沈陽，舒志兵，吳晨軍，高春寶

(1.南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京211816;2.南京冠騰自動(dòng)化科技有限公司，江蘇南京 211100)

近年來，電力電子和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展十分迅速，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。伺服驅(qū)動(dòng)器在經(jīng)歷了模擬式、模數(shù)混合式階段之后，現(xiàn)在已進(jìn)入了全數(shù)字化時(shí)代。全數(shù)字伺服不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等缺點(diǎn)，還充分發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢(shì)和控制方法的靈活性，使伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡單、性能更加可靠［1］。全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工、工業(yè)機(jī)器人、航空航天等領(lǐng)域，這也就對(duì)全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器的速度、精度等有了更高的要求，也對(duì)驅(qū)動(dòng)器的其他性能指標(biāo)有了特殊的要求。

設(shè)計(jì)了一款基于ARM+CPLD的伺服驅(qū)動(dòng)器，簡要介紹了其硬件和軟件的設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)證明了該驅(qū)動(dòng)器的性能良好。實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)器的高性能，同時(shí)也降低了成本。

1 伺服驅(qū)動(dòng)器的控制原理

1.1 矢量控制

矢量控制 (Vector Control)的基本思想是檢測(cè)和控制電樞電流，分別對(duì)ids和iqs進(jìn)行控制，從而控制轉(zhuǎn)矩。dq軸下的永磁同步電機(jī)的狀態(tài)方程為式 (1):

對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩方程為式 (2):

其中:Ψfa為轉(zhuǎn)子磁極與d軸繞組之間的磁鏈。

為了達(dá)到和直流電機(jī)一樣的控制性能，通常采用ida=0的控制策略，這樣不會(huì)產(chǎn)生由它引起的銅耗，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的最大效率。

1.2 電流控制器設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)要求電機(jī)的轉(zhuǎn)矩能夠響應(yīng)迅速，因此要對(duì)電流進(jìn)行反饋，電流控制器的設(shè)計(jì)就極為重要。文中依舊采用經(jīng)典的PI控制器，其中:比例系數(shù)可以提高開環(huán)穿越角頻率，從而提高系統(tǒng)響應(yīng)速度;積分時(shí)間常數(shù)可以減小穩(wěn)態(tài)誤差。

1.3 速度控制器設(shè)計(jì)

速度控制器默認(rèn)采用PI調(diào)節(jié)器，其比例增益直接關(guān)系到電機(jī)的響應(yīng)速度，積分時(shí)間常數(shù)則會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差和整個(gè)速度環(huán)的穩(wěn)定性有著較大影響。當(dāng)速度環(huán)PDFF控制系數(shù)偏大時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)頻率會(huì)較高，其值偏小，則系統(tǒng)剛度較大，即抵抗偏差的能力大;中等數(shù)值則可以兼顧頻率響應(yīng)和剛度?？赏ㄟ^修改P018號(hào)參數(shù)切換為IP控制器或者PDFF控制器。

1.4 位置控制器設(shè)計(jì)

位置控制器采用了速度前饋。增大比例增益可以減小位置滯后量，但是如果比例增益過大則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生位置超差，即發(fā)生過沖，而采用速度前饋控制可以不增加位置環(huán)的增益，同時(shí)可以較大地減少跟蹤誤差，并且速度前饋可以縮短定位時(shí)間。位置環(huán)前饋濾波時(shí)間常數(shù)可以提高位置控制響應(yīng)，過大則會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，產(chǎn)生振蕩。

2 硬件設(shè)計(jì)

全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件主要由功率板、控制板和顯示板3個(gè)部分組成，其整體框架如圖1所示。

圖1 硬件整體構(gòu)架

2.1 功率板

伺服驅(qū)動(dòng)器的主回路主要分為整流器、濾波電路、IPM等模塊。驅(qū)動(dòng)外接三相220 V的交流電，經(jīng)過三相整流器和濾波電路后，送入IPM逆變器。逆變器經(jīng)過交直交輸出三相交流電控制電機(jī)。設(shè)計(jì)的IPM采用IM13400，該IPM具有損耗低、短路承受能力強(qiáng)、抑制噪聲能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在功率板中設(shè)置了高低壓報(bào)警、電流反饋異常報(bào)警、超速報(bào)警等報(bào)警功能，保護(hù)驅(qū)動(dòng)器的正常工作。

2.2 控制板

伺服驅(qū)動(dòng)器的控制板以意法半導(dǎo)體公司的STM32F205Z為控制核心，輔以CPLD，共同完成整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的控制部分。STM32F205Z是ST公司的32位微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3。該芯片集成了ADC、CAN、SPI、定時(shí)器等功能，最高工作頻率可達(dá)120MHz，具有功耗低、成本低等特點(diǎn)。STM32F205Z主要完成矢量變換，電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制，產(chǎn)生PWM信號(hào)等。CPLD采用了Altera公司的EPM570T144C，該芯片屬于Altera公司MAX II系列產(chǎn)品，相較于其他CPLD，其成本減半，功耗降為其他CPLD的1/10，但性能卻翻了1倍。CPLD主要完成外部按鍵、數(shù)碼管顯示、報(bào)警等。

2.3 顯示板

顯示板主要由按鍵和數(shù)碼管以及LED組成，用于參數(shù)代碼、報(bào)警代碼、工作狀態(tài)的顯示與調(diào)整等。

3 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)上電后，主程序先進(jìn)行參數(shù)初始化，然后開始循環(huán)等待。主程序的流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

整個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)的控制部分主要由中斷服務(wù)程序完成，包括了位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的參數(shù)計(jì)算，以及SVPWM波生成。中斷服務(wù)程序的具體流程如圖3所示。

圖3 中斷服務(wù)程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證該伺服驅(qū)動(dòng)器的性能，按照?qǐng)D4所示方法，采用安川5代電機(jī)及安川驅(qū)動(dòng)SGDV-120A01A進(jìn)行對(duì)拖，數(shù)控系統(tǒng)采用華興WA-99T。安川驅(qū)動(dòng)SGDV-120A01A自帶模擬量監(jiān)視接口，只需連接其CN5接口至示波器便可觀察轉(zhuǎn)速波形。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接線圖

系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速2 000 r/min，安川驅(qū)動(dòng)不給使能，待測(cè)電機(jī)空載時(shí)，轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖5所示;穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)A相電流如圖6所示;將安川驅(qū)動(dòng)的CW內(nèi)部轉(zhuǎn)矩限制 (pn402)從0設(shè)為10，負(fù)載突變時(shí)的電流和轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示。

圖5 速度響應(yīng)曲線

圖6 A相電流波形

圖7 負(fù)載突變時(shí)電流和轉(zhuǎn)速

由圖5可知:待測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)的速度響應(yīng)時(shí)間約為30 ms，啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的加減速非常迅速，且運(yùn)行平穩(wěn)，超調(diào)量很小;由圖6可知:電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，A相電流的正弦波較為平滑;由圖7可以看出:安川驅(qū)動(dòng)的CW內(nèi)部轉(zhuǎn)矩限制從0突變?yōu)?0，相當(dāng)于給待測(cè)電機(jī)突加10%的額定負(fù)載，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，電機(jī)的A相電流迅速增大且穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速在負(fù)載突變時(shí)略微有所波動(dòng)，很快地又恢復(fù)到指令值。

5 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，該款基于ARM+CPLD的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，能夠準(zhǔn)確迅速地跟蹤指令，性能較好。該驅(qū)動(dòng)不僅達(dá)到了伺服系統(tǒng)的控制要求，同時(shí)也降低了一定成本。綜上所述，該設(shè)計(jì)是合理的。

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