數字信號處理器（dsp）技術的發展，使伺服驅動變得越來越智能化。現場總線的發展也使基于分布式控制結構的控制設計更加靈活并且模塊化。它節約了繞組成本并能簡化機器構造。智能cd1p伺服驅動是一個獨立信號的軸控制器，如圖1包括:控制序列程序，軌跡計算器，位置、速度和電流伺服環，還有在同一個設備中的變壓器。 [align=center] 圖1　分布式運動控制系統智能伺服驅動[/align] 在主機控制和每一個伺服驅動之間的信息傳輸都是基于profibus dp的標準。用高復用性的模塊化的方式可以方便建立復雜的多軸控制的應用。使用了總線設備，控制系統就可以方便的為新產品進行參數重設，而不需要對硬件做任何的更改。通過增加或者刪除控制元件（伺服驅動，i/o模塊等）來編輯這個進程，而不需要對主要控制系統進行編輯和改動。這個方案的靈活性有助于在自動化生產過程的長期競爭中生存:方便的在對產品縮減和技術生命周期的反饋中編輯改良機器。同時，數字化電流、速度和位置伺服環都包含在伺服驅動中，也改進了伺服性能。 伺服控制器設計 　　 串級控制結構非常適合高性能的伺服驅動。其內部電流控制環控制電機轉力矩，還影響外部速度和位置控制環的動態性能。 電流控制設計 　　 無刷伺服驅動由一個在軸上安裝了位置感應器的永磁同步電機（pmsm）構成。變壓器通過脈寬調制器（pwm）實現恒定的直流電壓到三相交流電壓的轉換。常值直流電壓源由交流主電源整流而來。為了控制pmsm的轉矩，需要控制定子電流幅值和定子電流相位值:電流幅值是與設定力矩成比例，電流相位與轉子位置有關。控制定子電流，既可以通過定子坐標系，也能通過轉子坐標系。當電流控制在定子坐標系中執行時，傳統控制結構包括兩到三個以設定電流波形的相位為基準的獨立相位電流調節環。在轉子參照系中的電流控制是基于pmsm數學模型的，如圖2所示。 [align=center] 圖2　pmsm數學模型[/align] 電流的直接值和正交分解值（id和iq）都能通過電流相位park變換計算得到。id和iq調節環賦值給直接和正交的電壓值（vd和vq）。三相pwm命令通過vd和vq的值使用反park變換計算得到的。在轉子坐標系的電流控制中，可以獲得在整個速度范圍中的良好扭矩性能。如圖3所示。 [align=center] （a）　電流控制方法的影響曲線 （b）　模型控制方法的影響曲線 圖3　伺服驅動的轉矩/速度曲線[/align] 因為在定子坐標系中，三相電流相位環以正弦波為基準，所以速度模式下定子控制性能的發展取決于環的帶寬。但是，在轉子坐標系中，park變換得到的id和iq是以直流變量為基準。由于這個原因，在轉子坐標系中的電流控制更適合cd1p的伺服驅動。 [align=center] （a）　pwm對稱三角調節方法 （b）　空間矢量模型算法 圖4　pwm開關頻率計算器[/align] 三個pwm脈寬調制器的命令能通過對稱三角調節方法或者空間矢量調節（svm）來計算。在對稱三角調節方法中，pwm轉換次數由一個對稱高頻三角波（媒介）和正弦電壓參考波形的交叉點來定義，如圖４（a）。在svm模型中，pwm轉換序列是用變換器中八種可能的電流狀態從park矢量中矢量分解得到的如圖４（b）。對比與對稱三角調節方法，在svm模型下允許伺服電機運轉在更高的速度下（約高出15%）。這歸結于ｓｖｍ模型內部中附加的3次諧波波形。 [align=center] （a）　對稱三角調節命令 （b）　空間矢量模型命令 圖5　最高速度下pwm的輸出波形[/align] 如圖5（b）在svm命令中含3次諧波，允許了使用帶正弦相位電壓轉換器的滿輸出電壓范圍。如圖5（a），在對稱三角調制方法中，三相命令和為0，所以，轉換器的輸出電壓范圍減少了15%。 位置控制設計 　　 為了得到穩定快速的響應，速度和位置伺服環的調整必須通過機械負載參數進行最優化配置。位置伺服控制器設計是基于rst多項式控制器結構和極點定點整定方法。rst多項式控制器結構是最主要的，也是最適合參數整定方法的控制器結構。假定驅動能通過模型轉換方程hmc和hmd描述，如圖6（a）所示。伺服控制器所包括的３個多項式r，ｓ和ｔ分別作用在伺服環錯誤信號，伺服環反饋信號和伺服環參考信號上。閉環輸出／參考和輸出／干擾的轉換方程分別用hsr和hsd表示在圖6（b）中。 [align=center] （a）　伺服閉環結構 （b）　閉環傳遞函數 圖6　伺服閉環結構和傳遞函數[/align] 控制器整定進程包括hsr和hsd轉換方程極點和零點位置整定，這是為了得到位置環的輸出／參考和輸出／干擾的對應關系。