基于交流永磁同步電機的全數(shù)字伺服控制系統(tǒng)

反變換為

=（8）

2.2 帕克（PARK）變換

=（9）

反變換為

=（10）

從轉子坐標來看，對于定子電流可以分為兩部分，即力矩電流i_q和勵磁電流i_d。因此，矢量控制中通常使i_d=0來保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉矩。此時，式（6）的電機轉矩表達式為

T_em=P_nψ_fi_q（11）

由式（11）看出，P_n及ψ_f都是電機內部參數(shù)，其值恒定，為獲得恒定的力矩輸出，只要控制i_q為定值。從上面dq軸的分析可知，i_q的方向可以通過檢測轉子軸來確定。從而使永磁同步電機的矢量控制大大簡化。圖1是其系統(tǒng)的控制框圖，該系統(tǒng)可以工作于速度給定和位置給定模式下，并且PWM調制方法采用空間矢量調制法。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

3 系統(tǒng)軟硬件設計

3.1 硬件設計

3.1.1 DSP以及周邊資源

以DSP為核心的伺服系統(tǒng)硬件如圖2所示。整個系統(tǒng)的控制電路由DSP組成。DSP作為控制核心，接受外部信息后判斷伺服系統(tǒng)的工作模式，并轉換成逆變器的開關信號輸出，該信號經(jīng)隔離電路后直接驅動IPM模塊給電機供電。另外EEPROM用于參數(shù)的保存和用戶信息的存儲。

圖2 系統(tǒng)硬件結構圖

3.1.2 功率電路

整個主電路先經(jīng)不控整流，后經(jīng)全橋逆變輸出。逆變器選用IGBT的智能控制模塊。模塊內部集成了驅動電路，并設計有過電壓、過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護電路。系統(tǒng)的輔助電源采用開關電源，主要供電包括6路開關管的驅動電源，DSP，IO接口控制芯片的電源和采樣LEM。

3.1.3 電流采樣電路

本系統(tǒng)的設計要求至少采用兩相電流，由于負載的對稱性，故采樣i_b和i_c兩相電流。采樣電路采用霍爾傳感器并經(jīng)模擬電路處理在±5V的電壓范圍內，再經(jīng)雙極性A/D轉換芯片后送入DSP內。

3.1.4 轉子位置檢測電路

電機反饋采用增量式光電編碼器，該編碼器分辨率為2500脈沖/轉，輸出信號包括A，B，Z，U，V，W等脈沖，其中A和B信號互差90°（電角度），DSP通過判斷A和B的相位和個數(shù)可以得到電機的轉向和速度。通過采集這些信號判斷電機轉子的位置和電機的轉速。另外U，V，W三相互差120°（電角度），用于在電機啟動時判斷電機轉子的位置。

3.1.5 保護電路

系統(tǒng)在主電路中設置了過壓、欠壓、IGBT故障、電機過熱、IPM過熱、編碼器故障檢測等保護，故障信號經(jīng)邏輯電路后可直接封鎖開關脈沖，同時通過DSP的I/O口輸入，通過軟件檢測來實現(xiàn)系統(tǒng)的保護。

3.2 軟件設計

DSP伺服控制程序由3個部分組成：主程序、定時采樣程序和DSP與周邊資源的數(shù)據(jù)交換程序。

3.2.1 主程序

主程序內完成系統(tǒng)的初始化，I/O接口控制信號，DSP內各個控制模塊寄存器的設置等，然后進入循環(huán)程序。

3.2.2 定時采樣程序

定時采樣程序是整個伺服控制程序的核心，在這里實現(xiàn)電流環(huán)、速度環(huán)的采樣以及矢量控制、PWM信號生成、各種工作模式選擇和I/O的循環(huán)掃描。其中，每個采樣周期完成電流環(huán)的采樣，開關信號的輸出，速度環(huán)和位置環(huán)控制。PWM控制信號采用規(guī)則采樣PWM調制方法生成，在每個采樣周期中對每相電流進行一次誤差判斷以決定下個周期開關管的占空比。

3.2.3 數(shù)據(jù)交換程序

數(shù)據(jù)交換程序主要包括與上位機的通信程序，EEPROM中參數(shù)的存儲，控制器鍵盤值的讀取和顯示程序。其中通信采用串行通信接口，根據(jù)特定的通信協(xié)議接受上位機的指令，并根據(jù)要求傳送參數(shù)。鍵盤每隔0.2ms掃描一次，更新顯示。