要獲得高性能的交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)就需要有性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)，80年代以來隨著各種相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，有關(guān)永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究成果不斷涌現(xiàn)，為高性能永磁同步伺服系統(tǒng)的研究與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 　　 隨著微型計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是dsp技術(shù)的飛速發(fā)展，永磁同步伺服系統(tǒng)的數(shù)字化正在如火如荼地進(jìn)行著。數(shù)字控制技術(shù)的應(yīng)用不僅使系統(tǒng)獲得高精度高可靠性，還為新型控制理論和方法的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。dsp和單片機(jī)的應(yīng)用大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)性能，顯著提高了永磁同步伺服系統(tǒng)的可靠性柔性和動(dòng)態(tài)性能。這種高精度快速響應(yīng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在高精度數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人，特種加工裝備和精細(xì)進(jìn)給系統(tǒng)中[1]。 　　 交流伺服系統(tǒng)是電流、速度、位置三閉環(huán)控制系統(tǒng),需要依靠傳感器精確地檢測(cè)被控對(duì)象的瞬時(shí)信息,進(jìn)行誤差校正，交流伺服系統(tǒng)的三環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 [align=center] 圖1 交流伺服系統(tǒng)的三環(huán)結(jié)構(gòu)[/align] 各環(huán)節(jié)性能的優(yōu)化是整個(gè)伺服系統(tǒng)性能提高的基礎(chǔ)，外環(huán)性能的發(fā)揮依賴于系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的高性能，尤其是電流環(huán)和速度環(huán)，它是高性能伺服系統(tǒng)構(gòu)成的根本。速度環(huán)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，系統(tǒng)需要速度環(huán)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、寬廣的調(diào)速范圍、優(yōu)異的抗擾特性，從而為伺服系統(tǒng)快速準(zhǔn)確的定位與跟蹤提供基礎(chǔ)與條件。一個(gè)高性能的交流伺服系統(tǒng)不僅要對(duì)指令做出快速響應(yīng)，當(dāng)外部出現(xiàn)大的擾動(dòng)或?qū)ο筇匦园l(fā)生變化時(shí)，還應(yīng)保持良好的響應(yīng)性能，系統(tǒng)要具備很強(qiáng)的抗干擾性能，使其動(dòng)態(tài)特性不隨外部參數(shù)的變化而變化。下面，我們結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成、調(diào)試，研究永磁同步伺服系統(tǒng)速度環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 永磁同步伺服系統(tǒng)構(gòu)成原理 　　 目前，永磁同步電機(jī)電流控制的方案主要有兩種:直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制。使用矢量控制，電流環(huán)很好地處理電機(jī)電樞電流響應(yīng)問題，在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行范圍內(nèi)，只要系統(tǒng)給定在該轉(zhuǎn)速下所需電流波形，電機(jī)電流均能很好地響應(yīng)，所得電流交軸分量就是電機(jī)旋轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)矩分量，電機(jī)響應(yīng)性能優(yōu)異[2]。而且，磁場(chǎng)定向矢量控制時(shí)，電機(jī)電樞磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)間成90度恒定不變（交直軸間解耦），具有轉(zhuǎn)矩控制的線性特性，電流利用率高，調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)容易實(shí)現(xiàn)。坐標(biāo)變換如式（1）所示:由于面裝式永磁同步電機(jī)的交、直軸電感相等，比較適合的就是id=0的控制方式[3]。 （1） 伺服系統(tǒng)電流環(huán)的設(shè)計(jì) 　　 設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是:從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展。所以先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 　　 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電機(jī)反電勢(shì)也比較小，因此在進(jìn)行電流環(huán)設(shè)計(jì)的時(shí)候，可以先忽略反電勢(shì)，這樣可以得到電流環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 電流環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖[/align] 圖2各參數(shù)的意義為:kv為逆變器電壓放大倍數(shù)，表示逆變器直流側(cè)電壓與三角載波幅值之比，τv為逆變器時(shí)間常數(shù)，它與開關(guān)頻率有關(guān)， rs為電樞繞組電阻， lq為交軸電感， tσi是反饋濾波時(shí)間常數(shù)，gacr為電流調(diào)節(jié)器。 　　 