1 引言
在傳統的位置伺服系統中，直流伺服電動機能在大范圍內實現精密的速度和位置控制，但這類電動機受換向器和電刷的影響，維護較為困難，所以限制了直流伺服系統更為廣泛的應用。由于三相永磁同步伺服電動機具有體積小，重量輕，輸出轉矩大，功率密度高，轉動慣量小的特點，在要求快速、準確、精密的位置控制場合得到了越來越多的應用。同時伴隨著微電子技術和微控制器的發展，交流伺服系統迅速朝著全數字化的方向發展。
2 永磁同步伺服電機矢量控制方案
在磁路不飽和、磁滯及渦流的影響忽略不計、定子三相電流產生的空間磁勢及永磁轉子的磁通分布呈正弦波形狀的條件下，若不考慮轉子磁場的凸極效應，即ld=lq=l，可得永磁同步伺服電機在d-q坐標系上的狀態方程為:
式中:ｒ—繞組等效電阻;ｌ—等效電感; p—微分算子(d/dt);np—電機磁極對數;ωn轉子機械角速度;ψf—轉子永磁效應對應的每對磁極磁通;tl—折算到電動機軸上的總負載轉矩;j—折算到電機軸上的總轉動慣量。
式(1)中系數矩陣含有變量ωn，所以可知永磁同步伺服電機是一種非線性的控制對象，且ｄ軸電流分量id和q軸電流分量iq之間存在耦合作用，為使永磁同步電動機具有和直流電動機一樣的控制性能，通常采用id=0的線性化解耦控制，即在初始定向ｕ相繞組和ｄ軸重合之后，始終控制電樞電流矢量位于q軸上，和轉子磁鏈矢量正交。然而，從狀態方程可以看出，d-q坐標系上的狀態變量存在著耦合關系，即vd不僅依賴于id，同時和iq也有關系，這給控制器的設計帶來了很大的問題。在以往的模擬式交流伺服系統中，只能通過增大電流控制器的增益實現電流矢量的快速跟蹤，得到近似線性化的解耦控制效果，而對于全數字化交流伺服系統，如果已知伺服電機的感應反電勢常數、電樞繞組的電感值，則可以通過安全去耦控制實現精確的線性化控制。假設參數已知，則令:
于是，vd-dec和vq-dec作為電流控制的輸出就成為完全解耦的控制量，在d-q坐標系上，電流控制器也可以獨立地按照一階系統設計，再對d-q坐標系上的電流控制器輸出進行矢量解耦控制，就得到了實際的d-q坐標系電壓矢量，可以產生實際的ｐｗｍ驅動信號。
3 全數字永磁同步伺服系統的結構及硬件配置
3.1 系統控制結構
永磁同步電動機加上傳感器和控制器組成具有定位和跟蹤功能的閉環系統，即構成永磁同步伺服系統。系統采用三環串級控制結構，第一環為轉矩環，第二環為轉速環，第三環為位置環。圖1為基于矢量控制的pmsm伺服系統框圖。
圖1 基于矢量控制的pmsm伺服系統框圖
3.2 系統硬件結構
伺服系統的主回路采用交-直-交電壓型逆變器形式。不控整流橋和濾波電容器完成恒頻恒壓(cfcv)交流電源到直流電源的變換;逆變器實現直流電到變頻變壓(vfvv)交流電的轉換，為伺服電動機的定子繞組提供要求的交流電流。不控整流由功率二極管模塊承擔，逆變器由三菱公司生產的智能功率模塊(ipm)組成。系統采用兩個霍爾電流傳感器檢測伺服電動機相電流的瞬時值;采用光電脈沖編碼器檢測伺服電動機的旋轉角位移以及伺服電動機的磁場位置。
伺服控制回路以數字信號處理器為控制核心，加上電流反饋的處理電路、光電脈沖編碼器信號的處理電路、pwm驅動信號隔離電路、故障綜合和保護電路以及與上位計算機的串行通訊等電路組成。系統的硬件功能框圖見圖2。
圖2 全數字交流伺服系統硬件功能框圖
3.3 系統硬件配置
為方便調試和存儲實驗數據，系統使用兩個八位ram(icl61c1024)，作為擴展存儲器，如圖3所示。可編程器件gal20v8作譯碼器實現地址的分配，其輸出引腳作為ram的片選信號以及控制信號等。系統采用主從分布式計算機控制結構，因此在系統調試時，16k字的片內flash只是用來存放與上位機通訊的監控程序和各種固化的表格，真正的控制程序存放在ram中。
圖3 擴展存儲器接口電路
