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技術的飛速發(fā)展，有關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。 　　 隨著微型計算機技術特別是dsp技術的飛速發(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。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，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)的設計 　　 設計多環(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)，它與開關頻率有關， 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管的開關狀態(tài)。同一橋臂的兩個管子互補導通，為防止器件在開關過程中直通而損壞，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，或者主開關器件故障時，可關斷所有的開關器件。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)的設計 　　 在設置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的時候，可以把已設計好的電流環(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gasr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電路以及其它功能的外設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參數(shù)變量的初始值的設置。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來設計系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)，設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。