文中介紹了一種高性能全數(shù)字交流主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以智能功率模塊ipm為逆變器開關(guān)元件, 以高性能dsp admc401為控制核心, 控制算法采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制, 實(shí)現(xiàn)了電流控制、速度控制和位置控制。運(yùn)行結(jié)果表明, 該系統(tǒng)具有較高的調(diào)速性能、低速負(fù)載特性和良好的動(dòng)靜態(tài)性能, 實(shí)現(xiàn)了主軸定位和c軸功能。 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制 當(dāng)將轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸選取在轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆较蛏? 并控制使轉(zhuǎn)子磁鏈在穩(wěn)態(tài)時(shí)為常數(shù), 就需要控制滑差角頻率ωs、轉(zhuǎn)子磁鏈ψdr、電氣角頻率ω1和轉(zhuǎn)子磁鏈角度θe, 分別為: 式中: ωm—轉(zhuǎn)子機(jī)械角頻率 p—極對(duì)數(shù) 交流異步主軸電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程式為: 式中, ids、iqs分別是定子電流在d、q軸上的分量，l1，l2，m12分別是定、轉(zhuǎn)子電感和互感, r2是轉(zhuǎn)子電阻, ω1, ωs為電氣角頻率和滑差角頻率, p =d/dt是微分算子。即可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線性化控制, 但是在ids和iqs的狀態(tài)方程中依然存在含有ids，iqs和ω1和乘積耦合項(xiàng)。從電流控制器設(shè)計(jì)的角度來看, 有必要采取去耦控制的措施, 方便控制器的設(shè)計(jì)。因此還需要在d-q坐標(biāo)系上采用電壓前饋補(bǔ)償?shù)姆椒? 實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量獨(dú)立控制, 這里電壓前饋補(bǔ)償控制如下式所示: 式中，為漏磁系數(shù), uds, uqs是定子電壓在d、q軸上的分量,u′ds和u′qs為磁場和轉(zhuǎn)矩電流控制器的輸出, 這樣可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)去除定子電流在d-q坐標(biāo)系上電流分量的耦合項(xiàng), 控制器也可以獨(dú)立地按照一階系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 以數(shù)字信號(hào)處理器為控制核心的全數(shù)字交流主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖上可以看出系統(tǒng)主要有以下幾部分: 控制電路、主電路（包括整流電源和逆變器）以及開關(guān)電源電路。 控制電路結(jié)構(gòu) admc401高性能數(shù)字信號(hào)處理器采用16位定點(diǎn)dsp adsp2171的內(nèi)核, 并將豐富的外設(shè)控制器集成于單片之中, 指令執(zhí)行速度為26m ips, 片內(nèi)集成的主要外設(shè)包括: ·高精度8 通道a/d轉(zhuǎn)換器（adc） 具有12位的轉(zhuǎn)換精度, 支持兩通道同步采樣和順序采樣, 轉(zhuǎn)換時(shí)間小于2μs。 ·三相16位pwm發(fā)生器（pwm） 可以編程設(shè)定開關(guān)周期、死區(qū)時(shí)間、最小脈寬限制時(shí)間, 具有單刷新和雙刷新兩種模式, 可以產(chǎn)生對(duì)稱和非對(duì)稱pwm波形、空間矢量pwm波形、pwm輸出可以被外部引腳或軟件編程封鎖, 具有較強(qiáng)的故障保護(hù)能力。 ·片內(nèi)增量式編碼器接口單元（eiu） 具有可編程的脈沖輸入濾波器, 可以實(shí)現(xiàn)倍頻、辨向、計(jì)數(shù)等功能, 并配合有專門的編碼器事件定時(shí)器, 可以方便地實(shí)現(xiàn)m/t法速度檢測, 為高性能電機(jī)控制提供高精度的位置和速度反饋。 admc401是整個(gè)系統(tǒng)的核心, 在系統(tǒng)中利用它來實(shí)現(xiàn)矢量變換、電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制以及svpwm信號(hào)發(fā)生、各種故障保護(hù)處理等。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速實(shí)時(shí)控制，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用了單片機(jī)+dsp雙cpu結(jié)構(gòu)，因此將系統(tǒng)的控制任務(wù)進(jìn)行了劃分:dsp完成實(shí)時(shí)性要求高的矢量控制和閉環(huán)控制，fla sh結(jié)構(gòu)的單片機(jī)89c8252完成實(shí)時(shí)性要求比較低的管理任務(wù)，如控制參數(shù)設(shè)定、鍵盤處理、狀態(tài)顯示、串行通訊等, fpga實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和dsp之間的并行數(shù)據(jù)交換、外部i/o信號(hào)管理、位置脈沖指令處理及計(jì)數(shù)、故障信號(hào)處理、主軸編碼器計(jì)數(shù)等功能, 系統(tǒng)可以支持模擬速度輸入、數(shù)字速度輸入、脈沖輸入以及通過上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制等多種方式。 主電路及開關(guān)電源電路 系統(tǒng)的主回路采用模塊式設(shè)計(jì)，整流電源部分和交-直-交電壓源型逆變器通過公共直流母線連接，整流電源部分采用二級(jí)管整流模塊，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了軟起動(dòng)電路以減少強(qiáng)電對(duì)主回路直流平波電容的沖擊。