永磁同步伺服系統(tǒng)電流控制采用硬件電路實(shí)現(xiàn)。采用硬件電流控制器具有不占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算時(shí)間，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，工作可靠，保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。電流環(huán)控制對(duì)象包括pwm 信號(hào)形成、延時(shí)、隔離驅(qū)動(dòng)及逆變器、電機(jī)電樞回路、電流采樣和濾波電路。在伺服系統(tǒng)中，三個(gè)電流環(huán)是獨(dú)立的，而伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制時(shí)，嚴(yán)格按照id=0 的矢量控制方法給出電機(jī)三相電流，在電流環(huán)作用下，電機(jī)實(shí)際電流便為所給定的轉(zhuǎn)矩電流?？紤]到電流環(huán)一般以其跟隨性能要求為主，對(duì)電網(wǎng)電壓的抗干擾作用是次要因素，按照調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法，將電流環(huán)校正成典型ⅰ型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器gacr 選為pi調(diào)節(jié)器，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。 [align=center] 圖3 電流環(huán)硬件結(jié)構(gòu)[/align] 圖3，包括信號(hào)調(diào)理、pi 調(diào)節(jié)、pwm 信號(hào)形成、前后沿延時(shí)處理及保護(hù)部分組成。其中i＊a是由dsp來的電流給定信號(hào)，iaf是電機(jī)電流采樣信號(hào)，分別經(jīng)過運(yùn)算放大器調(diào)理以后送到調(diào)節(jié)器，經(jīng)過調(diào)節(jié)運(yùn)算輸出誤差信號(hào)。該誤差信號(hào)與三角載波信號(hào)比較形成pwm信號(hào)來控制逆變橋相應(yīng)橋臂開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)。同一橋臂的兩個(gè)管子互補(bǔ)導(dǎo)通，為防止器件在開關(guān)過程中直通而損壞，需要對(duì)pwm信號(hào)的前后沿做適當(dāng)延時(shí)。電阻r12、r13和電容c1、c2及門電路組成互鎖延時(shí)電路，實(shí)現(xiàn)pwm信號(hào)的前后沿延時(shí)。引入保護(hù)信號(hào)是為了當(dāng)在系統(tǒng)需要時(shí)，或者主開關(guān)器件故障時(shí)，可關(guān)斷所有的開關(guān)器件。在實(shí)際的電路中，采用gal（gal16v8d）來完成對(duì)pwm信號(hào)的前后延時(shí)。 得到電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為: 其中km=1/rs，tli =lq/rs為電機(jī)電樞回路時(shí)間常數(shù)，ti=tσi+τv為等效小慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)，τi為電流調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)，為了使電流環(huán)具有較快的響應(yīng)速度，超調(diào)又不至于太大，可以使，轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率一般比較低，所以可對(duì)gik進(jìn)行降階處理，等效為式（3）所示的一階慣性環(huán)節(jié)，其中，。 伺服系統(tǒng)速度環(huán)的設(shè)計(jì) 　　 在設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的時(shí)候，可以把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看成是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的一個(gè)環(huán)節(jié)，得到如圖4所示的閉環(huán)傳遞函數(shù)，其中g(shù)asr為電流調(diào)節(jié)器，kφ為電機(jī)電勢(shì)系數(shù)，tm為電機(jī)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，ton為速度反饋濾波時(shí)間常數(shù)，所以速度調(diào)節(jié)器控制對(duì)象傳遞函數(shù)為: 對(duì)小慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行近似處理，小時(shí)間常數(shù)tl和ton合并成時(shí)間常數(shù)為tσn=tl+ton的慣性環(huán)節(jié)，速度環(huán)控制對(duì)象為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)串聯(lián)。在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)以后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，基于穩(wěn)態(tài)無靜差的要求，必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)之前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此需要ⅱ型系統(tǒng)，再從動(dòng)態(tài)性能上看，調(diào)速系統(tǒng)首先需要有較好的抗擾性能，典型ⅱ型系統(tǒng)正好滿足這個(gè)要求。速度調(diào)節(jié)器選擇pi調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為: 該系統(tǒng)需要確定兩個(gè)未知參數(shù)，為分析方便，引入變量h，定義h=τn/tσn，h為ⅱ型系統(tǒng)中頻寬，當(dāng)對(duì)象參數(shù)tσn一定時(shí)，改變?chǔ)觧就改變中頻寬。在τn確定后，再改變kn，使幅頻特性上下平移，從而改變截止頻率ωcn。