在目前廣泛應(yīng)用于數(shù)控車床、紡織機械等領(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，同時也為伺服系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化控制開辟了發(fā)展空間。全數(shù)字控制的伺服系統(tǒng)不僅可以方便的實現(xiàn)電機控制，同時通過軟件的編程可以實現(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到的。 　　 目前，對伺服系統(tǒng)的研究已有大量的文獻[1-5]進行了報道。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，電機的定位精度可以達到每轉(zhuǎn)的1/4096。當工作于脈沖跟蹤模式時，其轉(zhuǎn)速隨著脈沖頻率的變化而改變，轉(zhuǎn)過的角度和輸入脈沖的總數(shù)成正比。而在模擬量跟蹤時可以實現(xiàn)s曲線、階躍、正弦等多種速度曲線，真正實現(xiàn)任意速度曲線的跟蹤。力矩模式使得電機輸出力矩恒定，可用于多臺聯(lián)動的場合。最后，基本的調(diào)速方式滿足最為常用的控制要求，當電機工作于額定轉(zhuǎn)速以上時，采用了弱磁升速技術(shù)。 磁場定向控制原理 　　 為了分析方便，先對三相異步電機做如下理想化假定: 電機定轉(zhuǎn)子三相繞組完全對稱; 定轉(zhuǎn)子表面光滑，無齒槽效應(yīng)，定轉(zhuǎn)子每相氣隙磁動勢在空間呈正弦分布; 磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計。 [align=center] 圖1　異步電機α—β和d—q坐標系[/align] 圖1是三相異步電機的坐標圖，其中a、b、c分別為三相定子繞組，α-β為兩相定子坐標，d-q為兩相以ωo角速度旋轉(zhuǎn)的坐標，isd、isq、isα、isβ分別是定子電流矢量is在d、q、α、β軸上的分量。 　　 對于一般電機調(diào)速系統(tǒng)而言，從轉(zhuǎn)矩到轉(zhuǎn)速近似為一個積分環(huán)節(jié)，其積分時間常數(shù)由電機和負載的機械慣量決定，為不可控量，因此轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞直接關(guān)系到一個調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。從轉(zhuǎn)矩表達式可以看出，異步電機的轉(zhuǎn)矩一般和定子電流矢量和轉(zhuǎn)子磁場以及夾角有關(guān)。因此，要想控制轉(zhuǎn)矩，必須先檢測和控制磁通。在磁場定向矢量控制中，一般把d-q坐標系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場上，把靜止坐標系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流量，并使d軸和轉(zhuǎn)子磁場方向重合，此時轉(zhuǎn)子磁通q軸分量為零（ψrg=0），此時有如下幾式: 其中式（1）－（5）為轉(zhuǎn)子磁場定向控制方程式。漏磁系數(shù)=1-lm2/lslr，τr=lr/rr為轉(zhuǎn)子時間常數(shù)，ωs為轉(zhuǎn)差角速度，ω0轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的角速度，ωr是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度。式（3）－（6）是轉(zhuǎn)子磁場定向控制的電流模型公式，用來計算轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的幅值和角度。由式（3）不難發(fā)現(xiàn)，只需檢測定子電流的d軸分量即可觀測出轉(zhuǎn)子磁通幅值。由式（7）可知，當ψrd恒定時，電磁轉(zhuǎn)矩和電流的q軸分量或轉(zhuǎn)差成正比，沒有最大值限制，通過控制定子電流的q軸分量即可控制電磁轉(zhuǎn)矩。因此，也稱定子電流的d軸分量為勵磁分量，定子電流的q軸分量為轉(zhuǎn)矩分量。因此，可以通過定子電流的d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通，q軸分量來控制轉(zhuǎn)矩，從而實現(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是整個轉(zhuǎn)子磁場定向控制的原理框圖，整個系統(tǒng)由三個環(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進行閉環(huán)控制，在其他工作模式下不進行電機軸位置量的控制。 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 硬件設(shè)計 　　 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空間的選通信號以及開關(guān)驅(qū)動信號的輸出控制等。