或者PLC與控制器的通信，這樣就實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)能夠接受控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù)和向伺服控制系統(tǒng)傳遞參數(shù)，對伺服系統(tǒng)進(jìn)行直接的控制。