基于一種可以工作在惡劣環境下的高性能伺服控制系統，為了適應復雜多變的惡劣環境，提高現有伺服控制系統的性能及可靠性，選擇基于旋轉變壓器的永磁同步電機組成伺服系統。旋轉變壓器具有在高低溫、震動、電磁干擾等惡劣環境下正常工作的優點，還具有和光電編碼器相媲美的角度分辨率，可以實現高性能的伺服控制系統。此伺服控制模塊，搭配不同的安裝有旋轉變壓器的永磁同步電機和驅動模塊就能靈活組成多種伺服控制系統，可以滿足不同的應用需要。目前這種電機的價格還比較高，但隨著將來應用領域對伺服控制系統要求的提高和電機價格的下降，這種伺服控制模塊會有很廣泛的應用前景。
2永磁同步電機伺服系統原理伺服系統采用spwm波驅動方式和轉速、電流雙閉環控制的方法，其原理框圖見。
伺服控制模塊獲取旋轉變壓器的位置信號和永磁同步電機的電流信號，根據外界速度指令，進行實時信號處理，產生控制電機的驅動信號。經過驅動模塊放大處理后，直接驅動電機，并讓電機的實時轉速和外界要求達到一致。
永磁同步電機上固定了旋轉變壓器。旋轉變壓器是利用電磁感應原理的一種模擬式測角器件，與光電編碼器相比，它的抗震性能更好、不易損壞、使用環境不受限制，具有更廣泛的應用領域。旋轉變壓器定、轉子繞組之間的電磁耦合程度與轉子的轉角有關。當輸入端送入同頻同幅的激磁信號給旋轉變壓器時，輸出端會產生同頻不同幅度的響應信號，并且響應信號的幅度和轉子的角位置成正余弦的函數關系。通過鑒幅電路就能檢測出電機轉子的絕對角位置。
驅動模塊選用ipm智能功率模塊，其內部集成了過流、過熱、過壓、欠壓等異常情況保護功能，與伺服控制模塊連接方便，運行時安全性、可靠性高。
3伺服控制模塊硬件設計伺服控制模塊硬件電路由dsp控制芯片電路、位置信號檢測電路、電流檢測電路組成。其硬件框生正弦波、方波、三角波等多種波形，這里只使用其圖如所示。
伺服控制模塊硬件框1dsp控制芯片電路該伺服控制模塊采用ti公司的專用控制dsp處理器tms320lf2406a為核心控制芯片。該芯片具有4級流水線，運算速度為每秒最大4（mips是普通51內核單片機的幾十倍，足以滿足復雜高速信號處理的要求。芯片上集成有flash、sram存儲器、多通道ad轉換器、scispi控制器等常用外設硬件，不但降低了電路設計的復雜度，還使電路具有良好的電磁兼容特性。pwm控制單元可以實現spwm、svpwm等驅動波形，滿足各種應用要求。pdpnt引腳可以監測驅動模塊返回的故障信號，實現緊急停機功能，提高了伺服系統運行的安全性。在芯片的周圍設計好時鐘電路、電源復位電路就可以組成最小的dsp系統。
伺服系統的運行參數保存在eeprom中，可以實時通過程序修改，并不受掉電狀態的影響。光電隔離電路選用高速光耦做為隔離器件，讓快速驅動信號傳輸時不發生失真，還能在電氣上隔離控制模塊和驅動模塊，保護控制模塊不受驅動模塊干擾、正常工作。伺服模塊和上位pc機之間只需要低速率數據的雙工通信，采取rs232串行通信方式，具有簡單方便的特點。
32位置信號檢測電路為位置信號檢測電路的硬件原理框圖。
位置信號檢測電路硬件原理框圖位置信號檢測電路產生旋轉變壓器需要的激磁信號。本系統中激磁信號為頻率6khz、峰峰值10v正弦波發生器的功能。它產生穩定的6khz正弦波信號，經過opa547f高穩定運算放大器電路放大，得到激磁信號。
位置信號檢測的核心芯片是ad公司的旋轉變壓器-數字轉換器芯片ad2s83它可根據同頻率激磁、響應信號之間的幅度關系，通過計算得到旋轉變壓器的絕對位置信息，并輸出為數字量。它的轉換速度很快，測量一次位置信號所需的時間不到ws而實際使用時2ms才測量一次位置信號，因此具有很強的升級潛力。其數據接口db1~db16能并行輸出四種精度格式的位置信號，可跟據實際需要選擇不同精度。可編程邏輯器件gal16v8d實現對ad2s83芯片不同工作方式的選擇。
ad2s83和dsp的i/o接口分別為5v、33v的cmos電平格式，不能直接連接。用電平轉換芯片~5v電平轉換電路，分別連接dsp和ad2s83每次讀取位置信號，dsp會發出鎖存和位選指令，分別控制ad2s83的inhibitbytese lect端口，實現檢測和接收位置信號的功能。
