數(shù)字信號處理器（dsp）技術(shù)的發(fā)展，使伺服驅(qū)動變得越來越智能化?，F(xiàn)場總線的發(fā)展也使基于分布式控制結(jié)構(gòu)的控制設(shè)計更加靈活并且模塊化。它節(jié)約了繞組成本并能簡化機器構(gòu)造。智能cd1p伺服驅(qū)動是一個獨立信號的軸控制器，如圖1包括:控制序列程序，軌跡計算器，位置、速度和電流伺服環(huán)，還有在同一個設(shè)備中的變壓器。 [align=center] 圖1　分布式運動控制系統(tǒng)智能伺服驅(qū)動[/align] 在主機控制和每一個伺服驅(qū)動之間的信息傳輸都是基于profibus dp的標(biāo)準(zhǔn)。用高復(fù)用性的模塊化的方式可以方便建立復(fù)雜的多軸控制的應(yīng)用。使用了總線設(shè)備，控制系統(tǒng)就可以方便的為新產(chǎn)品進行參數(shù)重設(shè)，而不需要對硬件做任何的更改。通過增加或者刪除控制元件（伺服驅(qū)動，i/o模塊等）來編輯這個進程，而不需要對主要控制系統(tǒng)進行編輯和改動。這個方案的靈活性有助于在自動化生產(chǎn)過程的長期競爭中生存:方便的在對產(chǎn)品縮減和技術(shù)生命周期的反饋中編輯改良機器。同時，數(shù)字化電流、速度和位置伺服環(huán)都包含在伺服驅(qū)動中，也改進了伺服性能。 伺服控制器設(shè)計 　　 串級控制結(jié)構(gòu)非常適合高性能的伺服驅(qū)動。其內(nèi)部電流控制環(huán)控制電機轉(zhuǎn)力矩，還影響外部速度和位置控制環(huán)的動態(tài)性能。 電流控制設(shè)計 　　 無刷伺服驅(qū)動由一個在軸上安裝了位置感應(yīng)器的永磁同步電機（pmsm）構(gòu)成。變壓器通過脈寬調(diào)制器（pwm）實現(xiàn)恒定的直流電壓到三相交流電壓的轉(zhuǎn)換。常值直流電壓源由交流主電源整流而來。為了控制pmsm的轉(zhuǎn)矩，需要控制定子電流幅值和定子電流相位值:電流幅值是與設(shè)定力矩成比例，電流相位與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)?？刂贫ㄗ与娏?，既可以通過定子坐標(biāo)系，也能通過轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系。當(dāng)電流控制在定子坐標(biāo)系中執(zhí)行時，傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)包括兩到三個以設(shè)定電流波形的相位為基準(zhǔn)的獨立相位電流調(diào)節(jié)環(huán)。在轉(zhuǎn)子參照系中的電流控制是基于pmsm數(shù)學(xué)模型的，如圖2所示。 [align=center] 圖2　pmsm數(shù)學(xué)模型[/align] 電流的直接值和正交分解值（id和iq）都能通過電流相位park變換計算得到。id和iq調(diào)節(jié)環(huán)賦值給直接和正交的電壓值（vd和vq）。三相pwm命令通過vd和vq的值使用反park變換計算得到的。在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的電流控制中，可以獲得在整個速度范圍中的良好扭矩性能。如圖3所示。 [align=center] （a）　電流控制方法的影響曲線 （b）　模型控制方法的影響曲線 圖3　伺服驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩/速度曲線[/align] 因為在定子坐標(biāo)系中，三相電流相位環(huán)以正弦波為基準(zhǔn)，所以速度模式下定子控制性能的發(fā)展取決于環(huán)的帶寬。但是，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中，park變換得到的id和iq是以直流變量為基準(zhǔn)。由于這個原因，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中的電流控制更適合cd1p的伺服驅(qū)動。 [align=center] （a）　pwm對稱三角調(diào)節(jié)方法 （b）　空間矢量模型算法 圖4　pwm開關(guān)頻率計算器[/align] 三個pwm脈寬調(diào)制器的命令能通過對稱三角調(diào)節(jié)方法或者空間矢量調(diào)節(jié)（svm）來計算。在對稱三角調(diào)節(jié)方法中，pwm轉(zhuǎn)換次數(shù)由一個對稱高頻三角波（媒介）和正弦電壓參考波形的交叉點來定義，如圖４（a）。在svm模型中，pwm轉(zhuǎn)換序列是用變換器中八種可能的電流狀態(tài)從park矢量中矢量分解得到的如圖４（b）。對比與對稱三角調(diào)節(jié)方法，在svm模型下允許伺服電機運轉(zhuǎn)在更高的速度下（約高出15%）。這歸結(jié)于ｓｖｍ模型內(nèi)部中附加的3次諧波波形。 [align=center] （a）　對稱三角調(diào)節(jié)命令 （b）　空間矢量模型命令 圖5　最高速度下pwm的輸出波形[/align] 如圖5（b）在svm命令中含3次諧波，允許了使用帶正弦相位電壓轉(zhuǎn)換器的滿輸出電壓范圍。如圖5（a），在對稱三角調(diào)制方法中，三相命令和為0，所以，轉(zhuǎn)換器的輸出電壓范圍減少了15%。 位置控制設(shè)計 　　 為了得到穩(wěn)定快速的響應(yīng)，速度和位置伺服環(huán)的調(diào)整必須通過機械負(fù)載參數(shù)進行最優(yōu)化配置。位置伺服控制器設(shè)計是基于rst多項式控制器結(jié)構(gòu)和極點定點整定方法。rst多項式控制器結(jié)構(gòu)是最主要的，也是最適合參數(shù)整定方法的控制器結(jié)構(gòu)。假定驅(qū)動能通過模型轉(zhuǎn)換方程hmc和hmd描述，如圖6（a）所示。伺服控制器所包括的３個多項式r，ｓ和ｔ分別作用在伺服環(huán)錯誤信號，伺服環(huán)反饋信號和伺服環(huán)參考信號上。閉環(huán)輸出／參考和輸出／干擾的轉(zhuǎn)換方程分別用hsr和hsd表示在圖6（b）中。 [align=center] （a）　伺服閉環(huán)結(jié)構(gòu) （b）　閉環(huán)傳遞函數(shù) 圖6　伺服閉環(huán)結(jié)構(gòu)和傳遞函數(shù)[/align] 控制器整定進程包括hsr和hsd轉(zhuǎn)換方程極點和零點位置整定，這是為了得到位置環(huán)的輸出／參考和輸出／干擾的對應(yīng)關(guān)系。這樣就可以把伺服環(huán)調(diào)整和跟蹤行為完全分開。hmc和hmd轉(zhuǎn)換方程從機械設(shè)備型號中派生出來。設(shè)備轉(zhuǎn)換功能通過在額定工作狀態(tài)下執(zhí)行識別程序得到。常規(guī)pid控制器能通過下面的多項式方便的執(zhí)行rst控制器結(jié)構(gòu):r（s）=r1s+r2s2和t（s）=s（s）=s0+s1s+s2s2（s是拉普拉斯變換量）。在這個方案中位置環(huán)跟蹤和調(diào)節(jié)性能如圖7所示。rst控制器結(jié)構(gòu)可以在維護同樣的調(diào)節(jié)性能時只改變t多項式就能方便的編輯伺服環(huán)跟蹤行為。 [align=center] （a）　pid設(shè)計 （b）　rst追蹤設(shè)計 圖7　rst位置控制器波形[/align] rst多項式控制器結(jié)構(gòu)的靈活性也很容易整合進滿足特殊應(yīng)用要求的特殊濾波器。當(dāng)電機軸受到很大的負(fù)載慣性時，彈性耦合就能感應(yīng)到扭轉(zhuǎn)振動。扭轉(zhuǎn)振動頻率通過設(shè)備參數(shù)計算得到。假定:jm=電機慣性值。ji=負(fù)載慣性值，nr=電機/負(fù)載耦合率，ks=電機/負(fù)載耦合強度; 扭轉(zhuǎn)振動頻率是通過下列公式得到的: 　　 fr=（ks（nr2jm+jl）/（nr2jmjl））1/2。扭轉(zhuǎn)振動影響能顯著減少伺服環(huán)電流損耗。 運動控制器執(zhí)行 　　 適合多軸應(yīng)用的分布式動作控制體系是基于智能獨立的伺服驅(qū)動的。在這個方案中，軸運動控制任務(wù)分布在每一個伺服驅(qū)動中的。每一個伺服驅(qū)動都能獨立的編程執(zhí)行給定軸的控制任務(wù)。