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)換成逆變器的開關(guān)信號輸出，該信號經(jīng)隔離電路后直接驅(qū)動ipm模塊給電機供電。另外eeprom用于參數(shù)的保存和用戶信息的存儲。 功率電路 　　 整個主電路先經(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)動電路，并設(shè)計有過電壓、過電流、過熱、欠電壓、等故障檢測保護電路。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關(guān)管的驅(qū)動電源，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)計要求至少采樣兩相電流，由于負載的對稱性，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)子位置檢測電路 　　 電機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)，輸出信號包括a、b、z脈沖信號，其中a、b信號互差90o（電角度），dsp通過判斷a、b的相位和個數(shù)可以得到電機的轉(zhuǎn)向和速度。z信號每轉(zhuǎn)一圈出現(xiàn)一次，用于位置信號的復(fù)位。光電編碼盤脈沖信號送入dsp后，經(jīng)內(nèi)部qep電路實現(xiàn)四倍頻，因此電機每圈的脈沖數(shù)是4096個。 保護電路 　　 系統(tǒng)在主回路設(shè)置了過壓、欠壓、igbt故障、電機過熱、編碼器故障，故障信號經(jīng)邏輯電路后可直接封鎖開關(guān)脈沖，同時通過dsp的i/o口輸入，通過軟件檢測來實現(xiàn)系統(tǒng)的保護。 軟件設(shè)計 　　 dsp伺服控制程序由3個部分組成:主程序的初始化、pwm定時中斷程序和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口控制信號管理、dsp內(nèi)各個控制模塊寄存器的設(shè)置等，然后進入循環(huán)程序，在這里完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存和報警內(nèi)容的更新。 pwm定時中斷程序 　　 pwm定時中斷程序是整個伺服控制程序的核心內(nèi)容，在這里實現(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開關(guān)頻率為20khz。其中每個周期完成電流環(huán)的采樣和開關(guān)信號的輸出，每10個開關(guān)周期完成一次速度環(huán)和位置環(huán)控制。pwm控制信號采用svpwm調(diào)制方法生成，在每個采樣周期中對每相電流進行一次pid算法來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的通訊程序、eeprom中參數(shù)的存儲、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)議接受上位機的指令，并根據(jù)要求傳送參數(shù)。eeprom的數(shù)據(jù)交換通過dsp的spi口完成。鍵盤和數(shù)碼管顯示在每隔1200個周期掃描一次，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] 實驗結(jié)果 [align=center] 圖5　伺服系統(tǒng)速度階躍響應(yīng)曲線 圖6　速度給定反相時的相電流波形 圖7　伺服定位時的位置波形 圖8　電機在1200r/min時的磁鏈圓[/align] 上述伺服系統(tǒng)采用三相異步電動機: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)時間。圖6是轉(zhuǎn)速正反切換時的相電流波形，可以清楚的看到當電機轉(zhuǎn)向發(fā)生變化時，其相電流波形反相。圖7是伺服系統(tǒng)在定位2圈時的位置波形，該電機位置由光碼盤決定，即每采集到4096個脈沖為一圈。圖8是伺服系統(tǒng)在1200r/min時的轉(zhuǎn)子磁鏈圓軌跡。 結(jié)語 　　 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)計簡單，緊湊，滿足了矢量控制實時性的要求，同時全數(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，由f2407a控制的全數(shù)字伺服系統(tǒng)通過軟件編程，可以實現(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。實驗結(jié)果表明，本文的伺服系統(tǒng)在完成定位、調(diào)速時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)的教學中。 作者簡介 　　 蔣中明（1976-） 男 浙江天煌科技實業(yè)有限公司工程師，主要從事電氣傳動控制及dsp控制技術(shù)產(chǎn)品的研究與開發(fā)。