【正文】 系統(tǒng)的速度環(huán)和電流環(huán)采用 PI 控制算法，同時為了提高直流電壓利用率，改善電機的運行特性，將電流控制器的輸出作為 SVPWM 模塊的輸人，結(jié)合由光電編碼器得到的電機旋轉(zhuǎn)電角度并經(jīng)過扇區(qū)判斷及占空比的實。交軸電流的給定 ipref為速度控制器的輸出，控制交軸電流qi。控制直軸電流qi為零，通過調(diào)整直流量i。在 DSP 中實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流全數(shù)字雙閉環(huán)控制，完成電流采樣、轉(zhuǎn)角及速度計算、 PARK 變換及逆變換、 CLARKE 變換和 PWM 控制信號的實時計算以及參量顯示等功能。TMS320LF2407 采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，具有高達(dá) 30MIPS 的數(shù)據(jù)處理能力以? ?dqqdpedqqsqqddsdddqfdddiinTpiRupiRuiLiL??????????????????????邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 及適合電機控制的外設(shè)資源，采用其全比較單元可生成 6 路 PWM 控制信號， 10 位 A／ D 轉(zhuǎn)換模塊可以完成電流信號采樣， CAP 捕獲單元、 QEP 正交編碼單元以及 SPI串行外設(shè)接口單元可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的實時計算和顯示，高速的數(shù)據(jù)處理能力、完備的外設(shè)資源大大地簡化了系統(tǒng)的硬件設(shè)計。通過控制qi就可以控制eT，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速，從而得到了和它勵直流有刷電動機相似的控制特性。f 為轉(zhuǎn)子上永磁體產(chǎn)生的磁場；rpn???；其中 ω為轉(zhuǎn)子電角速度， ωr 為機械角速度 ，pn為極對數(shù)。 永磁同步電動機是系統(tǒng)的控制對象 ，有必要對進(jìn)行研究 。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 (6)定子相繞組的感應(yīng)電動勢波為正弦型的，定子繞組的電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分布的磁勢，忽略磁場的高次諧波。 (4)永磁材料的電導(dǎo)率為零 。 (2)忽略電機繞組漏感 。電機的數(shù)學(xué)模型中含有時變參數(shù)，給分析和計算帶來困難。永磁同步電機的定子與普通電勵磁同步電機的定子一樣有 A, B, C 三相對稱繞組，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體，定子和轉(zhuǎn)子通過氣隙磁場存在電磁耦合關(guān)系。 永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型。因此對三相永磁同步伺服電機的控制也和對三相異步電動機的控制相似，采用矢量控制。兩種磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生恒定的電磁場。為了使得永磁同步伺服電動機具有正弦波感應(yīng)電動勢波形，其轉(zhuǎn)子磁鋼形狀呈 拋物線狀，使其氣隙中產(chǎn)生的磁通密度盡量呈正弦分布。作為能 量轉(zhuǎn)換的裝置，永磁同步電機有多種結(jié)構(gòu)和分類，其中正弦波永磁同步電動機因其卓 越的性能已日漸成為電伺服系統(tǒng)執(zhí)行電機的主流。而在產(chǎn)品應(yīng)用上，目前重要的 DSP 應(yīng)用產(chǎn)品，如移動電話、調(diào)制解調(diào)器等個人計算機與通訊領(lǐng) 域應(yīng)用產(chǎn)品，都是采用國際大廠的 DSP 解決方案 。目前， DSP 處理器仍被 TI、 AGERE、邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 ADI 等 公司 占領(lǐng)，產(chǎn)品受外國大企業(yè)控制。如今， TI 公司的一系列 DSP 產(chǎn)品已經(jīng)成為當(dāng)今世界上最有影響的 DSP 芯片。 TI 公司在 1982 年成功推出其第一代 DSP 芯片 TMS32021及其系列產(chǎn)品 TMS3202 TMS320C10/C14/C15/C16/C17 等，之后相繼推出了第二代 DSP 芯片 TMS320 TMS320C25/C26/C28，第三代 DSP 芯片TMS320C30/C31/C32，第四代 DSP 芯片 TMS320C40/C44，第五代 DSP 芯片TMS320C5X/C54X，第二代 DSP 芯片的改進(jìn)型 TMS320C2XX，集多片 DSP 芯片于一體的高性能 DSP 芯片 TMS320C8X 以及目前速度最快的第六代 DSP 芯片TMS320C62X/C67X等。 1980 年，日本 NEC 公司推出的 μPD7720 是第一個具有乘法器的商用 DSP 芯片。 世界上第一個單片 DSP 芯片應(yīng)當(dāng)是 1978 年 AMI 公司發(fā)布的 S2811， 1979 年美國 Intel 公司發(fā)布的商用可編程器件 2920 是 DSP 芯片的一個主要里程碑。從廣義上講， DSP、微處理器和微控制器（單片機）等都屬于處理器，可以說 DSP 是一種 CPU。 DSP 主要應(yīng)用在數(shù)字信號處理中，目的是為了能夠滿足實時信號處理的要求，因此需要將數(shù)字信號處理中的常用 運算執(zhí)行的盡可能快，這就決定了 DSP 的特點和關(guān)鍵技術(shù)。 數(shù)字信號處理器件是數(shù)字信號處理技術(shù)的具體實現(xiàn)載體。支持并行處理指令等。芯片具有滿足數(shù)字信號算法特殊要求的功能，如為了支持 Viterbi 蝶形算 法而設(shè)計的比特反轉(zhuǎn)尋址。高速的運算能力。