永磁同步电机数字交流伺服控制技术

分类：技术中心 960人浏览 2017-03-15

随着现代工业对精密化、高速化、高性能的要求的不断发展，传统的控制器在高要求的场合已经不能够胜任，在很多要求高实时性，高效率的场合，就必须要用专门的数字信号处理器(DSP)来代替传统的控制器的部分功能。特别是在控制算法复杂或对算法进行改进优化的时候，DSP独特的快速计算的能力就明显的体现出来。

另外，随着集成电路制造技术的进步和电力电子技术的发展，交流伺服也得到了长足的发展。集三相逆变器和保护电路、隔离电路、能耗制动电路等功能为一体的智能功率模块、先进的电力电子器件的出现、使交流伺服控制更方便、功耗更低、开关时间更短、变频范围更宽、性能更优越。这些都使交流伺服相对直流伺服体现出了明显的优越性。

1 系统概述

交流伺服数字化系统的硬件由DSP作为信号处理器，用旋转编码器和电流传感器提供反馈信号，智能功率模块IPM作为逆变器，经传感器出来的信号经过滤波整形等处理后反馈给DSP进行运算，DSP经过对参考信号和反馈信号的处理运算来调节伺服系统的电流环，速度环，和位置环的控制，最后输出PWM信号经过隔离驱动IPM模块实现电机的伺服闭环控制。系统的硬件结构如图1所示。

图1硬件结构图

系统的控制为三环控制方式，位置控制是外环，也是最终目标，速度控制是中环，电流控制是内环。为了保证动态响应速度和定位时不产生震荡，电流环和速度环均采用PID调节，位置调节器采用PI调节。系统的控制框图如图2：

图2控制系统框图

编码器检测的转子位置实际信号与系统给定位置信号进行比较，比较后的差值经位置调节器PI调节后输出转子转速给定信号，给定转速信号再与编码器检测的实际速度信号进行比较，比较后的差值经速度调节器调节后，输出给定电流指令值，在于电流反馈实际值比较后进行PWM控制。

2 矢量控制

在同步电机中，励磁磁场与电枢磁通势间的空间角度不是固定的，因此调节电枢电流就不能直接控制电磁转矩。通过电机的外部控制系统，对电枢磁通势相对励磁磁场进行空间定向控制，控制两者之间的角度保持固定值，同时对电枢电流的幅值也进行控制，这种控制方式就称为矢量控制。矢量控制也就是通过控制两相的转子参考坐标d-q轴的电流来等效控制电枢的三相电流。通过前面的系统控制框图可以清楚理解这种等效，可以用下面的公式表示：

(1)

由电机非负载轴端安装的编码器随时检测转子磁极位置，不断的取得位置角信息，通过检测实时的知道了θ，也就是说能够进行实时的坐标变化，变换后的电流对逆变器进行控制，产生PWM波形去控制电机。

3 位置及速度的检测

交流伺服电机内装有编码器进行位置及速度的测量，大多数情况下，直接从编码器出来的信号波形不规则，还不能直接用于控制，信号处理和远距离传输，所以要对信号进行整形和滤波变成矩形波后再反馈给DSP，处理后的两路相互正交的编码器信号A、B经过电压变换直接送入DSP的QEP引脚，经译码逻辑单元产生转向信号和4倍频的脉冲信号。转向信号是根据两路信号的相位超前滞后决定的。由于存在正反转的问题，要求计数器具有可逆性，所以把通用定时器2设置为定向增减计数模式，把倍频后的正交编码脉冲作为定时器2的输入时钟进行计数，计数的方向由转向信号决定，如果QEP1的输入相位超前，则增计数，反之则减计数。位置和转速由脉冲数和脉冲频率就可以决定。每转的总脉冲数用M表示，T1时刻的脉冲数为m1，则电机转过的角度就可以根据下式计算出来。

(2)