文中介紹了一種高性能全數(shù)字交流主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)以智能功率模塊ipm為逆變器開關(guān)元件，以高性能dsp admc401為控制核心，控制算法采用基于轉(zhuǎn)子磁場定向的轉(zhuǎn)差頻率矢量控制，實(shí)現(xiàn)了電流控制、速度控制和位置控制。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的調(diào)速性能、低速負(fù)載特性和良好的動靜態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)了主軸定位和c軸功能。

轉(zhuǎn)差頻率矢量控制

當(dāng)將轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸選取在轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆较蛏?，并控制使轉(zhuǎn)子磁鏈在穩(wěn)態(tài)時(shí)為常數(shù)，就需要控制滑差角頻率ωs、轉(zhuǎn)子磁鏈ψdr、電氣角頻率ω1和轉(zhuǎn)子磁鏈角度θe，分別為：

式中: ωm—轉(zhuǎn)子機(jī)械角頻率
p—極對數(shù)
交流異步主軸電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程式為：

式中，ids、iqs分別是定子電流在d、q軸上的分量，l1，l2，m12分別是定、轉(zhuǎn)子電感和互感，r2是轉(zhuǎn)子電阻，ω1，ωs為電氣角頻率和滑差角頻率，p =d/dt是微分算子。即可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的線性化控制，但是在ids和iqs的狀態(tài)方程中依然存在含有ids，iqs和ω1和乘積耦合項(xiàng)。從電流控制器設(shè)計(jì)的角度來看，有必要采取去耦控制的措施，方便控制器的設(shè)計(jì)。因此還需要在d-q坐標(biāo)系上采用電壓前饋補(bǔ)償?shù)姆椒?，?shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量獨(dú)立控制，這里電壓前饋補(bǔ)償控制如下式所示：

式中，為漏磁系數(shù)，uds，uqs是定子電壓在d、q軸上的分量,u′ds和u′qs為磁場和轉(zhuǎn)矩電流控制器的輸出，這樣可以在穩(wěn)態(tài)時(shí)去除定子電流在d-q坐標(biāo)系上電流分量的耦合項(xiàng)，控制器也可以獨(dú)立地按照一階系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以數(shù)字信號處理器為控制核心的全數(shù)字交流主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖上可以看出系統(tǒng)主要有以下幾部分: 控制電路、主電路（包括整流電源和逆變器）以及開關(guān)電源電路。

控制電路結(jié)構(gòu)

admc401高性能數(shù)字信號處理器采用16位定點(diǎn)dsp adsp2171的內(nèi)核，并將豐富的外設(shè)控制器集成于單片之中，指令執(zhí)行速度為26m ips，片內(nèi)集成的主要外設(shè)包括:

·高精度8 通道a/d轉(zhuǎn)換器（adc）

具有12位的轉(zhuǎn)換精度，支持兩通道同步采樣和順序采樣，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于2μs。

·三相16位pwm發(fā)生器（pwm）

可以編程設(shè)定開關(guān)周期、死區(qū)時(shí)間、最小脈寬限制時(shí)間，具有單刷新和雙刷新兩種模式，可以產(chǎn)生對稱和非對稱pwm波形、空間矢量pwm波形、pwm輸出可以被外部引腳或軟件編程封鎖，具有較強(qiáng)的故障保護(hù)能力。

·片內(nèi)增量式編碼器接口單元（eiu）

具有可編程的脈沖輸入濾波器，可以實(shí)現(xiàn)倍頻、辨向、計(jì)數(shù)等功能，并配合有專門的編碼器事件定時(shí)器，可以方便地實(shí)現(xiàn)m/t法速度檢測，為高性能電機(jī)控制提供高精度的位置和速度反饋。

