高性能、智能化全數(shù)字交流伺服單元和主軸伺服單元，特別是高速主軸及其控制的研究，是形成我國(guó)數(shù)控成套供應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)高速、高精數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。本文主要介紹基于DSP＋FPGA伺服和主軸統(tǒng)一硬件平臺(tái)方案，側(cè)重介紹面向高速度大容量主軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基于功率預(yù)估的能量控制策略。 1　引言 伺服驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和動(dòng)力機(jī)構(gòu)。一臺(tái)高性能數(shù)控機(jī)床，必須配備高性能的主軸和伺服，才可能實(shí)現(xiàn)高速和高精的加工要求。 當(dāng)前，伺服驅(qū)動(dòng)普遍采用PWM技術(shù)。采用PWM技術(shù)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在著能量單方向傳遞問(wèn)題，其直接后果表現(xiàn)在以下方面：制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生高壓降低了運(yùn)行的可靠性；不能實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)限制了應(yīng)用場(chǎng)合和容量進(jìn)一步提高；采用二極管整流產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)。提高電流質(zhì)量和效率，實(shí)現(xiàn)能量再生控制是減少能耗、實(shí)現(xiàn)節(jié)能的有效措施。對(duì)大容量高速主軸伺服來(lái)說(shuō)，減少儲(chǔ)能電容器容量、減少裝置體積也是系統(tǒng)集成化的需要，以PWM整流取代二極管整流，形成所謂CIS系統(tǒng)（Converter-Inverter System），是一種理想的解決方案，而且除能量雙向流動(dòng)外，還能使輸入諧波減少，功率因數(shù)為1或可調(diào)。 2　基于DSP和FPGA的開(kāi)放式伺服運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái) 隨著開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化和在線編程（ISP）思想的引入，伺服系統(tǒng)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)正趨于硬件統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化，逐漸形成了以DSP、單片機(jī)（MCU）和FPGA為核心，將伺服進(jìn)給系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，利用軟件對(duì)位置、速度、力矩控制；V/f控制；矢量控制以及無(wú)速度傳感矢量控制模塊化設(shè)計(jì)，在統(tǒng)一硬件平臺(tái)下，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)主軸和伺服功能，利用網(wǎng)絡(luò)通信對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)機(jī)械最佳配合和多軸化同步控制，以此為出發(fā)點(diǎn)提出圖1硬件平臺(tái)。 [align=center] （a） 主電路 （b） 控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖 圖1 平臺(tái)硬件構(gòu)成[/align] 控制平臺(tái)分為兩部分：DSP作為運(yùn)動(dòng)控制的核心，完成控制算法；CPLD/FPGA組成平臺(tái)的擴(kuò)展部分，完成各種擴(kuò)展接口的設(shè)計(jì)，平行處理平臺(tái)所有邏輯信號(hào)和總線接口的擴(kuò)展，同時(shí)CPLD/FPGA擁有出色的在線可編程能力，可以適應(yīng)不同應(yīng)用系統(tǒng)的接口要求，提高了系統(tǒng)適用范圍。這里介紹的是基于該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)整流/逆變一體化控制。按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制交流電動(dòng)機(jī)（VSIM）是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。電機(jī)采用武漢登奇主軸電機(jī)，弱磁最高轉(zhuǎn)速8000r.p.m。 由于PWM控制方式直流環(huán)節(jié)一般采用大電容濾波，使得整流控制和逆變部分基本解耦，控制相對(duì)獨(dú)立，利用了PWM整流器研究成果，使這項(xiàng)技術(shù)很快獲得應(yīng)用。 從系統(tǒng)優(yōu)化和簡(jiǎn)化角度出發(fā)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于CIS系統(tǒng)一體化協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行了廣泛研究，如Jung等針對(duì)CIS系統(tǒng)對(duì)稱性采用反饋線性化手段提出主從式一體化控制策略。Liao提出基于逆變器輸入功率預(yù)測(cè)前饋的一體化策略。Gu等通過(guò)直接控制電容電流為零實(shí)現(xiàn)CIS系統(tǒng)一體化控制。本文對(duì)基于功率平衡策略進(jìn)行了探討。 3　基于補(bǔ)償法的一體化控制策略 在CIS系統(tǒng)中，VSIM相當(dāng)于VSR的負(fù)載，兩者通過(guò)下述方程耦 合 （1） 式中，P[sub]e[/sub]為電網(wǎng)輸入到VSR的P[sub]loss[/sub]功率，P[sub]ma[/sub]為VSR損耗和逆變器損耗之和，為電機(jī)的輸入有功功率，稱為負(fù)載功率。