要獲得高性能的交流永磁同步伺服驅動就需要有性能優良的控制系統，80年代以來隨著各種相關技術的飛速發展，有關永磁同步電動機矢量控制系統的研究成果不斷涌現，為高性能永磁同步伺服系統的研究與應用奠定了基礎。 　　 隨著微型計算機技術特別是dsp技術的飛速發展，永磁同步伺服系統的數字化正在如火如荼地進行著。數字控制技術的應用不僅使系統獲得高精度高可靠性，還為新型控制理論和方法的應用提供了基礎。dsp和單片機的應用大大簡化了系統結構，提高了系統性能，顯著提高了永磁同步伺服系統的可靠性柔性和動態性能。這種高精度快速響應的交流伺服驅動系統被廣泛應用在高精度數控機床，機器人，特種加工裝備和精細進給系統中[1]。 　　 交流伺服系統是電流、速度、位置三閉環控制系統,需要依靠傳感器精確地檢測被控對象的瞬時信息,進行誤差校正，交流伺服系統的三環結構如圖1所示。 [align=center] 圖1 交流伺服系統的三環結構[/align] 各環節性能的優化是整個伺服系統性能提高的基礎，外環性能的發揮依賴于系統內環的高性能，尤其是電流環和速度環，它是高性能伺服系統構成的根本。速度環是伺服系統動態跟蹤實現的重要環節，系統需要速度環具有良好的動態響應速度、寬廣的調速范圍、優異的抗擾特性，從而為伺服系統快速準確的定位與跟蹤提供基礎與條件。一個高性能的交流伺服系統不僅要對指令做出快速響應，當外部出現大的擾動或對象特性發生變化時，還應保持良好的響應性能，系統要具備很強的抗干擾性能，使其動態特性不隨外部參數的變化而變化。下面，我們結合實際試驗系統的構成、調試，研究永磁同步伺服系統速度環節的結構設計。 永磁同步伺服系統構成原理 　　 目前，永磁同步電機電流控制的方案主要有兩種:直接轉矩控制和矢量控制。使用矢量控制，電流環很好地處理電機電樞電流響應問題，在實際系統運行范圍內，只要系統給定在該轉速下所需電流波形，電機電流均能很好地響應，所得電流交軸分量就是電機旋轉所需的轉矩分量，電機響應性能優異[2]。而且，磁場定向矢量控制時，電機電樞磁場和轉子勵磁磁場間成90度恒定不變（交直軸間解耦），具有轉矩控制的線性特性，電流利用率高，調節器的設計容易實現。坐標變換如式（1）所示:由于面裝式永磁同步電機的交、直軸電感相等，比較適合的就是id=0的控制方式[3]。 （1） 伺服系統電流環的設計 　　 設計多環控制系統的一般原則是:從內環到外環，一環一環地逐步向外擴展。所以先從電流環入手，首先設計好電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統的一個環節，再設計轉速調節器。 　　 當電機轉速較低時，電機反電勢也比較小，因此在進行電流環設計的時候，可以先忽略反電勢，這樣可以得到電流環傳遞函數結構圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 電流環傳遞函數結構圖[/align] 圖2各參數的意義為:kv為逆變器電壓放大倍數，表示逆變器直流側電壓與三角載波幅值之比，τv為逆變器時間常數，它與開關頻率有關， rs為電樞繞組電阻， lq為交軸電感， tσi是反饋濾波時間常數，gacr為電流調節器。 　　 永磁同步伺服系統電流控制采用硬件電路實現。采用硬件電流控制器具有不占用計算機的運算時間，動態響應速度快，工作可靠，保護電路實現簡單、穩定的優點。電流環控制對象包括pwm 信號形成、延時、隔離驅動及逆變器、電機電樞回路、電流采樣和濾波電路。在伺服系統中，三個電流環是獨立的，而伺服系統實現轉子磁場定向控制時，嚴格按照id=0 的矢量控制方法給出電機三相電流，在電流環作用下，電機實際電流便為所給定的轉矩電流。考慮到電流環一般以其跟隨性能要求為主，對電網電壓的抗干擾作用是次要因素，按照調節器工程設計方法，將電流環校正成典型ⅰ型系統，電流調節器gacr 選為pi調節器，硬件結構如圖3所示。 [align=center] 圖3 電流環硬件結構[/align] 圖3，包括信號調理、pi 調節、pwm 信號形成、前后沿延時處理及保護部分組成。其中i＊a是由dsp來的電流給定信號，iaf是電機電流采樣信號，分別經過運算放大器調理以后送到調節器，經過調節運算輸出誤差信號。該誤差信號與三角載波信號比較形成pwm信號來控制逆變橋相應橋臂開關管的開關狀態。同一橋臂的兩個管子互補導通，為防止器件在開關過程中直通而損壞，需要對pwm信號的前后沿做適當延時。電阻r12、r13和電容c1、c2及門電路組成互鎖延時電路，實現pwm信號的前后沿延時。引入保護信號是為了當在系統需要時，或者主開關器件故障時，可關斷所有的開關器件。在實際的電路中，采用gal（gal16v8d）來完成對pwm信號的前后延時。 得到電流環的開環傳遞函數為: 其中km=1/rs，tli =lq/rs為電機電樞回路時間常數，ti=tσi+τv為等效小慣性環節時間常數，τi為電流調節器積分時間常數，為了使電流環具有較快的響應速度，超調又不至于太大，可以使，轉速環的截止頻率一般比較低，所以可對gik進行降階處理，等效為式（3）所示的一階慣性環節，其中，。 