1. 引言
三相永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSM)是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、損耗小、可靠性高、輸出轉(zhuǎn)矩大、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。采用高速微控制器和數(shù)字信號(hào)處理器的數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)在機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、紡織等控制領(lǐng)域廣泛使用。矢量控制通過(guò)編碼器獲得轉(zhuǎn)子位置后就能方便地實(shí)現(xiàn)基于轉(zhuǎn)子磁鏈解耦的控制，達(dá)到等同于直流伺服系統(tǒng)的控制精度。采用矢量控制的PMSM數(shù)字控制系統(tǒng)一般為電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)組成的串級(jí)控制系統(tǒng)，處在內(nèi)環(huán)的電流環(huán)和速度環(huán)，其性能直接關(guān)系到整個(gè)伺服系統(tǒng)能否滿足高速高精度的運(yùn)動(dòng)控制要求。隨著市場(chǎng)需求的增加，開發(fā)具有結(jié)構(gòu)緊湊、高性能和低成本的伺服系統(tǒng)具有廣闊的市場(chǎng)前景。
2. PMSM數(shù)學(xué)模型及矢量控制
對(duì)于永磁同步電機(jī)，其定子與普通電勵(lì)磁同步電機(jī)一樣具有三相對(duì)稱繞組，不同的是其轉(zhuǎn)子上裝有永久磁鋼，沿用理想電動(dòng)機(jī)模型的一系列假設(shè)，經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)可以得到PMSM在同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型。
根據(jù)坐標(biāo)變換理論，在按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn) 直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，永磁同步電機(jī)的基本方程列寫如下：
2. 伺服驅(qū)動(dòng)器硬件設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)器硬件部分由控制電路和功率電路兩部分組成。控制電路主要包括CMC+FPGA，CMC芯片是一款由浙江大學(xué)和浙江中控研究院有限公司自主研發(fā)的芯片，是將組態(tài)處理、程序存儲(chǔ)、信號(hào)輸入輸出、控制算法、通訊接口等全部集成在一個(gè)芯片中的產(chǎn)品。主電路主要包括整流電路、濾波電路和以智能功率模塊(IPM)為核心的逆變電路。功率驅(qū)動(dòng)單元采用以智能功率模塊IPM為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過(guò)電流、過(guò)熱、欠電壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能及時(shí)進(jìn)行自我保護(hù)，提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)電源輸入為三相220V?？傮w硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
3. 伺服驅(qū)動(dòng)器軟件設(shè)計(jì)
按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)軟件劃分為主程序模塊和矢量控制程序模塊兩大部分，以利于軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試、修改和維護(hù)。矢量控制軟件設(shè)計(jì)采用典型的前后臺(tái)模式，以主程序作為后臺(tái)任務(wù)，中斷服務(wù)程序作為前臺(tái)任務(wù)。根據(jù)矢量控制算法的特點(diǎn)，中斷服務(wù)程序只處理實(shí)時(shí)性高的控制子程序，包括PWM中斷，功率模塊保護(hù)中斷和編碼器零脈沖捕獲中斷。后臺(tái)任務(wù)包括系統(tǒng)的參數(shù)保存、鍵盤處理和顯示等一系列實(shí)時(shí)性不高的任務(wù)。
主程序是軟件的主體框架。其工作過(guò)程是：系統(tǒng)上電復(fù)位后，依次對(duì)片內(nèi)外設(shè)進(jìn)行初始化、從EEPROM中讀出控制參數(shù)、數(shù)碼管顯示初始信息。初始化完成后，主程序循環(huán)執(zhí)行LED顯示、鍵盤處理和參數(shù)計(jì)算與保存。
PWM中斷程序是整個(gè)伺服控制程序的核心，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極位置精定位，SVPWM控制信號(hào)的生成以及速度環(huán)和電流環(huán)控制，在PWM中斷到來(lái)時(shí)，首先讀取編碼信號(hào)，進(jìn)行角度和速度計(jì)算，接著進(jìn)行電流采樣并執(zhí)行clark和park變換，然后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)、反park變換，最后進(jìn)入空間矢量模塊，產(chǎn)生SVPWM信號(hào)。功率模塊保護(hù)中斷用于監(jiān)視IPM故障信號(hào)，一旦檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)，立即關(guān)斷PWM信號(hào)。編碼器零脈沖捕獲中斷程序通過(guò)對(duì)光電編碼器零脈沖的捕獲，完成電機(jī)轉(zhuǎn)子的精確定位。
4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
本文設(shè)計(jì)了以CMC+FPGA為控制核心的全數(shù)字交流永磁同步伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)具有軟啟動(dòng)、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、過(guò)速、位置超差、編碼器故障檢測(cè)以及IPM故障等保護(hù)功能。試驗(yàn)電機(jī)主要參數(shù)為功率2kW，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000r/min，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示，轉(zhuǎn)速與q軸電流波形如圖7所示。
5. 結(jié)語(yǔ)
本文提出的基于CMC和FPGA的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案，充分利用了CMC芯片的外設(shè)資源，功率電路使用IPM以簡(jiǎn)化外圍電路，整個(gè)驅(qū)動(dòng)器具有緊湊的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果該系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和較高的控制精度，同時(shí)具有很高的性價(jià)比。
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致謝
感謝基金項(xiàng)目：“基于CMC的裝備數(shù)控系統(tǒng)的研制與應(yīng)用”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃），課題編號(hào)：2012AA041706，對(duì)本文的支持。
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