在目前廣泛應(yīng)用于數(shù)控車床、紡織機(jī)械等領(lǐng)域的伺服系統(tǒng)中，采用全數(shù)字的控制方式已是大勢(shì)所趨。數(shù)字化控制與模擬控制相比不僅具有控制方便、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也為伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制開(kāi)辟了發(fā)展空間。全數(shù)字控制的伺服系統(tǒng)不僅可以方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制，同時(shí)通過(guò)軟件的編程可以實(shí)現(xiàn)多種附加功能，使得伺服系統(tǒng)更為人性化，智能化，這也正是模擬控制所不能達(dá)到的。 　　 目前，對(duì)伺服系統(tǒng)的研究已有大量的文獻(xiàn)[1-5]進(jìn)行了報(bào)道。本文基于ti公司f2407a dsp控制芯片，建立了全數(shù)字控制的伺服系統(tǒng)thrsv-1，該系統(tǒng)可以工作于定位、脈沖跟蹤、模擬量跟蹤、力矩給定、調(diào)速五種模式。在采用1024脈沖/轉(zhuǎn)的光電編碼盤時(shí)，電機(jī)的定位精度可以達(dá)到每轉(zhuǎn)的1/4096。當(dāng)工作于脈沖跟蹤模式時(shí)，其轉(zhuǎn)速隨著脈沖頻率的變化而改變，轉(zhuǎn)過(guò)的角度和輸入脈沖的總數(shù)成正比。而在模擬量跟蹤時(shí)可以實(shí)現(xiàn)s曲線、階躍、正弦等多種速度曲線，真正實(shí)現(xiàn)任意速度曲線的跟蹤。力矩模式使得電機(jī)輸出力矩恒定，可用于多臺(tái)聯(lián)動(dòng)的場(chǎng)合。最后，基本的調(diào)速方式滿足最為常用的控制要求，當(dāng)電機(jī)工作于額定轉(zhuǎn)速以上時(shí)，采用了弱磁升速技術(shù)。 磁場(chǎng)定向控制原理 　　 為了分析方便，先對(duì)三相異步電機(jī)做如下理想化假定: 電機(jī)定轉(zhuǎn)子三相繞組完全對(duì)稱; 定轉(zhuǎn)子表面光滑，無(wú)齒槽效應(yīng)，定轉(zhuǎn)子每相氣隙磁動(dòng)勢(shì)在空間呈正弦分布; 磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計(jì)。 [align=center] 圖1　異步電機(jī)α—β和d—q坐標(biāo)系[/align] 圖1是三相異步電機(jī)的坐標(biāo)圖，其中a、b、c分別為三相定子繞組，α-β為兩相定子坐標(biāo)，d-q為兩相以ωo角速度旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)，isd、isq、isα、isβ分別是定子電流矢量is在d、q、α、β軸上的分量。 　　 對(duì)于一般電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)而言，從轉(zhuǎn)矩到轉(zhuǎn)速近似為一個(gè)積分環(huán)節(jié)，其積分時(shí)間常數(shù)由電機(jī)和負(fù)載的機(jī)械慣量決定，為不可控量，因此轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞直接關(guān)系到一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性。從轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可以看出，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一般和定子電流矢量和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)以及夾角有關(guān)。因此，要想控制轉(zhuǎn)矩，必須先檢測(cè)和控制磁通。在磁場(chǎng)定向矢量控制中，一般把d-q坐標(biāo)系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上，把靜止坐標(biāo)系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，并使d軸和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向重合，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁通q軸分量為零（ψrg=0），此時(shí)有如下幾式: 其中式（1）－（5）為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方程式。漏磁系數(shù)=1-lm2/lslr，τr=lr/rr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，ωs為轉(zhuǎn)差角速度，ω0轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的角速度，ωr是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。式（3）－（6）是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制的電流模型公式，用來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值和角度。由式（3）不難發(fā)現(xiàn)，只需檢測(cè)定子電流的d軸分量即可觀測(cè)出轉(zhuǎn)子磁通幅值。由式（7）可知，當(dāng)ψrd恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和電流的q軸分量或轉(zhuǎn)差成正比，沒(méi)有最大值限制，通過(guò)控制定子電流的q軸分量即可控制電磁轉(zhuǎn)矩。因此，也稱定子電流的d軸分量為勵(lì)磁分量，定子電流的q軸分量為轉(zhuǎn)矩分量。因此，可以通過(guò)定子電流的d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通，q軸分量來(lái)控制轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)了磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。 [align=center] 圖2　伺服系統(tǒng)模型[/align] 圖2是整個(gè)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制的原理框圖，整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)環(huán)組成，由外到內(nèi)分別是位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。其中位置環(huán)是在采用定位模式時(shí)進(jìn)行閉環(huán)控制，在其他工作模式下不進(jìn)行電機(jī)軸位置量的控制。 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì) 　　 dsp以及周邊資源 以dsp為核心的伺服系統(tǒng)硬件如圖4，整個(gè)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(hào)以及開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(kāi)關(guān)信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)隔離電路后直接驅(qū)動(dòng)ipm模塊給電機(jī)供電。