【正文】 工作性能，現(xiàn)代通用變壓變頻器中的逆變器都是由全控型電力電子開關(guān)器件構(gòu)成，采用脈寬調(diào)制控制的，只有在全控器件尚未能及的特大容量時才采用晶閘管變頻器。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。SPWM交–直–交變壓變頻器的原理框圖如圖42所示。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。為逆變器的供電[11]。 逆變器由六個功率開關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。其控制極（大功率晶體管GTR為基極 ）輸入由基準(zhǔn)正弦波（由速度指令轉(zhuǎn)化過來的）和三角波疊加出來的SPWM調(diào)制波（等幅、不等寬的矩形脈沖波） ，使這些大功率晶體管按一定規(guī)律導(dǎo)通、截止，輸出一系列功率級等效于正弦交流電的可變頻變壓的等幅、不等寬的矩形脈沖電壓波，即功率級SPWM電壓，使電機轉(zhuǎn)動。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。3）正弦脈寬調(diào)制原理（以單相為例）正弦脈寬調(diào)制 （SPWM）波形：與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波，等效原理：把正弦半波分成 n 等分，每一區(qū)間的面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。則矩形脈沖所組成的波形就與正弦波等效。正弦的正負(fù)半周均如此處理。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。采用模擬電路產(chǎn)生SPWM方法，就是用一個正弦波發(fā)生器產(chǎn)生可以調(diào)頻調(diào)幅的正弦波信號(調(diào)制波)，用三角波發(fā)生器生成幅值恒定的三角波信號(載波)，將它們在電壓比較器中進行比較，輸出SPWM調(diào)制電壓脈沖，圖313所示是調(diào)制SPWM脈沖的原理圖。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。當(dāng)“u△﹤usin時，電壓比較器輸出高電平；反之則輸出低電平。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。因此，在電壓比較器輸出端就輸出幅值相等而脈沖寬度不等的SPWM電壓信號。圖314所示是SPWM調(diào)制波示意圖 [12]。 圖 313 方波產(chǎn)生原理圖 圖314 正弦波—三角波調(diào)制其SPWMF發(fā)生器具體電路如圖315所示。 圖 315 SPWM發(fā)生器電路圖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。圖中GRT為六只大功率晶體管，當(dāng)然，也可以采用其它的功率器件。大功率晶體管各有一個與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管。來自控制電路的SPWM波形作為大功率晶體管基極控制電壓，加在各功率管的基極上。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。當(dāng)逆變器工作于雙極性工作方式時， 改變調(diào)制波的頻率、幅值，就可改變最終輸出 ：只要正弦控制波的最大值低于三角波的幅值，比較器的輸出U0就為等幅不等寬的SPWM脈寬調(diào)制波。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。輸入三相正弦信號相位相差120176。，其幅值和頻率是可調(diào)的。從而可改變輸出的等效正弦波，以達(dá)到控制的目的。 SPWM調(diào)制波經(jīng)功率放大才能驅(qū)動電機。在雙極性SPWM變頻器功率放大主回路中，左側(cè)的橋式整流器將工頻交流電變成直流恒值電壓，給圖中右側(cè)逆變器供電。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。 圖 316 永磁同步型伺服電機控制框圖 圖中，CONV為整流器；SM為同步電機；；INV為變換器；iu、iv、iw為相電流；GRT為晶體三極管。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]。37 伺服驅(qū)動系統(tǒng)選定 步進電機和交流伺服電機性能比較。步進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。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應(yīng)用十分廣泛。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。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。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?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。　　 1）控制精度不同　　176。、 176。， 176。、176。也有一些高性能的步進電機步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進電機，176。；德國百格拉公司（BERGER LAHR）176。、176。、176。、176。、176。、176。、176。、176。，兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角。 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。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360176。/10000=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。/131072=。176。的步進電機的脈沖當(dāng)量的1/655?！　?）低頻特性不同　　步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進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。當(dāng)步進電機工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)等。　　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。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整?！　　?）矩頻特性不同　　步進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。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出?！　　?）過載能力不同 　　步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。