隨著現(xiàn)代工業(yè)對(duì)精度、高速和高性能要求的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)控制器已經(jīng)不能滿足高要求的場合。在許多要求高實(shí)時(shí)性和高效率的場合，需要用專用的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制器的一些功能。特別是在控制算法復(fù)雜或算法改進(jìn)優(yōu)化時(shí)，DSP獨(dú)特的快速計(jì)算能力得到了明顯體現(xiàn)。

此外，隨著集成電路制造技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流伺服也取得了長足的進(jìn)步。智能電源模塊和先進(jìn)的電力電子器件的出現(xiàn)，集三相逆變器、保護(hù)電路、隔離電路和能耗制動(dòng)電路的功能于一體，使交流伺服控制更加方便、功耗更低、開關(guān)時(shí)間更短、變頻范圍更寬、性能更優(yōu)越。這些都使得交流伺服比DC伺服顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)。1系統(tǒng)概述

在交流伺服數(shù)字系統(tǒng)的硬件中，采用DSP作為信號(hào)處理器，旋轉(zhuǎn)編碼器和電流傳感器提供反饋信號(hào)，智能功率模塊IPM作為逆變器，來自傳感器的信號(hào)經(jīng)過濾波整形后反饋給DSP進(jìn)行運(yùn)算。DSP通過對(duì)參考信號(hào)和反饋信號(hào)的處理和運(yùn)算，調(diào)節(jié)伺服系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的控制，后輸出PWM信號(hào)，隔離驅(qū)動(dòng)IPM模塊，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的伺服閉環(huán)控制。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的控制方式是三環(huán)，位置控制是外環(huán)和終目標(biāo)，速度控制是中間環(huán)，電流控制是內(nèi)環(huán)。為了保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，避免定位時(shí)的振動(dòng)，電流環(huán)和速度環(huán)采用PID調(diào)節(jié)，位置調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的控制框圖如圖2所示：

圖2控制系統(tǒng)框圖

將編碼器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置的實(shí)際信號(hào)與系統(tǒng)給定的位置信號(hào)進(jìn)行比較，比較后的差值由位置調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)，然后將給定的速度信號(hào)與編碼器檢測(cè)到的實(shí)際速度信號(hào)進(jìn)行比較，比較后的差值由速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，然后輸出給定的電流指令值，比較電流反饋的實(shí)際值后進(jìn)行PWM控制。2矢量控制

在同步電機(jī)中，勵(lì)磁磁場和電樞磁動(dòng)勢(shì)之間的空間角度不是固定的，因此調(diào)節(jié)電樞電流不能直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。通過電機(jī)的外部控制系統(tǒng)，電樞磁動(dòng)勢(shì)相對(duì)于勵(lì)磁磁場在空間上定向，它們之間的角度被控制以保持固定值，并且電樞電流的幅度也被控制。這種控制方式稱為矢量控制。

矢量控制相當(dāng)于通過控制兩相轉(zhuǎn)子參考坐標(biāo)d-q軸的電流來控制電樞三相電流。這種等效性可以通過前面的系統(tǒng)控制框圖清楚地理解，可以用下面的公式表示：

安裝在電機(jī)空載軸端的編碼器隨時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，不斷獲取位置角度信息，通過檢測(cè)實(shí)時(shí)知道，也就是說可以進(jìn)行實(shí)時(shí)坐標(biāo)變化，轉(zhuǎn)換后的電流控制逆變器產(chǎn)生PWM波形來控制電機(jī)。3位置和速度檢測(cè)

交流伺服電機(jī)配有編碼器，用于測(cè)量位置和速度。大多數(shù)情況下，直接來自編碼器的信號(hào)波形是不規(guī)則的，不能直接用于控制、信號(hào)處理和長距離傳輸。所以信號(hào)要整形濾波成矩形波再反饋給DSP。處理后的兩個(gè)正交編碼器信號(hào)A和B經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換后直接送到DSP的QEP引腳，由解碼邏輯單元產(chǎn)生轉(zhuǎn)向信號(hào)和四重脈沖信號(hào)。轉(zhuǎn)向信號(hào)根據(jù)兩個(gè)信號(hào)的相位超前和滯后來確定。由于正反旋轉(zhuǎn)的問題，要求計(jì)數(shù)器具有可逆性。因此，通用定時(shí)器2被設(shè)置為定向遞增和遞減計(jì)數(shù)模式，并且倍頻正交編碼脈沖被用作定時(shí)器2的輸入時(shí)鐘來計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)方向由轉(zhuǎn)向信號(hào)決定。如果QEP1的輸入相位在前面，則向上計(jì)數(shù)，否則向下計(jì)數(shù)。位置和速度可以通過脈沖數(shù)和脈沖頻率來確定。每轉(zhuǎn)脈沖總數(shù)用m表示，T1處的脈沖數(shù)為m1，所以電機(jī)的轉(zhuǎn)角可以按下式計(jì)算。

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如果是多轉(zhuǎn)的情況下，再配合編碼器的Z相零位脈沖的計(jì)數(shù)值和相應(yīng)定時(shí)器2的清零，就可以知道電機(jī)軸轉(zhuǎn)了多少圈多少角度了。電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的計(jì)算可以根據(jù)MT測(cè)速法，確定編碼器的速度公式如下：

M1—定時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)器記錄的編碼器脈沖數(shù)；

M2—定時(shí)間內(nèi)記錄的DSP的時(shí)鐘脈沖數(shù)；

N—編碼器線數(shù)，也就是倍頻前的編碼器的脈沖數(shù)；

Fclk—DSP的時(shí)鐘脈沖頻率。

4 結(jié)語

綜上所述，本文研究的數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器，實(shí)行了模塊化設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件編程容易。可以輕松實(shí)現(xiàn)PC機(jī)或者PLC與控制器的通信，這樣就實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)能夠接受控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)參數(shù)和向伺服控制系統(tǒng)傳遞參數(shù)，對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行直接的控制。