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数字交流伺服控制策略与设计

--数字交流伺服控制策略与设计

供稿:工控网 2009/7/9 15:25:00

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  • 关键词: 数字交流伺服 控制策略 DSP
  • 摘要:现代交流伺服系统对控制的要求是:响应快、精度高、转矩脉动小。实现交流电动机瞬时转矩的高性能控制是满足这些要求的关键因素。因此,现代高精度交流伺服系统的控制策略大多采用磁场定向控制理论及直接转矩控制理论。另外,随着微电子技术的发展,数字化已成为交流伺服系统的一个重要发展方向。由数字信号处理(Digital Signal Processing-DSP)器件组成的数字控制系统不仅具有高精度、高可靠性,还可简化系统结构,增加系统功能和柔性。


      现代交流伺服系统对控制的要求是:响应快、精度高、转矩脉动小。实现交流电动机瞬时转矩的高性能控制是满足这些要求的关键因素。因此,现代高精度交流伺服系统的控制策略大多采用磁场定向控制理论及直接转矩控制理论。另外,随着微电子技术的发展,数字化已成为交流伺服系统的一个重要发展方向。由数字信号处理(Digital Signal Processing-DSP)器件组成的数字控制系统不仅具有高精度、高可靠性,还可简化系统结构,增加系统功能和柔性。

1 数字交流伺服控制
     从交流伺服控制系统的发展现状看,磁场定向控制理论和直接转矩控制理论各有所长,应用也不尽相同。对同步电动机的控制一般采用磁场定向控制,尤其是对于交流永磁同步电动机的控制,它具有控制结构简单、控制软件易实现等特点:对于异步电动机的控制二者都可采用,但近期研究多在直接转矩控制方面,这主要是因为对异步电动机进行磁场定向控制是极其复杂的,而且控制效果远不如同步电动机。


图1 坐标变换原理图

磁场定向控制理论
      由于交流电动机定子侧的各物理量都是交流量,其空间矢量以同步角频率1旋转,致使控制、计算很困难。因此,需借助于坐标变换,使之从静止坐标系变换到同步旋转坐标系,将空间矢量变换为直流量,并进行控制。为说明变换原理,定义三相静止坐标系、两相静止坐标系、两相旋转坐标系如图1a、b、c。
      在图1a中,假设三相交流电动机通以三相平衡的正弦电流iA、iB和iC,产生以同步角频率w旋转的三相定子合成磁动势空间矢量Fj。在图1b中,当两相固定绕组a、b(空间位置相差90°电角度),通以两相平衡电流ia、ib(时间上相差90°电角度)时,也可产生相同的Fj。前述坐标系都是静止的,在图1c中,若对两个相互垂直的绕组d、q通入直流电流id、1q,将分别产生两个固定磁动势Fd和Fq,并使d、q坐标系同时以同步角频率w旋转,Fd和Fq也随之旋转,产生与前述等效的Fj。因此,可以将电动机的三相绕组等效成d、q坐标系下的两组绕组。站在旋转坐标系上看,电动机各矢量都变成静止矢量,其各分量都是直流量,因此易于确定转矩和被控矢量各分量间的关系,实时地计算出被控矢量的各分量值(直流分量)。由于这些被控制矢量的直流分量在物理上是不存在的,还需经坐标变换,从旋转坐标系回到静止坐标系,将上述直流给定量变换成物理上存在的交流给定量,在静止坐标系中对交流量进行控制。

图2 磁场定向控制原理图
      磁场定向控制原理如图2所示。速度差经速度调节器的调节后输出定子电流矢量的幅值给定:由转子位置检测电路检测、计算后得到定子电流矢量的相位,且在电流给定环节中与定子电流矢量的幅值给定综合,并变换产生瞬时三相电流给定信号:电流给定信号与经过变换的实测电流信号相比较,再经电流调节器调节且输出脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation-PWM)信号,以控制交流伺服电动机。其关键是通过解耦来控制定子电流矢量的幅值和空间位置。