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。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩。步進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。　　5）運行性能不同　　步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。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)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠[14]?！　?）速度響應(yīng)性能不同　　步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。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。綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮。 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?？梢哉f，永磁同步電動機已在從小到大，從一般控制驅(qū)動到高精度的伺服驅(qū)動，從人們?nèi)粘Ｉ男阅?，永磁同步伺服系統(tǒng)成為當(dāng)代高性能伺服系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，其特點是高位置活到各種高精尖的科技領(lǐng)域作為主要的驅(qū)動電機出現(xiàn)，這種趨勢會愈加清晰。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。永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)由于其控制簡單、性能好，在高性能的交流伺服系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)了很重要的地位。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。41 DSP簡介DSP有兩種解釋：其一是Digital Signal Processing的縮寫，即數(shù)字信號處理；其二是Digital Signal Processor，即數(shù)字信號處理器的意思。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。后者數(shù)字信號處理器是用來完成數(shù)字信號處理要求的具有特殊結(jié)構(gòu)的一種微處理器。DSP的基本模型如圖41 所示。它以眾多的學(xué)科為理論基礎(chǔ)，所涉及范圍及其廣泛。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)。近年來的一些新興學(xué)科，如人工智能、模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，都是與數(shù)字信號處理密不可分的。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)。 圖 41 DSP的基本模型 DSP器件就是為了滿足數(shù)字信號處理而制造的一類專用微處理器，一般具有以下幾個特點：在單指令周期類完成乘加運算。高速的運算能力。一般采用哈佛結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù)。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。數(shù)據(jù)交換能力高。支持并行處理指令等。數(shù)字信號處理是圍繞著數(shù)字信號處理的理論，實現(xiàn)和應(yīng)用而發(fā)展起來的；數(shù)字信號處理的理論又是在數(shù)字信號處理技術(shù)實踐的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展和完善的。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。現(xiàn)在隨著理論和實踐的進一步發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用到信息處理、通訊、多媒體、圖象處理、聲音處理、綜合網(wǎng)絡(luò)、控制、消費類電子、醫(yī)療設(shè)備、測試儀器等眾多領(lǐng)域。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)。適合數(shù)字信號處理的關(guān)鍵技術(shù)：DSP包含乘法器、累加器、特殊地址發(fā)生器、領(lǐng)開銷循環(huán)等；提高處理速度的關(guān)鍵技術(shù)：流水線技術(shù)、并行處理技術(shù)、超常指令（VLIW）、超標(biāo)量技術(shù)、DMA等。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和一般的CPU又不同，最大的區(qū)別在于：；DSP是數(shù)據(jù)和地址空間分開的哈佛結(jié)構(gòu)。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。這兩種芯片內(nèi)部都沒有現(xiàn)代DSP芯片所必須有的單周期乘法器。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。在這之后，最成功的DSP 芯片當(dāng)數(shù)美國德州儀器公司（Texas Instruments，簡稱TI）的一系列產(chǎn)品。TI 公司在1982年成功推出其第一代DSP 芯片 TMS32010及其系列產(chǎn)品TMS3201TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相繼推出了第二代DSP芯片TMS320TMS320C25/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。TI將常用的DSP芯片歸納為三大系列，即：TMS320C2000系列（包括TMS320C2X/C2XX）、TMS320C5000系列（包括TMS320C5X/C54X）、TMS320C6000系列（TMS320C62X/C67X）。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公司也成為世界上最大的DSP芯片供應(yīng)商，其DSP市場份額占全世界份額近50％。目前，DSP處理器仍被TI、AGERE、ADI等公司占領(lǐng)，產(chǎn)品受外國大企業(yè)控制。國內(nèi)發(fā)展DSP的廠商并不多，而主要的應(yīng)用是DVD與無線電話等產(chǎn)品，因此國內(nèi)DSP的產(chǎn)值并不高。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。42 永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型和矢量控制隨著永磁材料性能的不斷提高，