本文所述的全數字交流永磁同步伺服系統，使用的位置、速度檢測元件是復合式光電脈沖編碼器，輸出兩相正交的方波脈沖信號(a、b)和零位脈沖(z)三路脈沖信號，同時還輸出u、v、w三路彼此相差120°的脈沖信號。u、v、w用于確定磁極位置。a、b兩路脈沖信號用于電動機轉向判斷和脈沖計數，z脈沖每轉出現一次，用于定位。光電碼盤輸出的a、b兩路脈沖信號經光電隔離處理整形后直接送入dsp正交解碼單元的qep1、qep2引腳。z脈沖信號與f240的捕獲單元引腳cap3相連，如圖4所示。由捕獲寄存器可以精確確定電動機的相位和電氣位置的零位。u、v、w與f240的3個i/o腳相連。
圖4 編碼盤信號處理電路
圖5 利用pdpint實現系統保護功能框圖
本系統選用輸入輸出比為1000:1的霍爾元件檢測電機的定子電流。由于霍爾電流傳感器的輸出為有正負方向的交流電流信號，而tms320x240片內a/d轉換器的輸入為0～+5v的電壓信號，因此要有電平偏移電路。
為保證系統中功率轉換電路及電機驅動電路安全可靠的工作，tms320x240還提供了pdpint輸人信號，如圖5所示。當pdpint引腳被拉為低電平時，dsp內定時器立即停止計數，所有pwm輸出管腳全部呈高阻狀態。同時產生中斷信號，通知cpu有異常情況發生。整個過程不需要程序干預，全部自動完成。這對實現各種故障狀態的快速處理非常有用。
4 系統軟件設計
本伺服系統的控制策略采用 的矢量控制。系統軟件由五個大的程序模塊組成，如圖6、7所示。5個大的程序模塊分別是:系統初始化程序模塊、捕獲中斷模塊、定時器0中斷服務程序模塊、pdpint保護中斷模塊、串行通訊服務中斷處理程序模塊。系統初始化模塊完成系統寄存器設置，變量初始化的工作。捕獲中斷模塊的工作是獲取轉子磁極的電氣零點。pdpint中斷保護模塊使系統在有故障發生時，停止正常運行。串行通訊模塊完成與其他應用系統的串行接口功能。
控制軟件的核心部分是定時器0中斷服務程序模塊。反饋量的采樣，磁極位置檢測，電流、速度、位置環的控制器，矢量控制算法，svpwm算法都在該模塊中完成。
5 系統實驗分析
本系統所采用的永磁同步電動機參數如下:電機額定功率1300w，電機額定轉速2000r/min，電機額定電流5.8a，電機額定電壓220v，電機定子電阻0.85ω，電機定子電感7.2mh，電磁時間常數5.9ms，機械時間常數1.3ms，轉動慣量1.0×10-3kg.m2。光電編碼器脈沖2500p/r。電流環控制周期125us，位置環、速度環控制周期1ms。實驗數據中速度濾波周期8ms，電流未濾波。速度量化誤差0.75r/min。
圖8～圖10為進行速度控制時的速度和力矩電流響應曲線。
速度響應:上升時間約為39ms，超調量為9％，穩定時間約為70ms，2000r/min時的穩態誤差為±0.05%。
力矩電流響應:超調量為34％，上升時間約為4ms，恒流升速時間約為30ms。
圖11～圖12分別為定位和速度跟蹤曲線。
定位狀態:定位時間450ms，定位誤差 個脈沖，無超調。
等速跟蹤狀態:當以1000轉/分進行等速跟蹤時，最大跟蹤誤差為7個脈沖，無超調。
圖6 系統控制軟件框圖
圖7 定時器0下溢中斷處理模塊流程圖
圖8 0～2000r/min的起動速度響應曲線
圖9 0～2000r/min的起動力矩電流曲線
圖10 2000r/min的穩態轉速曲線
圖11 給定10000個脈沖的定位曲線
圖12 給定1000r/min的位置跟蹤曲線
[注]:圖11和圖12只是截取了整個位置響應過程的某一段。
6 結束語
本文介紹了的基于tms320f240的全數字永磁同步伺服系統已在南京蘇強數控有限股份公司投產，實際工程應用證明設計正確。
參考文獻
[1] 李永東. 交流電機數字控制系統[m]. 北京:機械工業出版社，2002.
[2] 秦 憶. 現代交流伺服控制系統[m]. 武漢:華中理工大學出版社，1995.
[3] tms320f/c240 dsp controllers reference guide[z]. texas instruments, 1999, 6.
作者簡介
劉軍鋒(1979-) 男 華中科技大學控制科學與工程系 博士研究生，研究方向電力電子與運動控制。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