數(shù)字信號處理可以說許多經(jīng)典的理論體系作為自己的理論基礎(chǔ)，同時又使自己成為一門新興學(xué)科的理論基礎(chǔ)。例如，在數(shù)學(xué)領(lǐng)域、微積分、概率統(tǒng)計、隨即過程、數(shù)值分析等都是數(shù)字信號處理的基本工具；同時與網(wǎng)絡(luò)理論、信號與系統(tǒng)、控制論、通信理論、故障診斷等學(xué)科也密切相關(guān)。 DSP 的基本模型如圖 41 所示。前者數(shù)字信號處理是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備以數(shù)字的形式對信號進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，以得到符合人們需要的信號形式。本文在吸取和借鑒國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，基于 DSP控制的永磁交流伺服系統(tǒng)，采用電壓空間矢量控制方法，實現(xiàn)了基于轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制的 PMSM 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的全數(shù)字化設(shè)計。因其卓越分辨率，高定位精度，寬調(diào)速范圍，低速穩(wěn)定運行，無爬行現(xiàn)象，力矩波動小，響應(yīng)速度快，峰值轉(zhuǎn)矩高，過載能力強，能承受頻繁起停、制 動和正反轉(zhuǎn)，電機無電刷，可靠性高，可工作于惡劣的環(huán)境。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 第四章 伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 隨著永磁同步電動機控制技術(shù)日趨完善，以往同步電動機的概念和應(yīng)用范圍已被現(xiàn)今的永磁同步電動機大大擴展。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機來做執(zhí)行電動機。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下 MSMA 400W 交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速 3000RPM 僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成 位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠 [14]。步進(jìn)電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。以松下交流伺服系統(tǒng) 為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。 4） 過載能力不同 步進(jìn)電機一般不具有過載能力。 3） 矩頻特性不同 步進(jìn)電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在 300～ 600RPM。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn) 象。這種由步進(jìn)電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。 2） 低頻特性不同 步進(jìn)電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。是步距角為 176。對于帶 17 位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收 217=131072 個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為 360176。/ 10000=176。 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。 、 176。 、 176。 、176。 、 176。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進(jìn)電機，其步距 角為 176。 。 ，五相混合式步進(jìn)電機步距角一般為 176。 1） 控制精度不同 兩相混合式步進(jìn)電機步距角一般為 176。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。隨著 全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。 步進(jìn)電機是一種離散運動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。 REF 為速度基難； CC 為電流控制放大器；RD 為速度變化器； PWM 為脈寬調(diào)制器； SC 為速度控制放大器； IFG 為電流函數(shù)發(fā)生器 [14]。等效正弦脈寬調(diào)制波 UA、 UB、 UC 送入 GRT 的基極，則逆變器輸出脈寬按正弦規(guī)律變化的等效矩形電壓波，經(jīng)過濾波變成正弦交流電用來驅(qū)動交流伺服電機。 SPWM 調(diào)制波經(jīng)功率放大才能驅(qū)動電機。其幅值和頻率是可調(diào)的。三相 SPWM 調(diào)制時，三角波共用，每相都有一個輸入正弦信號和SPWM 調(diào)制器其輸出調(diào)制波分別為 UA、 UB、 UC。在電路圖中，按相序要求和頻率要求協(xié)調(diào)控制的三路正弦波信號，與等腰三角波發(fā)生器來的載波信號一同送入電壓比較器，產(chǎn)生三路 SPWM 波形，經(jīng)反相電路后，可得到六路 SPWM 信號，加在 Vl～ V6 六只功率晶體管的基極，作為驅(qū)動控制信號。大功率晶體管各有一個與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管。 