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1 引言 隨著電力電子技術、微電子技術及交流伺服控制理論的發(fā)展，交流伺服驅動已經具有可與直流伺服驅動相比擬的性能，并且交流伺服傳動技術已廣泛應用于印刷、數控機床、食品包裝、紡織、塑料、電子半導體等行業(yè)。交流伺服傳動系統(tǒng)的電機一般又分為交流永磁同步電機和鼠籠式交流異步電動機，在小功率范圍交流永磁同步伺服系統(tǒng)有一定的優(yōu)勢但是在大功率伺服系統(tǒng)中，鼠籠式異步電機因結構簡單、制造容易、價格低廉、應用范圍廣、過流能力大的特點而得到廣泛應用。筆者研制了一套基于ASIPM、現場可編程邏輯門陣列（FPGA）和專用的數字信號處理器（DSP）的鼠籠式三相異步電動機伺服系統(tǒng)，本文介紹了系統(tǒng)控制原理、硬件和軟件的設計，通過實驗對其進行了驗證。 2 系統(tǒng)控制原理 感應電動機的矢量控制通常按照定子磁鏈Ψs、轉子磁鏈Ψr和氣隙磁鏈Ψm來定向；根據磁鏈位置檢測方式的不同，矢量控制可分為直接矢量控制和間接矢量控制。該系統(tǒng)采用定向于轉子磁鏈Ψr利用轉差關系來估計磁鏈相對于轉子的位置的間接矢量控制，通過采用坐標變換實現對電動機定子電流的解耦；采用可在任何速度范圍內使用的基于電流模型估計，即利用速度信號和電流信號估計轉子磁鏈分量和。 系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。 3 控制系統(tǒng)的硬件設計 以DSP為核心的伺服系統(tǒng)硬件如圖3，整個系統(tǒng)的控制電路的核心由DSP+FPGA組成。 3.1 主控電路 其中FPGA，型號為Xilinx的XC3S400，主要用于信號的邏輯控制以及開關驅動信號的輸出控制等。DSP型號為TMS320F2812，作為控制核心，接受外部信號后控制伺服系統(tǒng)的工作參數，并轉換成逆變器的開關信號輸出，該信號經隔離電路后直接控制ASIPM模塊給電機供電。 3.2 功率電路 整個主電路先經不控整流，后經全橋逆變輸出。功率變換電路中采用三菱公司的一體化智能功率模塊（ASIPM）PS12036。該模塊采用15A，1200V的功率管，內部集成了驅動電路，并設計有短路、過電流、欠電壓等故障檢測保護電路。系統(tǒng)電源采用變壓器降壓隔離二極管整流濾波后由線性穩(wěn)壓電源和開關電源為各部分提供電源，主要包括DSP和FPGA.、電流采樣和處理電路、光電編碼器接口電路、7路PWM信號的驅動電源、串口電路和保護電路。 3.3 電流采樣電路 3.4 轉子速度位置檢測電路 電機反饋采用增量式光電編碼器，該編碼器分辨率為2000線/轉，輸出脈沖信號A、B、Z，信號A、B相位依次相差90°（電角度），DSP通過判斷A、B的相位和個數可以得到電機的轉向和速度。Z信號每轉一圈出現一次，用于位置信號的復位。光電編碼盤脈沖信號經過接口電路隔離電平轉換后送入DSP，經內部QEP電路實現四倍頻，因此電機每圈的脈沖數是8000線/轉。 4 系統(tǒng)軟件實現方案 本系統(tǒng)的軟件在結構上可分為主程序和PWM中斷服務子程序。主程序只完成系統(tǒng)硬件和軟件的初始化任務，然后處于等待狀態(tài)。完整的磁場定向實時矢量控制算法在T1定時器下溢中斷服務程序中實現。 位置速度的采樣利用DSP的QEP單元，為了電動機轉速的穩(wěn)定采用了變周期采樣對不同速度段的采樣周期不同。電流采樣利用TMS320F2812自帶的AD轉換模塊，同時對信號進行數字濾波。電流環(huán)和速度環(huán)采用的是PID調節(jié)器；為了實現位置跟隨的快速性和無超調性，位置環(huán)采用變比例調節(jié)器。空間矢量PWM（SVPWM）根據逆變器的開關邏輯將轉子磁場空間劃分為6個區(qū)域，在各區(qū)域對定子電壓矢量進行分解，從而得到產生實際PWM波形所需的參數。 為了提高數字的表示范圍和運算的精度，增強程序的可移植性，將運算量進行標幺化處理，就是將運算量與其最大值或額定值進行比較，這樣預算量都化為小數，為了滿足TMS320F2812的定點運算的要求，利用IQmath程序庫中_iq（）可將小數轉成整數形式，即小數的Q格式。這樣浮點運算就轉換為速度快得多的整型運算。 5 實驗結果及結論 本實驗ASIPM選用三菱公司的PS12036,實驗電機的額定功率2.2kW,額定線電壓380V，額定頻率50Hz，額定電流4A，Y型接法。SVPWM波的載波頻率為10kHz。實驗波形如圖7，圖8所示。這些波形驗證了SVPWM的正確性，且逆變器輸出電流的諧波成分減小，說明了該系統(tǒng)控制精度高，具有良好的動、靜態(tài)特性。 6 結束語 本文所研究的交流伺服系統(tǒng)，充分利用DSP和FPGA的外圍電路和控制接口，簡化了硬件設計，同時在軟件設計中采用模塊化方法方便復雜程序的編寫。實驗結果顯示該系統(tǒng)具有良好的控制性能。隨著工業(yè)生產中不斷增長的高精度、高可靠性的需求，交流伺服系統(tǒng)的應用將越來越廣泛。 |
