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        基于DSP的一體化交流伺服系統(tǒng)研究和實現(xiàn)

        2017-05-12 02:02:27李福瑞胡琪波李楊聲汪東政
        導(dǎo)航定位與授時 2017年3期
        關(guān)鍵詞:伺服機構(gòu)滾珠伺服系統(tǒng)

        李福瑞,胡琪波,李楊聲,劉 佳,汪東政

        (湖北三江航天紅峰控制有限公司,湖北 孝感 432000)

        基于DSP的一體化交流伺服系統(tǒng)研究和實現(xiàn)

        李福瑞,胡琪波,李楊聲,劉 佳,汪東政

        (湖北三江航天紅峰控制有限公司,湖北 孝感 432000)

        針對當(dāng)前伺服系統(tǒng)采用的角度傳感器進(jìn)行AD采樣和換算后得到電機速度,無法很好滿足速度實時性要求.同時位置反饋元件線性度低、反饋信號易受干擾,因此導(dǎo)致伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性很難保證。結(jié)合目前伺服系統(tǒng)存在速度閉環(huán)差、結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換效率低、抗干擾能力弱等問題,提出一種伺服電機與減速機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)變壓器一體化設(shè)計的方案。通過試驗證明,該伺服系統(tǒng)具有控制精度高(最高可達(dá)16bit精度)、抗干擾能力強等特點,符合未來電動伺服系統(tǒng)發(fā)展的研究方向。

        伺服系統(tǒng);抗干擾;高精度

        0 引言

        隨著各學(xué)科專業(yè)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,國內(nèi)外在高性能伺服電機技術(shù)、各種減速傳動機構(gòu)及伺服控制和驅(qū)動技術(shù)等方面的研究和應(yīng)用已經(jīng)較為成熟,同時各種先進(jìn)的電機、機械、控制、電氣等方面的設(shè)計和仿真軟件也在相關(guān)技術(shù)開發(fā)過程中起到越來越重要的作用,特別是集成各學(xué)科的綜合研發(fā)平臺也正在航空航天、國防等領(lǐng)域得到深入的研究和應(yīng)用。因此,在基于各專業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上,各種新型一體化伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)得以更好的實現(xiàn),并得到了更好的發(fā)展。

        隨著社會生產(chǎn)力的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高,伺服系統(tǒng)逐步向長壽命、高效率、免維護、機電一體化設(shè)計方向發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,使交流永磁無刷伺服系統(tǒng)成為主要發(fā)展趨勢,其優(yōu)點如下:

        1)電機:交流伺服技術(shù)和稀土永磁電機制造技術(shù)的高速發(fā)展,使得伺服技術(shù)進(jìn)入了交流化時代,各種類型的交流伺服系統(tǒng)相繼被開發(fā)出來,促進(jìn)了交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用。同時,先進(jìn)的控制理論和控制算法及高度集成化的模塊為交流電機的進(jìn)一步發(fā)展開拓了交流伺服系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景。交流電機與直流電機相比具有以下優(yōu)點:一是可靠性高;二是環(huán)境適應(yīng)性強;三是功率體積比高。

        2)減速機構(gòu):諧波傳動、滾珠絲杠副等減速器的廣泛應(yīng)用,使伺服系統(tǒng)的實現(xiàn)具有更大的靈活性。由于滾珠絲杠副具有效率高、承載能力強、剛度高、使用壽命長等特點,其在大減速比、大載荷環(huán)境和高剛度要求條件下得到了更為廣泛的應(yīng)用。

        3)伺服系統(tǒng)總體設(shè)計技術(shù):以整體的概念組織應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù),從全局角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā),將總體分解成相互有機聯(lián)系的若干功能單元,找出能完成各個功能的技術(shù)方案,再將各個功能與技術(shù)方案組合成方案組進(jìn)行分析、評價、優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù),它包括機電一體化機械的優(yōu)化設(shè)計、CAD/CAM等技術(shù),機電一體化也將成為伺服系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。

