交流永磁同步電機數字伺服技術(shù)

伺服技術(shù)是現代工業(yè)重要的支柱性技術(shù)，隨著(zhù)近年來(lái)不斷的發(fā)展，交流伺服在很多場(chǎng)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(PermanentMagnetSynchronousMotor，簡(jiǎn)稱(chēng)PMSM)是交流永磁伺服電動(dòng)機的一種，隨著(zhù)永磁體性能的提高和價(jià)格的下降，以及由永磁取代繞線(xiàn)式轉子中的勵磁繞組所帶來(lái)的一系列優(yōu)點(diǎn)如轉子無(wú)發(fā)熱問(wèn)題、控制系統 簡(jiǎn)單、具有較高的運行效率和較高的運行速度等等。在數控機床，機器人等小功率應用場(chǎng)合，已獲得了廣泛應用。

　　隨著(zhù)現代工業(yè)對精密化、高速化、高性能的要求的不斷發(fā)展，傳統的控制器在高要求的場(chǎng)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(chǎng)合，就必須要用專(zhuān)門(mén)的數字信號處理器(DSP)來(lái)代替傳統的控制器的部分功能。特別是在控制算法復雜或對算法進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化的時(shí)候，DSP獨特的快速計算的能力就明顯的體現出來(lái)。

　　另外，隨著(zhù)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(cháng)足的發(fā)展。集三相逆變器和保護電路、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、使交流伺服控制更方便、功耗更低、開(kāi)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出了明顯的優(yōu)越性。

　　系統概述

　　交流伺服數字化系統的硬件由DSP作為信號處理器，用旋轉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(lái)的信號經(jīng)過(guò)濾波整形等處理后反饋給DSP進(jìn)行運算，DSP經(jīng)過(guò)對參考信號和反饋信號的處理運算來(lái)調節伺服系統的電流環(huán)，速度環(huán)，和位置環(huán)的控制，最后輸出PWM信號經(jīng)過(guò)隔離驅動(dòng)IPM模塊實(shí)現電機的伺服閉環(huán)控制。系統的硬件結構如圖1所示。    

圖1硬件結構圖

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

圖2控制系統框圖

　　編碼器檢測的轉子位置實(shí)際信號與系統給定位置信號進(jìn)行比較，比較后的差值經(jīng)位置調節器PI調節后輸出轉子轉速給定信號，給定轉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)速度調節器調節后，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

　　在同步電機中，勵磁磁場(chǎng)與電樞磁通勢間的空間角度不是固定的，因此調節電樞電流就不能直接控制電磁轉矩。通過(guò)電機的外部控制系統，對電樞磁通勢相對勵磁磁場(chǎng)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(chēng)為矢量控制。

　　矢量控制也就是通過(guò)控制兩相的轉子參考坐標d-q軸的電流來(lái)等效控制電樞的三相電流。通過(guò)前面的系統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)

　　由電機非負載軸端安裝的編碼器隨時(shí)檢測轉子磁極位置，不斷的取得位置角信息，通過(guò)檢測實(shí)時(shí)的知道了θ，也就是說(shuō)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的坐標變化，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。

　　位置及速度的檢測

　　交流伺服電機內裝有編碼器進(jìn)行位置及速度的測量，大多數情況下，直接從編碼器出來(lái)的信號波形不規則，還不能直接用于控制，信號處理和遠距離傳輸，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(guò)電壓變換直接送入DSP的QEP引腳，經(jīng)譯碼邏輯單元產(chǎn)生轉向信號和4倍頻的脈沖信號。轉向信號是根據兩路信號的相位超前滯后決定的。由于存在正反轉的問(wèn)題，要求計數器具有可逆性，所以把通用定時(shí)器2設置為定向增減計數模式，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)行計數，計數的方向由轉向信號決定，如果QEP1的輸入相位超前，則增計數，反之則減計數。位置和轉速由脈沖數和脈沖頻率就可以決定。每轉的總脈沖數用M表示，T1時(shí)刻的脈沖數為m1，則電機轉過(guò)的角度就可以根據下式計算出來(lái)。

　　(2)

　　如果是多轉的情況下，再配合編碼器的Z相零位脈沖的計數值和相應定時(shí)器2的清零，就可以知道電機軸轉了多少圈多少角度了。電機轉子轉速的計算可以根據MT測速法，確定編碼器的速度公式如下：  

　　(3)

　　M1—定時(shí)間內計數器記錄的編碼器脈沖數；

　　M2—定時(shí)間內記錄的DSP的時(shí)鐘脈沖數；

　　N—編碼器線(xiàn)數，也就是倍頻前的編碼器的脈沖數；

　　Fclk—DSP的時(shí)鐘脈沖頻率。

　　結語(yǔ)

　　綜上所述，本文研究的數字交流伺服驅動(dòng)器，實(shí)行了模塊化設計，硬件結構簡(jiǎn)單，軟件編程容易?？梢暂p松實(shí)現PC機或者PLC與控制器的通信，這樣就實(shí)現了上位機能夠接受控制系統的實(shí)時(shí)參數和向伺服控制系統傳遞參數，對伺服系統進(jìn)行直接的控制。