逆變器采用智能功率模塊pm 75cva 120，在系統(tǒng)故障保護(hù)環(huán)節(jié)中，設(shè)置了主回路過壓、欠壓、過熱、過載、制動(dòng)異常、光電編碼器反饋斷線、通訊故障等保護(hù)，故障信號(hào)由軟硬件配合檢測，一旦出現(xiàn)保護(hù)信號(hào)，通過軟件或硬件邏輯立刻封鎖pwm驅(qū)動(dòng)信號(hào)。系統(tǒng)采用磁平衡式霍爾電流傳感器采樣兩相電流反饋ia，ib, 獲得實(shí)時(shí)的電流信息。系統(tǒng)的控制電源采用開關(guān)電源供電，開關(guān)電源功率開關(guān)器件選用to p224。對(duì)于主軸電機(jī)光電編碼器的供電電源，考慮其反饋信號(hào)線上的電壓降落可能比較大，會(huì)影響到反饋信號(hào)的可靠性，因此采用帶反饋調(diào)節(jié)的dc-dc變換器單獨(dú)供電。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與控制功能實(shí)現(xiàn) 全數(shù)字交流主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用了交流變頻主軸電機(jī): 額定功率3.7kw/5.5kw; 額定電流9a; 額定同步轉(zhuǎn)速1500r/min; 額定轉(zhuǎn)矩24.6nm, 安裝在電機(jī)上的光電編碼器分辨率為1000p/r。電流控制采樣周期100μs, pwm開關(guān)頻率10khz, 速度環(huán)和位置環(huán)采樣周期500μs。速度環(huán)的輸出限幅值為額定電流的1.2倍。 恒轉(zhuǎn)矩控制 當(dāng)交流主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行于基速以下時(shí),系統(tǒng)應(yīng)具有恒轉(zhuǎn)矩特性, 特別是低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該輸出相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩, 并保持運(yùn)行平穩(wěn)。圖3示出了系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)的速度響應(yīng)曲線和電流波形，結(jié)果表明，系統(tǒng)的響應(yīng)比較快。圖4示出了系統(tǒng)在基速以下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性，可以看出系統(tǒng)具有寬范圍的負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸出能力。 恒功率控制 當(dāng)交流主軸電機(jī)運(yùn)行于基速以上時(shí), 系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入弱磁狀態(tài), 此時(shí)在恒功率狀態(tài)下運(yùn)行, 應(yīng)保持定子電壓不變, 減小轉(zhuǎn)子磁鏈, 實(shí)現(xiàn)弱磁控制, 根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制原理, 定子磁鏈電流可以按照下式控制: 式中,ωbase為感應(yīng)電機(jī)額定同步轉(zhuǎn)速。 在電機(jī)進(jìn)入弱磁范圍運(yùn)行時(shí), 為了保證有相當(dāng)?shù)碾姶呸D(zhuǎn)矩輸出, 需要對(duì)速度pi調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)矩電流限幅值進(jìn)行調(diào)整, 調(diào)整方法如下: 式中, i＊qslimit為速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值, imax為系統(tǒng)允許的最大輸出電流, k為調(diào)整系數(shù), 一般選擇小于1, 目的是防止高速啟動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)的失速問題。圖5是系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速為5500r/min時(shí)的速度響應(yīng)曲線。 主軸定向控制和c軸功能 利用安裝在主軸電動(dòng)機(jī)上的位置編碼器, 可方便地實(shí)現(xiàn)電氣方式高速主軸定向控制, 使主軸準(zhǔn)確地停在規(guī)定的位置上, 主軸定向位置可通過通訊的方式或手動(dòng)方式方便地設(shè)置。主軸高速定向控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示, 定向過程在1.2s內(nèi)完成。 c軸功能可以通過速度控制向位置控制的切換來實(shí)現(xiàn)。 文中提出的全數(shù)字交流主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)充分利用了dsp admc401的高速運(yùn)算能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)資源, 保證了控制的實(shí)時(shí)性, 實(shí)現(xiàn)了高精度調(diào)速及定位要求, 具有寬調(diào)速范圍, 較高的控制精度, 良好的動(dòng)靜態(tài)性能和完善的保護(hù)功能，系統(tǒng)調(diào)速范圍達(dá)到1∶1000, 恒功率范圍1∶4～12。 參考文獻(xiàn) [1] 秦 憶,李浚源. 現(xiàn)代交流電機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ).廣東科技出版社,1993 [2] d. w. novo tny, t. a. lipo. vector control and dynam ics of ac drives. clarendon press. oxford, 1996 [3] b. k. bose. modern power elect ronics and ac drives. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2003 [4] 畢承恩. 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991