目前，对伺服系统的研究已有大量的文献[1-5]进行了报道。本文基于ti公司f2407a dsp控制芯片，建立了全数字控制的伺服系统thrsv-1，该系统可以工作于定位、脉冲跟踪、模拟量跟踪、力矩给定、调速五种模式。在采用1024脉冲/转的光电编码盘时，电机的定位精度可以达到每转的1/4096。当工作于脉冲跟踪模式时，其转速随着脉冲频率的变化而改变，转过的角度和输入脉冲的总数成正比。而在模拟量跟踪时可以实现s曲线、阶跃、正弦等多种速度曲线，真正实现任意速度曲线的跟踪。力矩模式使得电机输出力矩恒定，可用于多台联动的场合。最后，基本的调速方式满足最为常用的控制要求，当电机工作于额定转速以上时，采用了弱磁升速技术。
磁场定向控制原理
为了分析方便，先对三相异步电机做如下理想化假定:
电机定转子三相绕组完全对称;
定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子每相气隙磁动势在空间呈正弦分布;
磁饱和、涡流及铁心损耗忽略不计。
图1 异步电机α—β和d—q坐标系
图1是三相异步电机的坐标图，其中a、b、c分别为三相定子绕组，α-β为两相定子坐标，d-q为两相以ωo角速度旋转的坐标，isd、isq、isα、isβ分别是定子电流矢量is在d、q、α、β轴上的分量。
对于一般电机调速系统而言，从转矩到转速近似为一个积分环节，其积分时间常数由电机和负载的机械惯量决定，为不可控量，因此转矩控制性能的好坏直接关系到一个调速系统的动静态特性。从转矩表达式可以看出，异步电机的转矩一般和定子电流矢量和转子磁场以及夹角有关。因此，要想控制转矩，必须先检测和控制磁通。在磁场定向矢量控制中，一般把d-q坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使d轴和转子磁场方向重合，此时转子磁通q轴分量为零（ψrg=0），此时有如下几式:
其中式（1）－（5）为转子磁场定向控制方程式。漏磁系数=1-lm2/lslr，τr=lr/rr为转子时间常数，ωs为转差角速度，ω0转子旋转磁场的角速度，ωr是转子旋转角速度。式（3）－（6）是转子磁场定向控制的电流模型公式，用来计算转子旋转磁场的幅值和角度。由式（3）不难发现，只需检测定子电流的d轴分量即可观测出转子磁通幅值。由式（7）可知，当ψrd恒定时，电磁转矩和电流的q轴分量或转差成正比，没有最大值限制，通过控制定子电流的q轴分量即可控制电磁转矩。因此，也称定子电流的d轴分量为励磁分量，定子电流的q轴分量为转矩分量。因此，可以通过定子电流的d轴分量控制转子磁通，q轴分量来控制转矩，从而实现了磁通和转矩的解耦控制。
图2 伺服系统模型
图2是整个转子磁场定向控制的原理框图，整个系统由三个环组成，由外到内分别是位置环、速度环、电流环。其中位置环是在采用定位模式时进行闭环控制，在其他工作模式下不进行电机轴位置量的控制。
系统软硬件设计
硬件设计
dsp以及周边资源
以dsp为核心的伺服系统硬件如图4，整个系统的控制电路由dsp+gal组成。
其中gal主要用于系统io空间的选通信号以及开关驱动信号的输出控制等。dsp作为控制核心，接受外部信息后判断伺服系统的工作模式，并转换成逆变器的开关信号输出，该信号经隔离电路后直接驱动ipm模块给电机供电。另外eeprom用于参数的保存和用户信息的存储。
功率电路
整个主电路先经不控整流，后经全桥逆输出。逆变器选用igbt智能模块。该模块采用10a，600v的功率管，内部集成了驱动电路，并设计有过电压、过电流、过热、欠电压、等故障检测保护电路。系统的辅助电源采用线性稳压电源，主要供电包括六路开关管的驱动电源，dsp和gal以及i/o口控制芯片的电源和采样lem以及光电编码器的电源。