圖 315 SPWM發(fā)生器電路圖 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 4） 交流伺服電機的驅(qū)動控制 電路原理及輸出線電壓的波形如圖 316 所示。圖 314 所示是 SPWM 調(diào)制波示意圖 [12]。 SPWM 脈沖寬度由三角波和正弦波交點之間的距離決定，兩 者的交點隨正弦波電壓的大小而改變。 具體來分析：三角波電壓和正弦波電壓分別接在電壓比較器的“ ”、“ +’’輸入端。在正弦脈寬調(diào)制方法中，利用正弦波作調(diào)制波受它調(diào)制的信號稱為載波常用等腰三角波作載波。則矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效。逆變器的功率開關(guān)器件還可采用：可關(guān)斷晶閘管 GTO、功率場效應(yīng)晶體管 MOSFET、絕緣門極晶體管 IGBT 等。 逆變器由六個功率開關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。整流器固定電壓不可控整流器，常采用六個二級管橋式整流器結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷?，電壓幅值不變。還有空間電壓矢量 PWM、最優(yōu) PWM、預(yù)測 PWM、隨機 PWM、規(guī)則采樣數(shù)字化 PWM 等等。調(diào)制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調(diào)制。 變頻器的基本概念。電容用于濾平全波整流后的電壓波紋；并在負(fù)載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。 正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）變壓變頻器的組成如圖 312 所示 ； 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 圖 312 正弦脈寬變頻器主電路圖組成 二極管整流器，用于交 直變換；脈寬調(diào)制逆變器，用于直 交變換、同時完成調(diào)頻和調(diào)壓任務(wù)。在交 — 直 — 交變頻中，根據(jù)中間直流電壓是否可調(diào)，可分為中間直流電壓可調(diào) PWM 逆變器和中間直流電壓固定的 PWM 逆變器；中間直流電路上的儲能元件是大電容還是大電感，可分為電壓型逆變器和電流型逆 變器。這種調(diào)頻方式所得交流電的波動小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性好。但這種方法所得到的交流電中波動比較大，而且最大頻率即為變額器輸入的工頻電壓頻率。交 交變頻，利用可控硅整流器直接將工頻交流電變成頻率較低的脈動交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出負(fù)脈沖。 變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為電機提供頻率可變電源的變頻器。電動機從高速到低速其轉(zhuǎn)差率都很小，因而變頻調(diào)速的效率和功率因數(shù)都很高。 2) 交 流 電 動 機 調(diào) 速 原 理 圖 311 永磁式伺服電機工作原理 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 pfn 10 60?由電動機學(xué)基本原理可知，交流電動機的同步轉(zhuǎn) n0為： 式中 f1—— 定子供電 頻率，單位 Hz， P—— 電動機定子繞組磁極對數(shù)；從公式可以看出：平滑改變定子供電電壓頻率 f1 而使轉(zhuǎn)速平滑變化，這就是變頻調(diào)速方法。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過一定的限度，電動機就會“丟步”，即不再按同步轉(zhuǎn)速運行直至停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時，定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線間的夾角 θ 增大；當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小時 θ 角減 小。根據(jù)兩異性磁極相吸的原理，定子磁極 Ns(或 Ss)緊緊吸住轉(zhuǎn)子，以同步轉(zhuǎn)速 ns 在空間旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子和定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子是一個具有兩個極的永磁體 (也可以是多極的 )。 2）永磁式三相交流同步電機伺服 系統(tǒng)。但采用高剩磁感應(yīng)、高矯頑力的稀土類磁鐵材料后，電機在外形尺寸、質(zhì)量及轉(zhuǎn)子慣量方面都比直流電機大幅減小。交流伺服電機依據(jù)電機運行原理不同，可分為永磁同步式、永磁直流無刷式、感應(yīng)式、磁阻同步式交流伺服電機。交流伺服系統(tǒng)除了具有穩(wěn)定性好、快速性好、精度高的特點外，與直流伺服電機系統(tǒng)相比有一系列優(yōu)點 :交流電機不存在換向器圓周調(diào)速限制， 也不存在電樞元件中電抗電勢數(shù)值限制，其轉(zhuǎn)速限制可以設(shè)計得比相同功率的直流電機高；調(diào)速范圍寬，目前大多數(shù)的交流伺服電機的變速比可以達(dá)到 1:5000，高性能的伺服電機的變速比已達(dá) 1:10000 以上。而異步伺服 電機雖然結(jié)構(gòu)堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場合得到重視。目前交流伺服技術(shù)已成為工業(yè)自動化的支撐性技術(shù)之一。雖然采用功率 步進(jìn)電機 直接驅(qū)動的開環(huán)伺服系統(tǒng)曾經(jīng)在 90 年代的所謂經(jīng)濟型數(shù)控領(lǐng)