        綜上所述,可以看出伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展可以歸納為三個方面:性能上,向高精度、高效率、高可靠性、高適應(yīng)性方向發(fā)展;功能上,向小型化、輕型化、一體化、多功能等方向發(fā)展;控制方式上,實現(xiàn)全數(shù)字化、智能化、綜合化是伺服系統(tǒng)發(fā)展的總趨勢。

        1 工作原理

        一體化交流伺服控制系統(tǒng)采用交流同步電機直接驅(qū)動滾珠絲杠副傳動裝置,利用旋轉(zhuǎn)變壓器反饋位置信號的實現(xiàn)方案,系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

        圖1 一體化交流伺服控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Integrated system of AC servo control block figure

        一體化交流伺服控制系統(tǒng)工作原理:系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的控制規(guī)律,通過給定的位置信號和伺服機構(gòu)反饋信號比較后形成位置環(huán),產(chǎn)生位置偏差信號,與無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的速度信號綜合后形成速度環(huán),得到速度偏差信號,和電機電樞電流綜合形成電流環(huán),得到電流偏差信號,產(chǎn)生控制功率管開關(guān)信號,通過驅(qū)動放大電路后驅(qū)動交流同步電機旋轉(zhuǎn),直接帶動滾珠絲杠副轉(zhuǎn)動,利用滾珠絲杠副運動轉(zhuǎn)化的多樣性,將電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為絲杠的直線運動,輸出直線位移,同時通過計算旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字量得到伺服機構(gòu)的位置信號,最終實現(xiàn)三閉環(huán)控制系統(tǒng)。

        2 軟硬件設(shè)計

        2.1 伺服機構(gòu)設(shè)計

        一體化交流伺服控制系統(tǒng)的機構(gòu)設(shè)計主要在于有效地將傳統(tǒng)伺服機構(gòu)的電機、傳動機構(gòu)和傳感器等部件進(jìn)行集成,使伺服機構(gòu)的結(jié)構(gòu)更加緊湊。在該伺服控制系統(tǒng)中通過采用交流同步電機直接驅(qū)動滾珠絲杠副傳動裝置的實現(xiàn)方案,將滾珠絲杠副和傳感器集成到交流電機內(nèi)部,從而達(dá)到一體化設(shè)計的目的。

        一體化交流伺服機構(gòu)主要由電機本體、滾珠絲杠副、位置反饋元件等組成,其中滾珠絲桿副與電機轉(zhuǎn)子通過定位銷同軸安裝,旋轉(zhuǎn)變壓器安裝于電機尾端,反饋轉(zhuǎn)子位置信號。與傳統(tǒng)伺服機構(gòu)相比,在輸出功率一定的情況下,有效地將傳統(tǒng)伺服機構(gòu)的電機、傳動機構(gòu)和傳感器等部件進(jìn)行集成,使伺服機構(gòu)結(jié)構(gòu)更加緊湊,采用該設(shè)計思路大大減少了機構(gòu)的體積,同時一體化伺服機構(gòu)設(shè)計采用滾珠絲杠與電機一體化設(shè)計,實現(xiàn)電機輸出轉(zhuǎn)速及力矩對舵面進(jìn)行直接輸出控制,避免了減速機構(gòu)帶來的能量損失及傳動間隙對控制系統(tǒng)造成的影響,因此采用絲杠直驅(qū)方式能夠提高整個伺服機構(gòu)的剛度。

        一體化交流伺服控制系統(tǒng)的伺服機構(gòu)主要由電機和傳動機構(gòu)兩大部分組成。其中電機采用交流同步電機實現(xiàn),傳動機構(gòu)采用滾珠絲杠副作為傳動部件,如圖2所示。

        圖2 一體化伺服機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The mechanism of integrated servo structure figure