电流采样电路
本系统的设计要求至少采样两相电流，由于负载的对称性，故采样ia和ic两相电流。采样电路采用霍尔传感器并经模拟电路处理在3.3v的电压范围内，然后送入dsp的ad转换器中。
转子位置检测电路
电机反馈采用增量式光电编码器，该编码器分辨率为1024脉冲/转，输出信号包括a、b、z脉冲信号，其中a、b信号互差90o（电角度），dsp通过判断a、b的相位和个数可以得到电机的转向和速度。z信号每转一圈出现一次，用于位置信号的复位。光电编码盘脉冲信号送入dsp后，经内部qep电路实现四倍频，因此电机每圈的脉冲数是4096个。
保护电路
系统在主回路设置了过压、欠压、igbt故障、电机过热、编码器故障，故障信号经逻辑电路后可直接封锁开关脉冲，同时通过dsp的i/o口输入，通过软件检测来实现系统的保护。
软件设计
dsp伺服控制程序由3个部分组成:主程序的初始化、pwm定时中断程序和dsp与周边资源的数据交换程序。
主程序
主程序先完成系统的初始化、i/o口控制信号管理、dsp内各个控制模块寄存器的设置等，然后进入循环程序，在这里完成系统的数据保存和报警内容的更新。
pwm定时中断程序
pwm定时中断程序是整个伺服控制程序的核心内容，在这里实现电流环、速度环、位置环的采样控制以及矢量控制、pwm信号生成、各种工作模式选择和i/o的循环扫描。中断控制程序周期为50μs，即ipm开关频率为20khz。其中每个周期完成电流环的采样和开关信号的输出，每10个开关周期完成一次速度环和位置环控制。pwm控制信号采用svpwm调制方法生成，在每个采样周期中对每相电流进行一次pid算法来决定该周期中的占空比。
数据交换程序
数据交换程序主要包括与上位机的通讯程序、eeprom中参数的存储、控制器键盘值的读取和数码管显示程序。其中通讯采用rs232接口，根据特定的通讯协议接受上位机的指令，并根据要求传送参数。eeprom的数据交换通过dsp的spi口完成。键盘和数码管显示在每隔1200个周期扫描一次，更新显示和键值。
图3 伺服系统硬件构成
图4 dsp系统硬件图
实验结果
图5 伺服系统速度阶跃响应曲线
图6 速度给定反相时的相电流波形
图7 伺服定位时的位置波形
图8 电机在1200r/min时的磁链圆
上述伺服系统采用三相异步电动机:额定功率180w，额定电流0.65a，额定转速1400r/min，额定转矩1.1nm,定子电感42mh，定子电阻28ω。电流环采样周期50μs，速度环采样周期500μs，位置环采样周期500μs。图5是速度阶跃响应曲线，通过调整速度环pid参数可以改变速度波形的超调量和响应时间。图6是转速正反切换时的相电流波形，可以清楚的看到当电机转向发生变化时，其相电流波形反相。图7是伺服系统在定位2圈时的位置波形，该电机位置由光码盘决定，即每采集到4096个脉冲为一圈。图8是伺服系统在1200r/min时的转子磁链圆轨迹。
结语
本文中，系统硬件上采用dsp加gal的控制结构，电路设计简单，紧凑，满足了矢量控制实时性的要求，同时全数字化的控制，使系统在控制精度、功能和抗干扰能力上都有了很大程度的提高。同时，由f2407a控制的全数字伺服系统通过软件编程，可以实现定位、模拟量、力矩给定等多种工作方式，且工作性能稳定。实验结果表明，本文的伺服系统在完成定位、调速时具有很高的控制精度，不仅满足高性能定位系统的应用要求，而且也可用于伺服系统的教学中。
作者简介
蒋中明（1976-） 男 浙江天煌科技实业有限公司工程师，主要从事电气传动控制及dsp控制技术产品的研究与开发。