直接转矩控制理论
      直接转矩控制的原理如图3所示。该理论摒弃了磁场定向控制理论中的解耦控制,而由定子磁场进行定向。用空间矢量的分析方法,在定子坐标下借助三相定子电流和电压的测量值,计算磁通和转矩的实际值,并与磁通和转矩的给定值进行比较,分别经转矩与磁通调节器调节后,利用逆变器的六种开关状态,直接对逆变器的开关状态进行最佳控制。即通过电压空间矢量来控制定子磁链的旋转速度和方向,以改变磁通角的大小,并利用转矩与磁通角的比例关系达到控制转矩的目的。它省掉了繁琐的静止坐标和旋转坐标间的矢量变换以及大量的坐标变换计算,无需进行电动机数学模型的简化处理,没有通常的PWM信号发生器。它具有控制系统结构简单、控制手段直接、信号处理的物理概念明确等特点。该控制系统的转矩响应迅速,无超调,是一种具有较高动、静态性能的交流调速方法。

图3 直接转矩控制的原理图

2 数字交流伺服控制模块
DSP数字交流伺服控制模块及其结构
      我们采用基于DSP的数字交流伺服控制模块,设计了两路并行控制模板。该模板集成了DSP最小系统、在系统可编程(In-System Programming-ISP)器件、模/数(A/D)转换器件等。利用此模板只需根据控制对象便可由软件构成所需的硬件控制模块。为降低模板结构的复杂性,提高通用性及可靠性,由ISP器件组成单片数字输入/输出(I/O)硬件电路。在实际应用中只需调用I/O软件及控制软件,就可组成全数字磁场定向控制模块和全数字直接转矩控制模块。前一种应用于同步电动机的控制,后一种应用于异步电动机的控制。
      在实验中我们所用的电动机是交流永磁同步伺服电动机,所以采用磁场定向控制模块。其结构如图4所示。

图4 磁场定向控制模块结构图
      其工作原理是:由硬件(A/D、ISP)将反馈信号转换成数字信号,DSP对这些数字信号进行采样和计算,根据速度给定信号,按确定的磁场定向控制规律控制被控对象,其控制信号输出至ISP器件中的PWM信号发生电路,产生所需要的PWM信号,通过智能功率器件控制电动机。

数字I/O电路
      采用ISP器件ispLSI1032-80设计数字I/O电路。其集成规模为6000PLD等效门,一片ISP器件中完全可以容纳整个数字I/O 电路,且同一芯片内门电路、触发器的参数具有一致性。另外,抗干扰性能比分离器件构成的电路有了极大的提高。数字I/O电路如图5所示。

图5 数字I/O电路
      利用ISP器件的输出三态缓冲特性,构成输出三态门,连到DSP数据总线上,门控信号由DSP的读/写信号、片选信号等在门控信号产生电路中组合而成,并连到三态门的使能端。数字四倍频电路将光电编码器发出的正交编码脉冲(A相、B相)细分后产生四倍频脉冲和电动机转向信号,供计数和采样使用。采样信号构成电路将DSP发出的采样脉冲及四倍频脉冲综合后,按数据锁存、中断申请、计数器清零的顺序发出脉冲信号,控制采样逻辑的顺序。
       在应用中只需根据不同控制对象对I/O的要求,调用与之相关的I/O软件并下载到ISP器件中,便可构成所需的数字I/O电路。

3 实验结果
       我们将DSP数字交流伺服控制模块在交流永磁同步电动机上进行了实验。所用电动机型号为MFA150MB5。额定输出功率1.5kW,额定电流7.5A,额定转速2000r/min,编码器输出脉冲为2500脉冲/r。实验结果如图6、7。

      图6是电动机的相电流波形:图7是电动机空载时从静止到500r/min的转速阶跃响应特性曲线。实验结果表明,所设计的DSP数字交流伺服控制模块具有较高的控制精度和较快的响应速度。该模块在多坐标联动数控系统中进行了试运行。运行结果表明,作为其中一个坐标的位置闭环控制的速度内环,它可以保证位置伺服控制精度达到设计要求。

4 结束语
      所设计的DSP数字交流伺服控制模块具有集成度高、结构紧凑、便于维修调试、可适应于多种控制对象等特点。该模块应用范围较广。另外,对直流电动机伺服控制、步进电动机控制及交流直线电动机控制,也都可以根据需要设计控制软件,以组成所需的控制模块。

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