伺服系統速度環的設計 　　 在設置轉速調節器的時候，可以把已設計好的電流環看成是轉速調節器的一個環節，得到如圖4所示的閉環傳遞函數，其中gasr為電流調節器，kφ為電機電勢系數，tm為電機機電時間常數，ton為速度反饋濾波時間常數，所以速度調節器控制對象傳遞函數為: 對小慣性環節進行近似處理，小時間常數tl和ton合并成時間常數為tσn=tl+ton的慣性環節，速度環控制對象為一個慣性環節和一個積分環節串聯。在負載擾動作用點以后已經有了一個積分環節，基于穩態無靜差的要求，必須在擾動作用點之前設置一個積分環節，因此需要ⅱ型系統，再從動態性能上看，調速系統首先需要有較好的抗擾性能，典型ⅱ型系統正好滿足這個要求。速度調節器選擇pi調節器，傳遞函數為: 該系統需要確定兩個未知參數，為分析方便，引入變量h，定義h=τn/tσn，h為ⅱ型系統中頻寬，當對象參數tσn一定時，改變τn就改變中頻寬。在τn確定后，再改變kn，使幅頻特性上下平移，從而改變截止頻率ωcn。因此，在設計時，選擇h和ωcn，就選擇了τn和kn，參見典型二型系統波德圖如圖5所示[4,5]。 [align=center] 圖4 速度環傳遞函數結構圖 圖5 典型二型系統波德圖[/align] 確定好h和ωcn后，可得τn和 。一般情況下，中頻寬h=5～6時，ⅱ型系統具有較好的跟隨和抗擾性能。 　　 本系統速度調節器由dsp微控制器實現，我們采用“離散pi調節＋pi分時調節”的算法來實現。速度pi 調節運算表達式為: 式中，t、e（k）、un（k）分別采樣周期、第k次采樣偏差值、第k次采樣時輸出。 　　 速度環的調節為pi調節器，但為了提高速度環的階躍響應速度，抑制pi調節器的飽和，在速度調節控制中引入bang-bang控制機制，將速度調節器設計成這樣的形式，在速度變化較小，或者是僅在負載的擾動過程中，按照速度范圍分段設定不同的比例積分系數。而當速度變化量超過規定值，使系統按照最大或者最小電樞電流進行加減速，充分發揮了電機潛力。其控制算法為: 其中kp和ki為速度環比例積分系數，em為速度誤差閥值，um為bang-bang控制輸出電流限幅給定。采用以上的bang-bang控制方法以后，系統的速度環的動態響應性能無疑得到了很大的改善，但由于pi調節器的作用，轉速超調必然無可避免，解決這個問題的一個簡單有效的辦法就是在轉速調節器上引入轉速微分負反饋，使得轉速調節器的退飽和時間提前了。采用帶微分負反饋的pi型調節器在結構上符合現代控制理論中的“全狀態反饋的最優控制”，因而可以獲得實際可行的最優動態性能。 系統軟件的設計 　　 主控電路采用ti公司的高性能dsp控制器tms320lf2407a作為控制核心,它將一個高性能dsp核、大容量的片上存儲器和專用的運動控制外設電路以及其它功能的外設電路集成在單個芯片上,具有可編程、集成度高、靈活性、適應性好及升級方便等優點[6]。 　　 永磁同步電機轉速控制器軟件包括dsp主程序和dsp伺服控制程序。主程序主要完成控制寄存器的初始化，使能中斷的功能和相關參數變量的初始值的設置。dsp伺服控制程序由定時中斷程序、光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序、功率驅動保護中斷程序和通訊中斷程序4個部分組成。 在中斷程序中設有位置計算、速度計算、速度調節等子程序，由于采用了高性能dsp器件確保了控制系統復雜矢量控制運算的執行，同時也提高了系統的響應時間。電流檢測采用霍爾電流傳感器和dsp內部集成的a/d轉換模塊完成。只要檢測電機定子三相繞組中的兩相即可,另外一相可以由三相平衡計算得出。從兩路ad采樣可計算轉子位置角和轉速，轉子位置檢測采用增量式光電編碼器。光電編碼器檢測的位置脈沖信號兩路正交脈沖信號（a）和（b），一路零位脈沖信號（z）和三路相差120度的初始位置脈沖信號（u、v、w），實現初始位置的定位。a，b，z，u，v及w均為差分形式的信號,先經4線接收器am26ls32轉換為單路信號,再分別送到dsp的捕獲端口（a,b,z）和通用i/o端口（u、v、w）。其中斷周期設定為0.1 ms完成一次速度環和位置環的控制，控制器的pwm頻率設置為18khz。通訊中斷程序主要用來接收并刷新控制參數，同時設置運行模式;功率驅動保護中斷程序則用于檢測智能功率模塊的故障輸出，當出現故障時，dsp的輸出通道將被封鎖，從而使輸出變成高阻態，控制軟件的結構如圖6所示。 [align=center] 圖6 中斷服務程序[/align] 結語 　　 本文探討了永磁伺服系統的控制策略，采用具有良好控制性能，價格又相對便宜的tms32of24o7來設計系統的轉速環節，設計的永磁同步電機交流伺服系統具有較寬的調速比及優良的動態響應特性容易控制，具有良好的靜動態性能，適用于中小功率伺服系統，應用前景十分廣闊。