這樣就可以把伺服環調整和跟蹤行為完全分開。hmc和hmd轉換方程從機械設備型號中派生出來。設備轉換功能通過在額定工作狀態下執行識別程序得到。常規pid控制器能通過下面的多項式方便的執行rst控制器結構:r（s）=r1s+r2s2和t（s）=s（s）=s0+s1s+s2s2（s是拉普拉斯變換量）。在這個方案中位置環跟蹤和調節性能如圖7所示。rst控制器結構可以在維護同樣的調節性能時只改變t多項式就能方便的編輯伺服環跟蹤行為。 [align=center] （a）　pid設計 （b）　rst追蹤設計 圖7　rst位置控制器波形[/align] rst多項式控制器結構的靈活性也很容易整合進滿足特殊應用要求的特殊濾波器。當電機軸受到很大的負載慣性時，彈性耦合就能感應到扭轉振動。扭轉振動頻率通過設備參數計算得到。假定:jm=電機慣性值。ji=負載慣性值，nr=電機/負載耦合率，ks=電機/負載耦合強度; 扭轉振動頻率是通過下列公式得到的: 　　 fr=（ks（nr2jm+jl）/（nr2jmjl））1/2。扭轉振動影響能顯著減少伺服環電流損耗。 運動控制器執行 　　 適合多軸應用的分布式動作控制體系是基于智能獨立的伺服驅動的。在這個方案中，軸運動控制任務分布在每一個伺服驅動中的。每一個伺服驅動都能獨立的編程執行給定軸的控制任務。主機控制器和伺服驅動之間的總線通信用于伺服驅動預設和機械進程控制和監控。伺服驅動的eeprom能保存128套以上預設程序的運動控制序列。 　　 有五種基本可編程運動序列: 　　軸歸位序列是用于伺服驅動啟動后的軸復位尋址； 　　絕對定位序列用于通過軸尋址索引移動軸到所給的絕對地址值； 　　相對定位序列用于移動軸到所給的相對與當前地址距離的位置； 　　速度描述序列用于描述一個以特定的速度移動的軸的形態； 　　轉力矩設定點序列用于需要提供給負載一個恒定的力的情況，如夾持器的應用。 　　 序列執行中的細節可以序列參數（加速和減速時間，運行速度，滯留時間，初始狀態，觸發位置，輸出信號，計數，連接……）來定義。所有的序列都能鏈接到一起，并在序列鏈中引入可編程時間延遲。序列計數器也允許執行同種序列多次或一次執行一組序列。這些功能滿足了伺服驅動一體化的運動控制。而不需要傳統的外部運動控制板卡＋伺服驅動的解決方案。 profibus dp 通信 　　 連接到profibus串行鏈路上的伺服驅動能夠方便的組態到工業pc或plc控制器環境中。profibus dp 是一個開放性的大范圍應用于工業生產，過程控制和自動化應用程序中的總線協議標準。profibus的dp版本是專為自動控制系統和現場設備級的分布式i/o通信設計的。通過profibus dp，主機plc控制器可以用循環方式在它的分布式總線設備（i/o，閥門，設備……）中高速通信。 　　 主機plc和cd1p伺服驅動中的profibus dp通信是基于pro信息互換的。cd1p伺服驅動通信使用信息的ppo1到ppo4類型。plc通過ppo寫來發送一個信息，通過ppo讀來接受一個信息。ppo讀寫是通過profibus的數據交換性能循環轉換的。plc能夠在參數區讀取和修改伺服驅動的參數。 　　 plc發送給伺服驅動的有兩種類型的執行數據; “控制語句”包括伺服驅動的動作:使能，運行，推動，歸位，移動…… “輸入語句”包括了執行序列的數量和序列開始的狀態。 　　 plc從伺服驅動中接受到的有兩種類型的執行數據; “狀態”包括了伺服驅動的狀態:準備，停止，運行，等待，錯誤…… “反饋”包括了進程中現行序列的數量，軸位置和電機速度值。 　　 cd1p的通信是為了把伺服驅動像一個簡單的i/o設備一樣組態到主機plc控制器中而設計的。這樣就能直接在伺服驅動中執行高水平的運動控制，而不需要占用主機plc控制器的計算資源。我們也注意到總線循環時間值對伺服運動控制性能沒有影響。所以，這個解決方案是最適合多軸位置控制的應用的。 結語 　　 相比于基于cnc運動控制器和模擬速度量伺服驅動的傳統運動控制，基于智能伺服驅動的運動控制結構是一個高效靈活的解決方案。基于dsp技術的智能cd1p伺服驅動能為給定的軸執行完整的運動控制。這個結構可以改善伺服環的性能。通過空間向量調制技術，伺服電機在高速狀態下轉力矩也得到了改善。機器里在線自整定程序能夠優化速度和位置伺服環。在profibus dp通信協議下，智能伺服驅動也能像簡單的i/o設備一樣整合到主機plc控制器中。這個運動控制解決方案尤其適合對于多軸（超過100）控制的應用。