另外eeprom用于參數(shù)的保存和用戶信息的存儲(chǔ)。 功率電路 　　 整個(gè)主電路先經(jīng)不控整流，后經(jīng)全橋逆輸出。逆變器選用igbt智能模塊。該模塊采用10a，600v的功率管，內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，并設(shè)計(jì)有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠電壓、等故障檢測(cè)保護(hù)電路。系統(tǒng)的輔助電源采用線性穩(wěn)壓電源，主要供電包括六路開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電源，dsp和gal以及i/o口控制芯片的電源和采樣lem以及光電編碼器的電源。 電流采樣電路 　　 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求至少采樣兩相電流，由于負(fù)載的對(duì)稱性，故采樣ia和ic兩相電流。采樣電路采用霍爾傳感器并經(jīng)模擬電路處理在3.3v的電壓范圍內(nèi)，然后送入dsp的ad轉(zhuǎn)換器中。 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路 　　 電機(jī)反饋采用增量式光電編碼器，該編碼器分辨率為1024脈沖/轉(zhuǎn)，輸出信號(hào)包括a、b、z脈沖信號(hào)，其中a、b信號(hào)互差90o（電角度），dsp通過(guò)判斷a、b的相位和個(gè)數(shù)可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。z信號(hào)每轉(zhuǎn)一圈出現(xiàn)一次，用于位置信號(hào)的復(fù)位。光電編碼盤脈沖信號(hào)送入dsp后，經(jīng)內(nèi)部qep電路實(shí)現(xiàn)四倍頻，因此電機(jī)每圈的脈沖數(shù)是4096個(gè)。 保護(hù)電路 　　 系統(tǒng)在主回路設(shè)置了過(guò)壓、欠壓、igbt故障、電機(jī)過(guò)熱、編碼器故障，故障信號(hào)經(jīng)邏輯電路后可直接封鎖開(kāi)關(guān)脈沖，同時(shí)通過(guò)dsp的i/o口輸入，通過(guò)軟件檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)。 軟件設(shè)計(jì) 　　 dsp伺服控制程序由3個(gè)部分組成:主程序的初始化、pwm定時(shí)中斷程序和dsp與周邊資源的數(shù)據(jù)交換程序。 主程序 　　 主程序先完成系統(tǒng)的初始化、i/o口控制信號(hào)管理、dsp內(nèi)各個(gè)控制模塊寄存器的設(shè)置等，然后進(jìn)入循環(huán)程序，在這里完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存和報(bào)警內(nèi)容的更新。 pwm定時(shí)中斷程序 　　 pwm定時(shí)中斷程序是整個(gè)伺服控制程序的核心內(nèi)容，在這里實(shí)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(hào)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50μs，即ipm開(kāi)關(guān)頻率為20khz。其中每個(gè)周期完成電流環(huán)的采樣和開(kāi)關(guān)信號(hào)的輸出，每10個(gè)開(kāi)關(guān)周期完成一次速度環(huán)和位置環(huán)控制。pwm控制信號(hào)采用svpwm調(diào)制方法生成，在每個(gè)采樣周期中對(duì)每相電流進(jìn)行一次pid算法來(lái)決定該周期中的占空比。 數(shù)據(jù)交換程序 　　 數(shù)據(jù)交換程序主要包括與上位機(jī)的通訊程序、eeprom中參數(shù)的存儲(chǔ)、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(jī)的指令，并根據(jù)要求傳送參數(shù)。eeprom的數(shù)據(jù)交換通過(guò)dsp的spi口完成。鍵盤和數(shù)碼管顯示在每隔1200個(gè)周期掃描一次，更新顯示和鍵值。 [align=center] 圖3　伺服系統(tǒng)硬件構(gòu)成 圖4　dsp系統(tǒng)硬件圖[/align] 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 [align=center] 圖5　伺服系統(tǒng)速度階躍響應(yīng)曲線 圖6　速度給定反相時(shí)的相電流波形 圖7　伺服定位時(shí)的位置波形 圖8　電機(jī)在1200r/min時(shí)的磁鏈圓[/align] 上述伺服系統(tǒng)采用三相異步電動(dòng)機(jī):額定功率180w，額定電流0.65a，額定轉(zhuǎn)速1400r/min，額定轉(zhuǎn)矩1.1nm,定子電感42mh，定子電阻28ω。電流環(huán)采樣周期50μs，速度環(huán)采樣周期500μs，位置環(huán)采樣周期500μs。圖5是速度階躍響應(yīng)曲線，通過(guò)調(diào)整速度環(huán)pid參數(shù)可以改變速度波形的超調(diào)量和響應(yīng)時(shí)間。圖6是轉(zhuǎn)速正反切換時(shí)的相電流波形，可以清楚的看到當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)向發(fā)生變化時(shí)，其相電流波形反相。圖7是伺服系統(tǒng)在定位2圈時(shí)的位置波形，該電機(jī)位置由光碼盤決定，即每采集到4096個(gè)脈沖為一圈。圖8是伺服系統(tǒng)在1200r/min時(shí)的轉(zhuǎn)子磁鏈圓軌跡。 結(jié)語(yǔ) 　　 本文中，系統(tǒng)硬件上采用dsp加gal的控制結(jié)構(gòu)，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，緊湊，滿足了矢量控制實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)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。同時(shí)，由f2407a控制的全數(shù)字伺服系統(tǒng)通過(guò)軟件編程，可以實(shí)現(xiàn)定位、模擬量、力矩給定等多種工作方式，且工作性能穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的伺服系統(tǒng)在完成定位、調(diào)速時(shí)具有很高的控制精度，不僅滿足高性能定位系統(tǒng)的應(yīng)用要求，而且也可用于伺服系統(tǒng)的教學(xué)中。 作者簡(jiǎn)介 　　 蔣中明（1976-） 男 浙江天煌科技實(shí)業(yè)有限公司工程師，主要從事電氣傳動(dòng)控制及dsp控制技術(shù)產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)。