在目前廣泛應用於數控車床、紡織機械等領域的伺服系統中，採用全數字的控制方式已是大勢所趨。數字化控制與模擬控制相比不僅具有控制方便、性能穩定、成本低廉等優點，同時也為伺服系統實現網絡化、智能化控制開闢了發展空間。全數字控制的伺服系統不僅可以方便的實現電機控制，同時通過軟件的編程可以實現多種附加功能，使得伺服系統更為人性化，智能化，這也正是模擬控制所不能達到的。 目前，對伺服系統的研究已有大量的文獻[1-5]進行了報道。本文基於ti公司f2407a dsp控制芯片，建立了全數字控制的伺服系統thrsv-1，該系統可以工作於定位、脈衝跟蹤、模擬量跟蹤、力矩給定、調速五種模式。在採用1024脈衝/轉的光電編碼盤時，電機的定位精度可以達到每轉的1/4096。當工作於脈衝跟蹤模式時，其轉速隨著脈衝頻率的變化而改變，轉過的角度和輸入脈衝的總數成正比。而在模擬量跟蹤時可以實現s曲線、階躍、正弦等多種速度曲線，真正實現任意速度曲線的跟蹤。力矩模式使得電機輸出力矩恆定，可用於多臺聯動的場合。最後，基本的調速方式滿足最為常用的控制要求，當電機工作於額定轉速以上時，採用了弱磁升速技術。 磁場定向控制原理 為了分析方便，先對三相異步電機做如下理想化假定: 電機定轉子三相繞組完全對稱; 定轉子表面光滑，無齒槽效應，定轉子每相氣隙磁動勢在空間呈正弦分佈; 磁飽和、渦流及鐵心損耗忽略不計。 [align=center]
圖1 異步電機α—β和d—q座標系[/align] 圖1是三相異步電機的座標圖，其中a、b、c分別為三相定子繞組，α-β為兩相定子座標，d-q為兩相以ωo角速度旋轉的座標，isd、isq、isα、isβ分別是定子電流矢量is在d、q、α、β軸上的分量。 對於一般電機調速系統而言，從轉矩到轉速近似為一個積分環節，其積分時間常數由電機和負載的機械慣量決定，為不可控量，因此轉矩控制性能的好壞直接關係到一個調速系統的動靜態特性。從轉矩表達式可以看出，異步電機的轉矩一般和定子電流矢量和轉子磁場以及夾角有關。因此，要想控制轉矩，必須先檢測和控制磁通。在磁場定向矢量控制中，一般把d-q座標系放在同步旋轉磁場上，把靜止座標系中的各交流量轉化為旋轉座標系中的直流量，並使d軸和轉子磁場方向重合，此時轉子磁通q軸分量為零（ψrg=0），此時有如下幾式:
其中式（1）－（5）為轉子磁場定向控制方程式。漏磁係數=1-lm2/lslr，τr=lr/rr為轉子時間常數，ωs為轉差角速度，ω0轉子旋轉磁場的角速度，ωr是轉子旋轉角速度。式（3）－（6）是轉子磁場定向控制的電流模型公式，用來計算轉子旋轉磁場的幅值和角度。由式（3）不難發現，只需檢測定子電流的d軸分量即可觀測出轉子磁通幅值。由式（7）可知，當ψrd恆定時，電磁轉矩和電流的q軸分量或轉差成正比，沒有最大值限制，通過控制定子電流的q軸分量即可控制電磁轉矩。因此，也稱定子電流的d軸分量為勵磁分量，定子電流的q軸分量為轉矩分量。因此，可以通過定子電流的d軸分量控制轉子磁通，q軸分量來控制轉矩，從而實現了磁通和轉矩的解耦控制。 [align=center]
圖2 伺服系統模型[/align] 圖2是整個轉子磁場定向控制的原理框圖，整個系統由三個環組成，由外到內分別是位置環、速度環、電流環。其中位置環是在採用定位模式時進行閉環控制，在其他工作模式下不進行電機軸位置量的控制。 系統軟硬件設計 硬件設計 dsp以及周邊資源 以dsp為核心的伺服系統硬件如圖4，整個系統的控制電路由dsp+gal組成。 其中gal主要用於系統io空間的選通信號以及開關驅動信號的輸出控制等。dsp作為控制核心，接受外部信息後判斷伺服系統的工作模式，並轉換成逆變器的開關信號輸出，該信號經隔離電路後直接驅動ipm模塊給電機供電。另外eeprom用於參數的保存和用戶信息的存儲。 功率電路 整個主電路先經不控整流，後經全橋逆輸出。逆變器選用igbt智能模塊。