劉日寶，王愛祥

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京210013)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，以永磁同步電動機為執(zhí)行元件的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，其性能已和直流伺服系統(tǒng)相當，而交流電機的環(huán)境適應(yīng)能力和低維護成本則成為取代直流伺服的最大優(yōu)勢。本文研究目的就是為現(xiàn)代雷達裝備提供一種高可靠性的交流伺服驅(qū)動裝置，取代傳統(tǒng)的直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，在滿足雷達對惡劣的環(huán)境適應(yīng)性要求的同時，降低系統(tǒng)的維護成本。

1 交流伺服驅(qū)動器的控制策略分析

1.1 電流控制器設(shè)計

1.1.1 矢量控制

矢量控制是19世紀70年代前西德Blaschke等人提出來的［1］。采用固定于永磁同步電動機轉(zhuǎn)子的dq旋轉(zhuǎn)坐標系，如圖1所示。圖中αs為定子A相軸線，β為定子電流矢量is的空間相角，id和iq就是is在旋轉(zhuǎn)坐標系dq軸上的兩個分量，如果得到了id和iq，也就確定了定子電流矢量的相角和幅值，矢量控制就是通過對這兩個電流分量id和iq的控制來實現(xiàn)的。

圖1 永磁同步電動機空間矢量圖

1.1.2力矩電流比最大控制

基于矢量控制的永磁同步電動機電流控制方法主要有:(1)id=0控制;(2)力矩電流比最大控制;3)功率因數(shù)等于 1 的控制;(4)恒磁鏈控制［2－3］。功率因數(shù)等于1和恒磁鏈的電流控制方法［4］，其電動機輸出力矩都受到了限制，一般不考慮采用。

1.1.3 仿真計算

采用如圖1所示的dq旋轉(zhuǎn)坐標系，電機的轉(zhuǎn)矩公式可以表示［1］:

由上式可以看出，電機的輸出轉(zhuǎn)矩是定子電流is和定子電流空間相角β的雙元函數(shù)。

設(shè)電機永磁體磁鏈ψf=0.24 Wb，Ld=8 mH，Lq=9 mH，應(yīng)用Matlab對轉(zhuǎn)矩進行計算仿真，得到如圖2所示的電機轉(zhuǎn)矩輸出圖。

由于電機的定子電流不能無限制增大，考慮電機本身的過載能力，一般不能超過額定電流的2～3倍，同時電流輸出還受逆變器容量和直軸去磁電流的限制。假設(shè)定子電流從25%額定值變化到200%，則永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩輸出如圖3所示。

圖2 永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩輸出圖

圖3 不同的定子電流時永磁同步電動機的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩角β的關(guān)系

1.1.4 電流控制器結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速穩(wěn)定地響應(yīng)與發(fā)揮電機的最大輸出能力，本系統(tǒng)的電流環(huán)節(jié)最終采用PI調(diào)節(jié)結(jié)合力矩電流比最大控制方法。該電流控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2 速度控制器設(shè)計

速度控制器的設(shè)計采用了Bang－Bang控制的PI調(diào)節(jié)器，控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。該速度控制器一方面極大地改善了系統(tǒng)速度環(huán)節(jié)的動態(tài)性能，另一方面由于引入了轉(zhuǎn)速微分負反饋［3］，使得超調(diào)明顯地減小甚至消除了。

圖4 交流伺服系統(tǒng)的電流控制器

圖5 交流伺服系統(tǒng)的速度控制器

1.3 位置控制器設(shè)計

伺服系統(tǒng)的位置控制，追求的是快速性、準確性和無超調(diào)。一般我們將位置伺服系統(tǒng)定位過程劃分為加速、恒速、減速和低速趨近定位點四個階段。在加速、恒速和減速階段，位置控制器采用常系數(shù)比例調(diào)節(jié)器，最大限度地提升系統(tǒng)的快速性能。而最重要的是低速趨近定位點階段，由于該階段電機速度很低，無論對系統(tǒng)的定位時間，還是對系統(tǒng)的最終定位精度都有著重要的影響，此時若采用純比例調(diào)節(jié)器，顯然不能快速而無超調(diào)的定位，因此本文采用如圖6所示的變結(jié)構(gòu)加速度控制器 VSAC［5－6］。即:

圖6 變結(jié)構(gòu)加速度控制器

于是誤差的狀態(tài)方程:

取切換線:

2 交流伺服驅(qū)動器硬件設(shè)計

交流伺服驅(qū)動器的硬件主要由主控板和功放板組成，其硬件組成如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 主控板