admc401是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在系統(tǒng)中利用它來實(shí)現(xiàn)矢量變換、電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制以及svpwm信號發(fā)生、各種故障保護(hù)處理等。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速實(shí)時(shí)控制，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用了單片機(jī)+dsp雙cpu結(jié)構(gòu)，因此將系統(tǒng)的控制任務(wù)進(jìn)行了劃分:dsp完成實(shí)時(shí)性要求高的矢量控制和閉環(huán)控制，fla sh結(jié)構(gòu)的單片機(jī)89c8252完成實(shí)時(shí)性要求比較低的管理任務(wù)，如控制參數(shù)設(shè)定、鍵盤處理、狀態(tài)顯示、串行通訊等，fpga實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和dsp之間的并行數(shù)據(jù)交換、外部i/o信號管理、位置脈沖指令處理及計(jì)數(shù)、故障信號處理、主軸編碼器計(jì)數(shù)等功能，系統(tǒng)可以支持模擬速度輸入、數(shù)字速度輸入、脈沖輸入以及通過上位機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行控制等多種方式。

主電路及開關(guān)電源電路

系統(tǒng)的主回路采用模塊式設(shè)計(jì)，整流電源部分和交-直-交電壓源型逆變器通過公共直流母線連接，整流電源部分采用二級管整流模塊，同時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了軟起動電路以減少強(qiáng)電對主回路直流平波電容的沖擊。逆變器采用智能功率模塊pm 75cva 120，在系統(tǒng)故障保護(hù)環(huán)節(jié)中，設(shè)置了主回路過壓、欠壓、過熱、過載、制動異常、光電編碼器反饋斷線、通訊故障等保護(hù)，故障信號由軟硬件配合檢測，一旦出現(xiàn)保護(hù)信號，通過軟件或硬件邏輯立刻封鎖pwm驅(qū)動信號。系統(tǒng)采用磁平衡式霍爾電流傳感器采樣兩相電流反饋ia，ib，獲得實(shí)時(shí)的電流信息。系統(tǒng)的控制電源采用開關(guān)電源供電，開關(guān)電源功率開關(guān)器件選用to p224。對于主軸電機(jī)光電編碼器的供電電源，考慮其反饋信號線上的電壓降落可能比較大，會影響到反饋信號的可靠性，因此采用帶反饋調(diào)節(jié)的dc-dc變換器單獨(dú)供電。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與控制功能實(shí)現(xiàn)

全數(shù)字交流主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用了交流變頻主軸電機(jī): 額定功率3.7kw/5.5kw; 額定電流9a; 額定同步轉(zhuǎn)速1500r/min; 額定轉(zhuǎn)矩24.6nm，安裝在電機(jī)上的光電編碼器分辨率為1000p/r。電流控制采樣周期100μs，pwm開關(guān)頻率10khz，速度環(huán)和位置環(huán)采樣周期500μs。速度環(huán)的輸出限幅值為額定電流的1.2倍。

恒轉(zhuǎn)矩控制

當(dāng)交流主軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行于基速以下時(shí),系統(tǒng)應(yīng)具有恒轉(zhuǎn)矩特性，特別是低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)該輸出相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩，并保持運(yùn)行平穩(wěn)。圖3示出了系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)的速度響應(yīng)曲線和電流波形，結(jié)果表明，系統(tǒng)的響應(yīng)比較快。圖4示出了系統(tǒng)在基速以下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性，可以看出系統(tǒng)具有寬范圍的負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸出能力。

恒功率控制

當(dāng)交流主軸電機(jī)運(yùn)行于基速以上時(shí)，系統(tǒng)自動進(jìn)入弱磁狀態(tài)，此時(shí)在恒功率狀態(tài)下運(yùn)行，應(yīng)保持定子電壓不變，減小轉(zhuǎn)子磁鏈，實(shí)現(xiàn)弱磁控制，根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率矢量控制原理，定子磁鏈電流可以按照下式控制：

式中,ωbase為感應(yīng)電機(jī)額定同步轉(zhuǎn)速。

在電機(jī)進(jìn)入弱磁范圍運(yùn)行時(shí)，為了保證有相當(dāng)?shù)碾姶呸D(zhuǎn)矩輸出，需要對速度pi調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)矩電流限幅值進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整方法如下：

式中，i＊qslimit為速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值，imax為系統(tǒng)允許的最大輸出電流，k為調(diào)整系數(shù)，一般選擇小于1，目的是防止高速啟動時(shí)可能出現(xiàn)的失速問題。圖5是系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速為5500r/min時(shí)的速度響應(yīng)曲線。