永磁同步電機數字交流伺服控制技術分析

　　隨著現代工業對精密化、高速化、高性能的要求的不斷發展，傳統的控制器在高要求的場合已經不能夠勝任，在很多要求高實時性，高效率的場合，就必須要用專門的數字信號處理器(DSP)來代替傳統的控制器的部分功能。特別是在控制算法復雜或對算法進行改進優化的時候，DSP獨特的快速計算的能力就明顯的體現出來。

　　另外，隨著集成電路制造技術的進步和電力電子技術的發展，交流伺服也得到了長足的發展。集三相逆變器和保護電路、隔離電路、能耗制動電路等功能為一體的智能功率模塊、先進的電力電子器件的出現、使交流伺服控制更方便、功耗更低、開關時間更短、變頻范圍更寬、性能更優越。這些都使交流伺服相對直流伺服體現出了明顯的優越性。

　　1 系統概述

　　交流伺服數字化系統的硬件由DSP作為信號處理器，用旋轉編碼器和電流傳感器提供反饋信號，智能功率模塊IPM作為逆變器，經傳感器出來的信號經過濾波整形等處理后反饋給DSP進行運算，DSP經過對參考信號和反饋信號的處理運算來調節伺服系統的電流環，速度環，和位置環的控制，最后輸出PWM信號經過隔離驅動IPM模塊實現電機的伺服閉環控制。系統的硬件結構如圖1所示。

　　圖1硬件結構圖

　　系統的控制為三環控制方式，位置控制是外環，也是最終目標，速度控制是中環，電流控制是內環。為了保證動態響應速度和定位時不產生震蕩，電流環和速度環均采用PID調節，位置調節器采用PI調節。系統的控制框圖如圖2：

　　圖2控制系統框圖

　　編碼器檢測的轉子位置實際信號與系統給定位置信號進行比較，比較后的差值經位置調節器PI調節后輸出轉子轉速給定信號，給定轉速信號再與編碼器檢測的實際速度信號進行比較，比較后的差值經速度調節器調節后，輸出給定電流指令值，在于電流反饋實際值比較后進行PWM控制。

　　2 矢量控制

　　在同步電機中，勵磁磁場與電樞磁通勢間的空間角度不是固定的，因此調節電樞電流就不能直接控制電磁轉矩。通過電機的外部控制系統，對電樞磁通勢相對勵磁磁場進行空間定向控制，控制兩者之間的角度保持固定值，同時對電樞電流的幅值也進行控制，這種控制方式就稱為矢量控制。

　　矢量控制也就是通過控制兩相的轉子參考坐標d-q軸的電流來等效控制電樞的三相電流。通過前面的系統控制框圖可以清楚理解這種等效，可以用下面的公式表示：

　　由電機非負載軸端安裝的編碼器隨時檢測轉子磁極位置，不斷的取得位置角信息，通過檢測實時的知道了θ，也就是說能夠進行實時的坐標變化，變換后的電流對逆變器進行控制，產生PWM波形去控制電機。

　　3 位置及速度的檢測

　　交流伺服電機內裝有編碼器進行位置及速度的測量，大多數情況下，直接從編碼器出來的信號波形不規則，還不能直接用于控制，信號處理和遠距離傳輸，所以要對信號進行整形和濾波變成矩形波后再反饋給DSP，處理后的兩路相互正交的編碼器信號A、B經過電壓變換直接送入DSP的QEP引腳，經譯碼邏輯單元產生轉向信號和4倍頻的脈沖信號。轉向信號是根據兩路信號的相位超前滯后決定的。由于存在正反轉的問題，要求計數器具有可逆性，所以把通用定時器2設置為定向增減計數模式，把倍頻后的正交編碼脈沖作為定時器2的輸入時鐘進行計數，計數的方向由轉向信號決定，如果QEP1的輸入相位超前，則增計數，反之則減計數。位置和轉速由脈沖數和脈沖頻率就可以決定。每轉的總脈沖數用M表示，T1時刻的脈沖數為m1，則電機轉過的角度就可以根據下式計算出來。

　　如果是多轉的情況下，再配合編碼器的Z相零位脈沖的計數值和相應定時器2的清零，就可以知道電機軸轉了多少圈多少角度了。電機轉子轉速的計算可以根據MT測速法，確定編碼器的速度公式如下：

　　M1—定時間內計數器記錄的編碼器脈沖數;

　　M2—定時間內記錄的DSP的時鐘脈沖數;

　　N—編碼器線數，也就是倍頻前的編碼器的脈沖數;

　　Fclk—DSP的時鐘脈沖頻率。

　　4 結語

　　綜上所述，本文研究的數字交流伺服驅動器，實行了模塊化設計，硬件結構簡單，軟件編程容易。可以輕松實現PC機或者PLC與控制器的通信，這樣就實現了上位機能夠接受控制系統的實時參數和向伺服控制系統傳遞參數，對伺服系統進行直接的控制。