要獲得高性能的交流永磁同步伺服驅(qū)動就需要有性能優(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)永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)的研究成果不斷涌現(xiàn)，為高性能永磁同步伺服系統(tǒng)的研究與應用奠定了基礎(chǔ)。 　　 隨著微型計算機技術(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行著。數(shù)字控制技術(shù)的應用不僅使系統(tǒng)獲得高精度高可靠性，還為新型控制理論和方法的應用提供了基礎(chǔ)。dsp和單片機的應用大大簡化了系統(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)的可靠性柔性和動態(tài)性能。這種高精度快速響應的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)被廣泛應用在高精度數(shù)控機床，機器人，特種加工裝備和精細進給系統(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被控對象的瞬時信息,進行誤差校正，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)動態(tài)跟蹤實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，系統(tǒng)需要速度環(huán)具有良好的動態(tài)響應速度、寬廣的調(diào)速范圍、優(yōu)異的抗擾特性，從而為伺服系統(tǒng)快速準確的定位與跟蹤提供基礎(chǔ)與條件。一個高性能的交流伺服系統(tǒng)不僅要對指令做出快速響應，當外部出現(xiàn)大的擾動或?qū)ο筇匦园l(fā)生變化時，還應保持良好的響應性能，系統(tǒng)要具備很強的抗干擾性能，使其動態(tài)特性不隨外部參數(shù)的變化而變化。下面，我們結(jié)合實際試驗系統(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。 永磁同步伺服系統(tǒng)構(gòu)成原理 　　 目前，永磁同步電機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)很好地處理電機電樞電流響應問題，在實際系統(tǒng)運行范圍內(nèi)，只要系統(tǒng)給定在該轉(zhuǎn)速下所需電流波形，電機電流均能很好地響應，所得電流交軸分量就是電機旋轉(zhuǎn)所需的轉(zhuǎn)矩分量，電機響應性能優(yōu)異[2]。而且，磁場定向矢量控制時，電機電樞磁場和轉(zhuǎn)子勵磁磁場間成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)計容易實現(xiàn)。坐標變換如式（1）所示:由于面裝式永磁同步電機的交、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 　　 設(shè)計多環(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)地逐步向外擴展。所以先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 　　 當電機轉(zhuǎn)速較低時，電機反電勢也比較小，因此在進行電流環(huán)設(shè)計的時候，可以先忽略反電勢，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現(xiàn)。采用硬件電流控制器具有不占用計算機的運算時間，動態(tài)響應速度快，工作可靠，保護電路實現(xiàn)簡單、穩(wěn)定的優(yōu)點。電流環(huán)控制對象包括pwm 信號形成、延時、隔離驅(qū)動及逆變器、電機電樞回路、電流采樣和濾波電路。在伺服系統(tǒng)中，三個電流環(huán)是獨立的，而伺服系統(tǒng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向控制時，嚴格按照id=0 的矢量控制方法給出電機三相電流，在電流環(huán)作用下，電機實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，包括信號調(diào)理、pi 調(diào)節(jié)、pwm 信號形成、前后沿延時處理及保護部分組成。其中i＊a是由dsp來的電流給定信號，iaf是電機電流采樣信號，分別經(jīng)過運算放大器調(diào)理以后送到調(diào)節(jié)器，經(jīng)過調(diào)節(jié)運算輸出誤差信號。該誤差信號與三角載波信號比較形成pwm信號來控制逆變橋相應橋臂開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)。同一橋臂的兩個管子互補導通，為防止器件在開關(guān)過程中直通而損壞，需要對pwm信號的前后沿做適當延時。電阻r12、r13和電容c1、c2及門電路組成互鎖延時電路，實現(xiàn)pwm信號的前后沿延時。引入保護信號是為了當在系統(tǒng)需要時，或者主開關(guān)器件故障時，可關(guān)斷所有的開關(guān)器件。在實際的電路中，采用gal（gal16v8d）來完成對pwm信號的前后延時。 得到電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為: 其中km=1/rs，tli =lq/rs為電機電樞回路時間常數(shù)，ti=tσi+τv為等效小慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)，τi為電流調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)，為了使電流環(huán)具有較快的響應速度，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gik進行降階處理，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 　　 在設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的時候，可以把已設(shè)計好的電流環(huán)看成是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的一個環(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為電機電勢系數(shù)，tm為電機機電時間常數(shù)，ton為速度反饋濾波時間常數(shù)，所以速度調(diào)節(jié)器控制對象傳遞函數(shù)為: 對小慣性環(huán)節(jié)進行近似處理，小時間常數(shù)tl和ton合并成時間常數(shù)為tσn=tl+ton的慣性環(huán)節(jié)，速度環(huán)控制對象為一個慣性環(huán)節(jié)和一個積分環(huán)節(jié)串聯(lián)。在負載擾動作用點以后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，基于穩(wěn)態(tài)無靜差的要求，必須在擾動作用點之前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié)，因此需要ⅱ型系統(tǒng)，再從動態(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，當對象參數(shù)tσn一定時，改變τn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)計時，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，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微控制器實現(xiàn)，我們采用“離散pi調(diào)節(jié)＋pi分時調(diào)節(jié)”的算法來實現(xiàn)。速度pi 調(diào)節(jié)運算表達式為: 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控制機制，將速度調(diào)節(jié)器設(shè)計成這樣的形式，在速度變化較小，或者是僅在負載的擾動過程中，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行加減速，充分發(fā)揮了電機潛力。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)的動態(tài)響應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，解決這個問題的一個簡單有效的辦法就是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上引入轉(zhuǎn)速微分負反饋，使得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的退飽和時間提前了。采用帶微分負反饋的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”，因而可以獲得實際可行的最優(yōu)動態(tài)性能。 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 　　 主控電路采用ti公司的高性能dsp控制器tms320lf2407a作為控制核心,它將一個高性能dsp核、大容量的片上存儲器和專用的運動控制外設(shè)電路以及其它功能的外設(shè)電路集成在單個芯片上,具有可編程、集成度高、靈活性、適應性好及升級方便等優(yōu)點[6]。 　　 永磁同步電機轉(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中斷程序、光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序、功率驅(qū)動保護中斷程序和通訊中斷程序4個部分組成。 在中斷程序中設(shè)有位置計算、速度計算、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)復雜矢量控制運算的執(zhí)行，同時也提高了系統(tǒng)的響應時間。電流檢測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。只要檢測電機定子三相繞組中的兩相即可,另外一相可以由三相平衡計算得出。從兩路ad采樣可計算轉(zhuǎn)子位置角和轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子位置檢測采用增量式光電編碼器。光電編碼器檢測的位置脈沖信號兩路正交脈沖信號（a）和（b），一路零位脈沖信號（z）和三路相差120度的初始位置脈沖信號（u、v、w），實現(xiàn)初始位置的定位。a，b，z，u，v及w均為差分形式的信號,先經(jīng)4線接收器am26ls32轉(zhuǎn)換為單路信號,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)，同時設(shè)置運行模式;功率驅(qū)動保護中斷程序則用于檢測智能功率模塊的故障輸出，當出現(xiàn)故障時，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，價格又相對便宜的tms32of24o7來設(shè)計系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)，設(shè)計的永磁同步電機交流伺服系統(tǒng)具有較寬的調(diào)速比及優(yōu)良的動態(tài)響應特性容易控制，具有良好的靜動態(tài)性能，適用于中小功率伺服系統(tǒng)，應用前景十分廣闊。