上式表明，若能準(zhǔn)確估計(jì)P[sub]l[/sub]并對(duì)它進(jìn)行補(bǔ)償，使P[sub]e[/sub]緊跟P[sub]l[/sub]，則可在很小的電容量時(shí)確保在允許的范圍內(nèi)。一體化控制不要求很高的電壓環(huán)帶寬，因此更為可行。 CIS系統(tǒng)的一體化控制思路為，選擇何種VSR控制方式，將估計(jì)的負(fù)載功率嵌入P[sub]l[/sub]，使得P[sub]e[/sub]能更快地緊跟P[sub]l[/sub]。 1） VSIM輸入功率估計(jì)。異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 [align=center] 圖2 異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[/align] 由于異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的相電壓是脈沖形式，因此通常將電機(jī)輸入有功功率P[sub]ma[/sub]和PWM逆變器的損耗P[sub]invl[/sub]一起統(tǒng)稱為VSIM輸入功率P[sub]inv[/sub]，從圖2可知P[sub]inv[/sub]的估計(jì)方法可以用測(cè)量法，但需增加電流檢測(cè)元件。本文采用基于赤木泰文的瞬時(shí)無(wú)功功率理論對(duì)輸入功率進(jìn)行估計(jì)： （2） 根據(jù)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的VSIM模型和瞬時(shí)無(wú)功功率，考慮VSIM采樣周期為T。當(dāng)前周期的控制電壓在下一個(gè)周期才能使用，采用前向差分法得離散化后， 可以導(dǎo)出的導(dǎo)數(shù)計(jì)算式 （3） 改進(jìn)的P[sub]inv[/sub]估算式為 （4 ） 這種迭代形式易于實(shí)現(xiàn)，而且具有低通濾波特性，所得P[sub]inv[/sub]的估計(jì)值比較平滑。 2） 變換器損耗估計(jì)。采用近似估計(jì)方法，可以依據(jù)功率模塊制造商提供的數(shù)據(jù)。一個(gè)PWM周期內(nèi)單橋臂總的損耗為 （ 5 ） 其中 單位PWM周期內(nèi)平均功率損耗為 （6） 可得單位周期T內(nèi)VSR的變換器損耗為 （ 7） 單位周期T內(nèi)VSIM的變換器損耗為 （8） 例如，整流橋采用的是西門子公司的單相半橋IGBT功率模塊，其型號(hào)為BSM50GB120DN2。根據(jù)25°C時(shí)的典型參數(shù)可求得單位PWM周期內(nèi)平均功率損耗為。 3） VSR瞬時(shí)功率 VSR控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。 圖3 VSR雙閉環(huán)控制框圖 VSR雙閉環(huán)控制框圖如圖3所示。圖中， （9） 其中 在定向到電網(wǎng)電壓矢量的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，電網(wǎng)輸入到VSR的瞬時(shí)有功功率P[sub]e[/sub]為： （10） P[sub]e[/sub]的給定P[sub]e[/sub]為 （ 11） 根據(jù)電流電壓雙閉環(huán)的設(shè)計(jì)結(jié)果，可得瞬時(shí)有功功率的傳遞函數(shù) （12） 其中，為VSR電流環(huán)等效為一階慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。 4）控制策略 設(shè)前饋的瞬時(shí)有功功率為，這里。將與相加，作為P[sub]e[/sub]的給定，便得到基于補(bǔ)償法的一體化控制策略。 （13） 三相CIS系統(tǒng)采用基于補(bǔ)償法的一體化控制策略時(shí)，根據(jù)式（9）、（12）和（13），可得瞬時(shí)有功功率的傳遞函數(shù)框圖如圖4所示。由圖得 （14） 其中: 圖4 瞬時(shí)有功功率的傳遞函數(shù)框圖 因的表達(dá)式不同，有不同控制方法，這里僅簡(jiǎn)介一種間接補(bǔ)償方式。這種補(bǔ)償方式僅補(bǔ)償電機(jī)輸入的瞬時(shí)有功功率P[sub]ma[/sub]，而不補(bǔ)償損耗P[sub]loss[/sub]，但考慮功率動(dòng)態(tài)，稱之為間接補(bǔ)償方式。的表達(dá)形式為， （15） 將上式代入（14）式得 （16） 表達(dá)式中P[sub]ma[/sub]（s）不存在，可見(jiàn)這種補(bǔ)償方式對(duì)P[sub]ma[/sub]（s）達(dá)到了完全補(bǔ)償?shù)男Ч?，?duì)P[sub]ma[/sub]（s）沒(méi)有補(bǔ)償。 實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示： 圖5 補(bǔ)償法的一種實(shí)現(xiàn) 由上圖可推出 （17） （18） 這里電流閉環(huán)傳遞函數(shù)： 代入上式得 （19） 間接補(bǔ)償方式具有以下特點(diǎn)： （1）間接補(bǔ)償方式將P[sub]ma[/sub]一步到位地補(bǔ)償在上，使得P[sub]e[/sub]能迅速跟蹤P[sub]ma[/sub]的變化，節(jié)約了電流環(huán)響應(yīng)時(shí)間，加速了P[sub]e[/sub]的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。 （2）這種一步到位的補(bǔ)償方法是通過(guò)直接改變實(shí)現(xiàn)的，并考慮了P[sub]ma[/sub]的導(dǎo)數(shù)。該方法與復(fù)合校正中的按擾動(dòng)補(bǔ)償方法一致。 圖6 基于間接補(bǔ)償方式的一體化控制系統(tǒng)仿真結(jié)果 圖7 基于間接補(bǔ)償方式的一體化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 4　結(jié)論 本文介紹基于DSP＋FPGA伺服與主軸統(tǒng)一硬件平臺(tái)，在該平臺(tái)上對(duì)基于功率預(yù)估方案的主軸整流－逆變一體化協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行了研究。仿真及實(shí)驗(yàn)證明了方案可行性。