該模塊採用10a，600v的功率管，內部集成了驅動電路，並設計有過電壓、過電流、過熱、欠電壓、等故障檢測保護電路。系統的輔助電源採用線性穩壓電源，主要供電包括六路開關管的驅動電源，dsp和gal以及i/o口控制芯片的電源和採樣lem以及光電編碼器的電源。 電流採樣電路 本系統的設計要求至少採樣兩相電流，由於負載的對稱性，故採樣ia和ic兩相電流。採樣電路採用霍爾傳感器並經模擬電路處理在3.3v的電壓範圍內，然後送入dsp的ad轉換器中。 轉子位置檢測電路 電機反饋採用增量式光電編碼器，該編碼器分辨率為1024脈衝/轉，輸出信號包括a、b、z脈衝信號，其中a、b信號互差90o（電角度），dsp通過判斷a、b的相位和個數可以得到電機的轉向和速度。z信號每轉一圈出現一次，用於位置信號的復位。光電編碼盤脈衝信號送入dsp後，經內部qep電路實現四倍頻，因此電機每圈的脈衝數是4096個。 保護電路 系統在主迴路設置了過壓、欠壓、igbt故障、電機過熱、編碼器故障，故障信號經邏輯電路後可直接封鎖開關脈衝，同時通過dsp的i/o口輸入，通過軟件檢測來實現系統的保護。 軟件設計 dsp伺服控制程序由3個部分組成:主程序的初始化、pwm定時中斷程序和dsp與周邊資源的數據交換程序。 主程序 主程序先完成系統的初始化、i/o口控制信號管理、dsp內各個控制模塊寄存器的設置等，然後進入循環程序，在這裡完成系統的數據保存和報警內容的更新。 pwm定時中斷程序 pwm定時中斷程序是整個伺服控制程序的核心內容，在這裡實現電流環、速度環、位置環的採樣控制以及矢量控制、pwm信號生成、各種工作模式選擇和i/o的循環掃描。中斷控制程序週期為50μs，即ipm開關頻率為20khz。其中每個週期完成電流環的採樣和開關信號的輸出，每10個開關週期完成一次速度環和位置環控制。pwm控制信號採用svpwm調製方法生成，在每個採樣週期中對每相電流進行一次pid算法來決定該週期中的佔空比。 數據交換程序 數據交換程序主要包括與上位機的通訊程序、eeprom中參數的存儲、控制器鍵盤值的讀取和數碼管顯示程序。其中通訊採用rs232接口，根據特定的通訊協議接受上位機的指令，並根據要求傳送參數。eeprom的數據交換通過dsp的spi口完成。鍵盤和數碼管顯示在每隔1200個週期掃描一次，更新顯示和鍵值。 [align=center]
圖3 伺服系統硬件構成
圖4 dsp系統硬件圖[/align] 實驗結果[align=center]
圖5 伺服系統速度階躍響應曲線
圖6 速度給定反相時的相電流波形
圖7 伺服定位時的位置波形
圖8 電機在1200r/min時的磁鏈圓[/align] 上述伺服系統採用三相異步電動機:額定功率180w，額定電流0.65a，額定轉速1400r/min，額定轉矩1.1nm,定子電感42mh，定子電阻28ω。電流環採樣週期50μs，速度環採樣週期500μs，位置環採樣週期500μs。圖5是速度階躍響應曲線，通過調整速度環pid參數可以改變速度波形的超調量和響應時間。圖6是轉速正反切換時的相電流波形，可以清楚的看到當電機轉向發生變化時，其相電流波形反相。圖7是伺服系統在定位2圈時的位置波形，該電機位置由光碼盤決定，即每採集到4096個脈衝為一圈。圖8是伺服系統在1200r/min時的轉子磁鏈圓軌跡。 結語 本文中，系統硬件上採用dsp加gal的控制結構，電路設計簡單，緊湊，滿足了矢量控制實時性的要求，同時全數字化的控制，使系統在控制精度、功能和抗干擾能力上都有了很大程度的提高。同時，由f2407a控制的全數字伺服系統通過軟件編程，可以實現定位、模擬量、力矩給定等多種工作方式，且工作性能穩定。實驗結果表明，本文的伺服系統在完成定位、調速時具有很高的控制精度，不僅滿足高性能定位系統的應用要求，而且也可用於伺服系統的教學中。
閱讀更多 小丸子機械設計 的文章