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇h和ωcn，就選擇了τn和kn，參見典型二型系統(tǒng)波德圖如圖5所示[4,5]。 [align=center] 圖4 速度環(huán)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖 圖5 典型二型系統(tǒng)波德圖[/align] 確定好h和ωcn后，可得τn和 。一般情況下，中頻寬h=5～6時(shí)，ⅱ型系統(tǒng)具有較好的跟隨和抗擾性能。 　　 本系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器由dsp微控制器實(shí)現(xiàn)，我們采用“離散pi調(diào)節(jié)＋pi分時(shí)調(diào)節(jié)”的算法來實(shí)現(xiàn)。速度pi 調(diào)節(jié)運(yùn)算表達(dá)式為: 式中，t、e（k）、un（k）分別采樣周期、第k次采樣偏差值、第k次采樣時(shí)輸出。 　　 速度環(huán)的調(diào)節(jié)為pi調(diào)節(jié)器，但為了提高速度環(huán)的階躍響應(yīng)速度，抑制pi調(diào)節(jié)器的飽和，在速度調(diào)節(jié)控制中引入bang-bang控制機(jī)制，將速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成這樣的形式，在速度變化較小，或者是僅在負(fù)載的擾動(dòng)過程中，按照速度范圍分段設(shè)定不同的比例積分系數(shù)。而當(dāng)速度變化量超過規(guī)定值，使系統(tǒng)按照最大或者最小電樞電流進(jìn)行加減速，充分發(fā)揮了電機(jī)潛力。其控制算法為: 其中kp和ki為速度環(huán)比例積分系數(shù)，em為速度誤差閥值，um為bang-bang控制輸出電流限幅給定。采用以上的bang-bang控制方法以后，系統(tǒng)的速度環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能無疑得到了很大的改善，但由于pi調(diào)節(jié)器的作用，轉(zhuǎn)速超調(diào)必然無可避免，解決這個(gè)問題的一個(gè)簡(jiǎn)單有效的辦法就是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上引入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋，使得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的退飽和時(shí)間提前了。采用帶微分負(fù)反饋的pi型調(diào)節(jié)器在結(jié)構(gòu)上符合現(xiàn)代控制理論中的“全狀態(tài)反饋的最優(yōu)控制”，因而可以獲得實(shí)際可行的最優(yōu)動(dòng)態(tài)性能。 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 　　 主控電路采用ti公司的高性能dsp控制器tms320lf2407a作為控制核心,它將一個(gè)高性能dsp核、大容量的片上存儲(chǔ)器和專用的運(yùn)動(dòng)控制外設(shè)電路以及其它功能的外設(shè)電路集成在單個(gè)芯片上,具有可編程、集成度高、靈活性、適應(yīng)性好及升級(jí)方便等優(yōu)點(diǎn)[6]。 　　 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器軟件包括dsp主程序和dsp伺服控制程序。主程序主要完成控制寄存器的初始化，使能中斷的功能和相關(guān)參數(shù)變量的初始值的設(shè)置。dsp伺服控制程序由定時(shí)中斷程序、光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序、功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷程序和通訊中斷程序4個(gè)部分組成。 在中斷程序中設(shè)有位置計(jì)算、速度計(jì)算、速度調(diào)節(jié)等子程序，由于采用了高性能dsp器件確保了控制系統(tǒng)復(fù)雜矢量控制運(yùn)算的執(zhí)行，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。電流檢測(cè)采用霍爾電流傳感器和dsp內(nèi)部集成的a/d轉(zhuǎn)換模塊完成。只要檢測(cè)電機(jī)定子三相繞組中的兩相即可,另外一相可以由三相平衡計(jì)算得出。從兩路ad采樣可計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)采用增量式光電編碼器。光電編碼器檢測(cè)的位置脈沖信號(hào)兩路正交脈沖信號(hào)（a）和（b），一路零位脈沖信號(hào)（z）和三路相差120度的初始位置脈沖信號(hào)（u、v、w），實(shí)現(xiàn)初始位置的定位。a，b，z，u，v及w均為差分形式的信號(hào),先經(jīng)4線接收器am26ls32轉(zhuǎn)換為單路信號(hào),再分別送到dsp的捕獲端口（a,b,z）和通用i/o端口（u、v、w）。其中斷周期設(shè)定為0.1 ms完成一次速度環(huán)和位置環(huán)的控制，控制器的pwm頻率設(shè)置為18khz。通訊中斷程序主要用來接收并刷新控制參數(shù)，同時(shí)設(shè)置運(yùn)行模式;功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷程序則用于檢測(cè)智能功率模塊的故障輸出，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，dsp的輸出通道將被封鎖，從而使輸出變成高阻態(tài)，控制軟件的結(jié)構(gòu)如圖6所示。 [align=center] 圖6 中斷服務(wù)程序[/align] 結(jié)語 　　 本文探討了永磁伺服系統(tǒng)的控制策略，采用具有良好控制性能，價(jià)格又相對(duì)便宜的tms32of24o7來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)交流伺服系統(tǒng)具有較寬的調(diào)速比及優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性容易控制，具有良好的靜動(dòng)態(tài)性能，適用于中小功率伺服系統(tǒng)，應(yīng)用前景十分廣闊。