33電流檢測電路電流檢測電路硬件原理框圖如所示。
電流檢測電路使用lem公司的電流傳感器，lem電流傳感器的電流檢測準確度和輸出電流分辨率很高，并幾乎不受后級電路匹配電阻大小的影響。后級的運算放大電路完成電流信號到電壓信號的轉換，輸出給dsp的ad采樣端口0v~33v內的電壓信號。調整r1、r2r3的阻值可以改變電流信號和電壓信號的線性關系，從而檢測不同范圍的電流值。r4c1為低通濾波網絡，完成平穩輸入信號和匹配輸入的功能。二極管電路保護dsp的a/d采樣端口，防止過、欠電壓信號損壞dsp器件。
4伺服控制模塊軟件設計伺服控制模塊的軟件功能是通過dsp芯片獨立完成的。dsp程序用c、匯編語言混合編寫，包括主程序和中斷處理程序兩部份。
主程序完成的功能主要有初始化時鐘、看門狗、的正弦波信號。i訟司的洲8芯片可以產中斷寄存器'事件管理器和配置串口通信、采樣、eeprom等外設電路。初始化完成后，打開總中斷，并進入發送串口數據的查詢等待程序。
中斷程序實現轉速、電流雙閉環pid控制算法和產生spwm驅動信號的功能。
轉速、電流環使用增量式的pd控制方法，并力口入變化幅度的限制。它和位置式pid算法相比的優點是計算量小、伺服系統的安全性好。調試好的pid參數存儲在eeprom存儲器中，可以在程序運行的時候加載和修改，斷電后也不會丟失。電流環程序的執行頻率和驅動模塊的開關頻率一致，而速度環周期比電流環的周期長，一般為電流環周期的整數倍。本系統中驅動模塊的開關頻率為5khz即電流環周期應該為200s用dsp的定時器1設定下溢中斷，定時200s每次中斷執行一次電流環程序。通過軟件計數器判斷執行速度環程序，每2ms執行一次。
產生spwm波形需要知道調制度m和角度0，調制度m通過速度環程序算出，角度0通過讀位置信號程序得到。另外查存儲在flash存儲器的正弦數據表程序完成求sin0值的運算。在中斷程序的最后，輸出spwm驅動波形，并正常退出。
除上述程序外，中斷程序里還包括的基本程序有讀ad單元電流值程序、讀ad2s83位置信號程序、電流濾波程序、上位機通信程序等。
5實驗結果實驗的電機為科爾摩根公司的goldenline系列電機，型號為m-805-c.電機的額定功率為157娜，額定轉速為3000rpm，額定電流為70a額定電壓為230v，電機定子電阻為0 058u定子電感為32mh，轉動慣量為0 06kgm2.實驗的智能功率模塊的開關頻率為5khz位置檢測電路的數據轉換精度為14位，速度環周期為2ms電流環周期為2（0fs死區時間為在實驗時，對轉速、電流雙閉環分別調試。在進行電流環的pd參數調試時，為了防止電機轉動后產生的反電動勢影響觀察電流波形，要固定住電機的轉子。用軟件給出一個電流值指令，用示波器檢測反饋回的電流波形。反復調整參數，讓電流環的上升時間、超調量、誤差帶、調節時間等指標變得理想。接著調整速度環pid參數，用上位機觀測電機實時轉速，讓電機的速度響應曲線指標變得理想。
調整好的電流環指標為：上升時間4ms超調量24%、穩定誤差<±6%、動態調節時間2ms動態降落10%.電機從靜止到給定轉速啟動過程的速度響應指標：上升時間約為120ms超調量為18%，穩態速度誤差小于1%. 6結束語基于ad2s83芯片的位置檢測電路和高性能dsp控制芯片實現的伺服控制模塊，可以方便的與裝有旋轉變壓器的永磁同步電機、驅動模塊組成永磁同步電機伺服控制系統，并具有很強的環境適應性、良好的速度控制特性。要提高系統性能，只需選擇更高開關頻率的驅動模塊、適當降低死區時間、把位置檢測電路的數據轉換精度提高到16位、再把dsp軟件做相應的修改即可，無需重新設計伺服控制電路，因此具有靈活的可升級性。綜上所述，這種伺服控制模塊將會有廣泛的應用前景。
：鞏經理
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：南京塞姆泵業有限公司
