永磁同步電機數(shù)字交流伺服控制技術(shù)

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，在很多要求高實時性，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行改進優(yōu)化的時候，DSP獨特的快速計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電路、隔離電路、能耗制動電路等功能為一體的智能功率模塊、先進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。

1 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進行運算，DSP經(jīng)過對參考信號和反饋信號的處理運算來調(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IPM模塊實現(xiàn)電機的伺服閉環(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，速度控制是中環(huán)，電流控制是內(nèi)環(huán)。為了保證動態(tài)響應(yīng)速度和定位時不產(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)子位置實際信號與系統(tǒng)給定位置信號進行比較，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際速度信號進行比較，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，在于電流反饋實際值比較后進行PWM控制。

2 矢量控制

在同步電機中，勵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。通過電機的外部控制系統(tǒng)，對電樞磁通勢相對勵磁磁場進行空間定向控制，控制兩者之間的角度保持固定值，同時對電樞電流的幅值也進行控制，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)

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

3 位置及速度的檢測

交流伺服電機內(nèi)裝有編碼器進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，信號處理和遠距離傳輸，所以要對信號進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，要求計數(shù)器具有可逆性，所以把通用定時器2設(shè)置為定向增減計數(shù)模式，把倍頻后的正交編碼脈沖作為定時器2的輸入時鐘進行計數(shù)，計數(shù)的方向由轉(zhuǎn)向信號決定，如果QEP1的輸入相位超前，則增計數(shù)，反之則減計數(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時刻的脈沖數(shù)為m1，則電機轉(zhuǎn)過的角度就可以根據(jù)下式計算出來。

 

(2)

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

 

(3)

M1—定時間內(nèi)計數(shù)器記錄的編碼器脈沖數(shù)；

M2—定時間內(nèi)記錄的DSP的時鐘脈沖數(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的時鐘脈沖頻率。

4 結(jié)語

綜上所述，本文研究的數(shù)字交流伺服驅(qū)動器，實行了模塊化設(shè)計，硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件編程容易?？梢暂p松實現(xiàn)PC機或者PLC與控制器的通信，這樣就實現(xiàn)了上位機能夠接受控制系統(tǒng)的實時參數(shù)和向伺服控制系統(tǒng)傳遞參數(shù)，對伺服系統(tǒng)進行直接的控制。