基于交流永磁同步電機(jī)的全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)

反變換為

=（8）

2.2 帕克（PARK）變換

=（9）

反變換為

=（10）

從轉(zhuǎn)子坐標(biāo)來(lái)看，對(duì)于定子電流可以分為兩部分，即力矩電流i_q和勵(lì)磁電流i_d。因此，矢量控制中通常使i_d=0來(lái)保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩。此時(shí)，式（6）的電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

T_em=P_nψ_fi_q（11）

由式（11）看出，P_n及ψ_f都是電機(jī)內(nèi)部參數(shù)，其值恒定，為獲得恒定的力矩輸出，只要控制i_q為定值。從上面dq軸的分析可知，i_q的方向可以通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子軸來(lái)確定。從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制大大簡(jiǎn)化。圖1是其系統(tǒng)的控制框圖，該系統(tǒng)可以工作于速度給定和位置給定模式下，并且PWM調(diào)制方法采用空間矢量調(diào)制法。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 DSP以及周邊資源

以DSP為核心的伺服系統(tǒng)硬件如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)的控制電路由DSP組成。DSP作為控制核心，接受外部信息后判斷伺服系統(tǒng)的工作模式，并轉(zhuǎn)換成逆變器的開關(guān)信號(hào)輸出，該信號(hào)經(jīng)隔離電路后直接驅(qū)動(dòng)IPM模塊給電機(jī)供電。另外EEPROM用于參數(shù)的保存和用戶信息的存儲(chǔ)。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1.2 功率電路

整個(gè)主電路先經(jīng)不控整流，后經(jīng)全橋逆變輸出。逆變器選用IGBT的智能控制模塊。模塊內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，并設(shè)計(jì)有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠電壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路。系統(tǒng)的輔助電源采用開關(guān)電源，主要供電包括6路開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電源，DSP，IO接口控制芯片的電源和采樣LEM。

3.1.3 電流采樣電路

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求至少采用兩相電流，由于負(fù)載的對(duì)稱性，故采樣i_b和i_c兩相電流。采樣電路采用霍爾傳感器并經(jīng)模擬電路處理在±5V的電壓范圍內(nèi)，再經(jīng)雙極性A/D轉(zhuǎn)換芯片后送入DSP內(nèi)。

3.1.4 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路

電機(jī)反饋采用增量式光電編碼器，該編碼器分辨率為2500脈沖/轉(zhuǎn)，輸出信號(hào)包括A，B，Z，U，V，W等脈沖，其中A和B信號(hào)互差90°（電角度），DSP通過(guò)判斷A和B的相位和個(gè)數(shù)可以得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。通過(guò)采集這些信號(hào)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。另外U，V，W三相互差120°（電角度），用于在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。

3.1.5 保護(hù)電路

系統(tǒng)在主電路中設(shè)置了過(guò)壓、欠壓、IGBT故障、電機(jī)過(guò)熱、IPM過(guò)熱、編碼器故障檢測(cè)等保護(hù)，故障信號(hào)經(jīng)邏輯電路后可直接封鎖開關(guān)脈沖，同時(shí)通過(guò)DSP的I/O口輸入，通過(guò)軟件檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

DSP伺服控制程序由3個(gè)部分組成：主程序、定時(shí)采樣程序和DSP與周邊資源的數(shù)據(jù)交換程序。

3.2.1 主程序

主程序內(nèi)完成系統(tǒng)的初始化，I/O接口控制信號(hào)，DSP內(nèi)各個(gè)控制模塊寄存器的設(shè)置等，然后進(jìn)入循環(huán)程序。

3.2.2 定時(shí)采樣程序

定時(shí)采樣程序是整個(gè)伺服控制程序的核心，在這里實(shí)現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)的采樣以及矢量控制、PWM信號(hào)生成、各種工作模式選擇和I/O的循環(huán)掃描。其中，每個(gè)采樣周期完成電流環(huán)的采樣，開關(guān)信號(hào)的輸出，速度環(huán)和位置環(huán)控制。PWM控制信號(hào)采用規(guī)則采樣PWM調(diào)制方法生成，在每個(gè)采樣周期中對(duì)每相電流進(jìn)行一次誤差判斷以決定下個(gè)周期開關(guān)管的占空比。

3.2.3 數(shù)據(jù)交換程序

數(shù)據(jù)交換程序主要包括與上位機(jī)的通信程序，EEPROM中參數(shù)的存儲(chǔ)，控制器鍵盤值的讀取和顯示程序。其中通信采用串行通信接口，根據(jù)特定的通信協(xié)議接受上位機(jī)的指令，并根據(jù)要求傳送參數(shù)。鍵盤每隔0.2ms掃描一次，更新顯示。