        2.2 驅(qū)動器設(shè)計

        功率放大器主要由伺服控制和伺服驅(qū)動兩部分功能模塊組成。其中,伺服控制部分由數(shù)字信號處理(DSP)電路+CPLD、A/D轉(zhuǎn)換電路、旋轉(zhuǎn)變壓器信號調(diào)理電路、總線接口電路、二次電源電路等組成;伺服驅(qū)動部分由隔離驅(qū)動電路、三相功率橋放大電路、電流采樣電路和保護電路等組成。該部分設(shè)計關(guān)鍵在于AD2S1210解碼控制時序的實現(xiàn)方案。

        AD2S1210是一款旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片,可以由軟件靈活配置數(shù)據(jù)輸出分辨率、激勵信號振蕩頻率、數(shù)據(jù)讀取方式(串口或并口)、速度和角度讀取選取等,本文采用CPLD對AD2S1210進(jìn)行軟件配置, CPLD控制AD2S1210實現(xiàn)了交流同步電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置和速度信息的切換和讀取,為電機控制提供了高精度的位置和速度反饋數(shù)據(jù)。 CPLD控制AD2S1210讀取轉(zhuǎn)子位置和速度信息流程如圖 3所示。

        圖3 CPLD控制AD2S1210讀取轉(zhuǎn)子位置和速度信息流程圖Fig.3 Read rotor position and speed information by CPLD control AD2S1210 flow chart

        2.3 軟件設(shè)計

        控制軟件主要功能為完成數(shù)據(jù)、變量和中斷的初始化,然后進(jìn)入循環(huán)程序。該程序根據(jù)讀取的轉(zhuǎn)子磁場位置、相電流及速度信號,生成SVPWM控制信號。軟件控制流程如圖4所示。

        圖4 SVPWM控制流程圖Fig.4 SVPWM control flow diagram

        3 SVPWM算法設(shè)計與仿真

        其SVPWM控制策略技術(shù)難點主要在于扇區(qū)號確定、電角度以及開關(guān)時間計算。首先通過確定Uref所在的區(qū)間,通過相關(guān)運算得到扇區(qū)號。6個基本電壓空間矢量組成6個扇區(qū),確定參考電壓空間矢量所在的區(qū)間才能知道用哪2個相鄰基本電壓空間矢量合成Uref,如圖5所示。

        圖5 電壓空間矢量的線性組合Fig.5 A linear combination of the voltage space vector

        將基于定子繞組的三相坐標(biāo)系(ABC)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)系(αβ坐標(biāo)系),坐標(biāo)變換矩陣為

        (1)

        先用式(2)計算出輔助變量B0,B1,B2:

        (2)

        再用式(3)計算S值

        S=4sign(B2)+2sign(B1)+sign(B0)

        (3)

        式中,sign(x)為符號函數(shù),當(dāng)x>0時,sign(x)=1;如果x≤0,sign(x)=0,然后根據(jù)S值查表1可確定扇區(qū)號。

        表1 S值與扇區(qū)對應(yīng)關(guān)系Tab.1 The relationship between S_value and the sector

        由圖5得知

        (4)

        再根據(jù)正弦定理:

        (5)

        (6)

        由式(5)和式(6)解得:

        (7)

        (8)

        當(dāng)逆變電路單獨輸出零矢量0000和0111時,電動機的定子磁鏈?zhǔn)噶渴遣粍拥?,根?jù)這個特點,在T期間插入零矢量作用時間t0, 從而達(dá)到調(diào)整角頻率ω,以達(dá)到變頻的目的。根據(jù)零矢量的分割方法可以產(chǎn)生多種SVPWM波形,目前最常用的是七段式SVPWM方法。