主控板的核心為DSP、FPGA與RDC轉(zhuǎn)換電路。DSP采用的是TMS320LF2407A，該芯片是TI公司專門為電機控制設(shè)計的，它有著豐富的外設(shè)資源，指令周期最低可至25 ns，完全能夠滿足伺服控制的實時性要求。FPGA是Altera公司的EP1K50QI208－2，如圖7所示，它實現(xiàn)了RDC的解算與控制，并且采用并行數(shù)據(jù)總線，實時地將位置數(shù)據(jù)傳送給DSP，此外，ADC數(shù)據(jù)采集與處理、故障綜合與保護也由FPGA來實現(xiàn)。

2.2 功放板

功放板的核心為IPM和EPLD。IPM是三菱公司的第五代智能功率模塊PM75RLA060，該模塊集成度高，保護功能完善，采用該模塊能夠極大地提高驅(qū)動器的可靠性與維修性。EPLD采用的是Altera公司的EPM7064STI44－7，主要實現(xiàn)了驅(qū)動器的過熱、過流、過載等保護功能。

3 實驗結(jié)果

交流伺服系統(tǒng)的實驗平臺主要由電源、伺服驅(qū)動器、永磁同步電動機、減速機、轉(zhuǎn)矩測量儀、磁粉制動器和電流控制器組成，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。電機為一臺2.2 kW永磁同步電動機，主要參數(shù):額定轉(zhuǎn)矩7 N·m，額定電流8 A，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定電壓220 V，允許兩倍過載，減速箱變比為1∶2。應(yīng)用此實驗平臺，進行了伺服驅(qū)動器的一系列實驗。

圖8 交流伺服系統(tǒng)實驗平臺

電流控制器的性能直接決定驅(qū)動器的力矩輸出能力，如圖8所示，當驅(qū)動器給定轉(zhuǎn)速等于600 r/min時，分別采用id=0和力矩電流比最大控制方法，得到波形圖如圖9和圖10所示。圖中上面的曲線為電機實際相電流，下面的曲線為速度。在電機的速度不下降的情況下，電機負載端通過磁粉制動器突然施加最大阻力，圖10采用力矩電流比最大控制方法，相比圖9采用id=0的電流控制方法，電機的實際電流要大，電機輸出的轉(zhuǎn)矩提升了將近7%。

在電機電流一定，并且限制在兩倍的額定值之內(nèi)時，得到實際的電機空載電流和電機輸出力矩與轉(zhuǎn)矩角的數(shù)據(jù)，畫成曲線如圖11所示。由圖可以看出，電機輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)矩角關(guān)系曲線與圖3的計算仿真曲線類似，同時電機的空載電流也隨著轉(zhuǎn)矩角的偏移，在力矩輸出最大點達到最小。

圖11 兩倍額定電流時轉(zhuǎn)矩輸出與轉(zhuǎn)矩角關(guān)系曲線

圖12和圖13分別是位置控制環(huán)節(jié)采用純P校正和變結(jié)構(gòu)P校正的系統(tǒng)位置階躍響應(yīng)波形，上面的曲線是速度，下面的曲線是位置。系統(tǒng)的速度環(huán)節(jié)采用了微分負反饋PI校正結(jié)合Bang－Bang控制，由圖可以看出，系統(tǒng)速度上升曲線平滑快速，基本無超調(diào)，無振蕩。圖13相比圖12的位置響應(yīng)快速，而且無超調(diào)，無振蕩，證明該位置控制器有著良好的性能。

4 結(jié) 語

綜上所述，本文研制的基于DSP+FPGA的交流伺服驅(qū)動器，具有硬件結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高的特點，而采用現(xiàn)代控制理論結(jié)合經(jīng)典控制方法，充分發(fā)揮了靈活的軟件伺服能力，獲得了良好的驅(qū)動性能，能夠滿足雷達對伺服系統(tǒng)的一般要求，該驅(qū)動器目前已經(jīng)實現(xiàn)了工程應(yīng)用。

［1］ 王成元.矢量控制交流伺服驅(qū)動電動機［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1995.

［2］ 李志民，張遇杰.同步電動機調(diào)速系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1996.

［3］ 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1991.

［4］ Morimoto S，Takeda Y，Hirasa T.Current phase control methods for permanent magnet synchronous motors［J］.IEEE Trans.on PE.1990，5(2):133 －139..

［5］ 姚瓊薈，黃繼起，吳漢松.變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，1997.

［6］ Lai C，Shyu K.A novel motor drive design for incremental motion system via sliding － model control method［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，2005，52(2):499－507.