主機控制器和伺服驅(qū)動之間的總線通信用于伺服驅(qū)動預(yù)設(shè)和機械進程控制和監(jiān)控。伺服驅(qū)動的eeprom能保存128套以上預(yù)設(shè)程序的運動控制序列。 　　 有五種基本可編程運動序列: 　　軸歸位序列是用于伺服驅(qū)動啟動后的軸復(fù)位尋址； 　　絕對定位序列用于通過軸尋址索引移動軸到所給的絕對地址值； 　　相對定位序列用于移動軸到所給的相對與當(dāng)前地址距離的位置； 　　速度描述序列用于描述一個以特定的速度移動的軸的形態(tài)； 　　轉(zhuǎn)力矩設(shè)定點序列用于需要提供給負(fù)載一個恒定的力的情況，如夾持器的應(yīng)用。 　　 序列執(zhí)行中的細(xì)節(jié)可以序列參數(shù)（加速和減速時間，運行速度，滯留時間，初始狀態(tài)，觸發(fā)位置，輸出信號，計數(shù)，連接……）來定義。所有的序列都能鏈接到一起，并在序列鏈中引入可編程時間延遲。序列計數(shù)器也允許執(zhí)行同種序列多次或一次執(zhí)行一組序列。這些功能滿足了伺服驅(qū)動一體化的運動控制。而不需要傳統(tǒng)的外部運動控制板卡＋伺服驅(qū)動的解決方案。 profibus dp 通信 　　 連接到profibus串行鏈路上的伺服驅(qū)動能夠方便的組態(tài)到工業(yè)pc或plc控制器環(huán)境中。profibus dp 是一個開放性的大范圍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，過程控制和自動化應(yīng)用程序中的總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。profibus的dp版本是專為自動控制系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備級的分布式i/o通信設(shè)計的。通過profibus dp，主機plc控制器可以用循環(huán)方式在它的分布式總線設(shè)備（i/o，閥門，設(shè)備……）中高速通信。 　　 主機plc和cd1p伺服驅(qū)動中的profibus dp通信是基于pro信息互換的。cd1p伺服驅(qū)動通信使用信息的ppo1到ppo4類型。plc通過ppo寫來發(fā)送一個信息，通過ppo讀來接受一個信息。ppo讀寫是通過profibus的數(shù)據(jù)交換性能循環(huán)轉(zhuǎn)換的。plc能夠在參數(shù)區(qū)讀取和修改伺服驅(qū)動的參數(shù)。 　　 plc發(fā)送給伺服驅(qū)動的有兩種類型的執(zhí)行數(shù)據(jù); “控制語句”包括伺服驅(qū)動的動作:使能，運行，推動，歸位，移動…… “輸入語句”包括了執(zhí)行序列的數(shù)量和序列開始的狀態(tài)。 　　 plc從伺服驅(qū)動中接受到的有兩種類型的執(zhí)行數(shù)據(jù); “狀態(tài)”包括了伺服驅(qū)動的狀態(tài):準(zhǔn)備，停止，運行，等待，錯誤…… “反饋”包括了進程中現(xiàn)行序列的數(shù)量，軸位置和電機速度值。 　　 cd1p的通信是為了把伺服驅(qū)動像一個簡單的i/o設(shè)備一樣組態(tài)到主機plc控制器中而設(shè)計的。這樣就能直接在伺服驅(qū)動中執(zhí)行高水平的運動控制，而不需要占用主機plc控制器的計算資源。我們也注意到總線循環(huán)時間值對伺服運動控制性能沒有影響。所以，這個解決方案是最適合多軸位置控制的應(yīng)用的。 結(jié)語 　　 相比于基于cnc運動控制器和模擬速度量伺服驅(qū)動的傳統(tǒng)運動控制，基于智能伺服驅(qū)動的運動控制結(jié)構(gòu)是一個高效靈活的解決方案。基于dsp技術(shù)的智能cd1p伺服驅(qū)動能為給定的軸執(zhí)行完整的運動控制。這個結(jié)構(gòu)可以改善伺服環(huán)的性能。通過空間向量調(diào)制技術(shù)，伺服電機在高速狀態(tài)下轉(zhuǎn)力矩也得到了改善。機器里在線自整定程序能夠優(yōu)化速度和位置伺服環(huán)。在profibus dp通信協(xié)議下，智能伺服驅(qū)動也能像簡單的i/o設(shè)備一樣整合到主機plc控制器中。這個運動控制解決方案尤其適合對于多軸（超過100）控制的應(yīng)用。