        T=t0+t1+t2

        Txon是根據(jù)電壓矢量所在的扇區(qū)來確定的,由以上內(nèi)容可以得出各扇區(qū)開關(guān)切換時間如表2所示。

        表2 開關(guān)切換時間表Tab.2 Switching schedule

        根據(jù)以上設(shè)計分析,SVPWM控制框圖如圖6所示,該程序根據(jù)讀取的轉(zhuǎn)子磁場位置、相電流及速度信號,生成SVPWM控制信號。

        圖6 SVPWM控制框圖Fig.6 SVPWM control block diagram

        在控制信號幅值為2°條件下對系統(tǒng)進(jìn)行階躍響應(yīng)仿真,結(jié)果如圖7所示,從仿真結(jié)果可以看出,系統(tǒng)的調(diào)整時間約為45ms,超調(diào)量約為3.5%。

        圖7 2°階躍信號響應(yīng)曲線Fig.7 2°step response graph

        4 試驗驗證情況

        主要對該伺服系統(tǒng)進(jìn)行的測試項目如下:

        1)時域特性測試;

        2)頻率特性測試;

        3)死區(qū)測試。

        4.1 時域特性測試

        額定負(fù)載力矩條件下,給伺服機構(gòu)施加幅值為1°的階躍信號,進(jìn)行時域特性測試,其測試結(jié)果如圖8所示。

        圖8 1°階躍信號響應(yīng)曲線Fig.8 1°step response graph

        4.2 頻率特性測試

        最大負(fù)載力矩條件下,給系統(tǒng)施加幅值為0.8°、不同頻率的正弦激勵信號,伺服系統(tǒng)頻率單點測試波形見圖9~圖12所示。

        圖9 1Hz頻率特性測試Fig.9 1Hz frequency characteristic

        圖11 3Hz頻率特性測試Fig.11 3Hz frequency characteristic

        圖12 4Hz頻率特性測試Fig.12 4Hz frequency characteristic

        4.3 死區(qū)測試

        為了測試產(chǎn)品的死區(qū),給伺服機構(gòu)施加階躍信號幅值為0.02°,其響應(yīng)曲線如圖13所示。

        圖13 死區(qū)響應(yīng)曲線Fig.13 Dead zone response graph

        4.4 驗證小結(jié)

        通過對一體化交流伺服系統(tǒng)分別施加以上三種信號進(jìn)行測試,測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有良好的跟隨能力、控制精度及抗干擾能力。

        5 結(jié)論

        通過以上分析和論述,解決軟硬件設(shè)計中存在的難點問題,完成了一體化交流伺服系統(tǒng)設(shè)計方案,并對該方案進(jìn)行了試驗驗證,證明該伺服系統(tǒng)具有較好的跟隨能力、抗干擾能力且精度高。同時該方案設(shè)計的伺服系統(tǒng)具有傳動效率高、低速控制性能好等特點,因此,全數(shù)字化伺服系統(tǒng)將成為未來伺服系統(tǒng)發(fā)展的一個重要方向。

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        Research and Implementation of Integrated AC Servo System Based on DSP

        LI Fu-rui, HU Qi-bo, LI Yang-sheng, LIU Jia, WANG Dong-zheng

        (Hubei Sanjiang Space Hongfeng Control Co.,Ltd.,Xiaogan,Hubei 432000,China)

        The current servo system, which obtains motor speed by using the AD sampling of angle sensor, cannot meet the requirements of speed real-time. And as the linearity of the position feedback element is low and the feedback signal is vulnerable to interference, it is difficult to ensure the stability of the servo system. To solve the problems of current servo system in its speed closed-loop, structural conversion efficiency, anti-interference ability, etc., an integrated design method of servo motor, reducing mechanism and rotary transformer is presented. The experiment shows that the servo control system presented has advantages of high precision (up to 16bit), strong anti-interference capacity and so on, and the method meets the requirements of deelopment of the future electric servo system.

        Servo system; Anti-jamming; High-precision

        10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.03.006

        2016-07-19;

        2016-08-24

        李福瑞(1983-),男,工程師,主要從事伺服機構(gòu)研究。E-mail:lifurui2008@163.com

        TP275

        A

        2095-8110(2017)03-0032-07

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