伺服控制自己收集的

1、流伺服系統(tǒng)在制造業(yè)控制中得到了更加廣泛的應(yīng)用，對(duì)控制的要求體現(xiàn)在響應(yīng)速度快、速度精度高、調(diào)速范圍寬、加減速性能好。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、電機(jī)磁性材料的不斷發(fā)展，交流伺服控制逐漸成為工廠自動(dòng)化領(lǐng)域中運(yùn)動(dòng)控制的主流1，有關(guān)各種新型控制算法不斷涌現(xiàn)，如自適應(yīng)控制、磁場(chǎng)定向控制及直接轉(zhuǎn)矩控制、智能控制等。但是，傳統(tǒng)的PID控制方法以其實(shí)現(xiàn)的方便可靠性仍是其它控制算法的基礎(chǔ)。 一、系統(tǒng)組成原理    系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。    該系統(tǒng)由四部分組成，即微機(jī)、伺服控制卡、交流伺服調(diào)速系統(tǒng)、傳感檢測(cè)。主控微機(jī)與控制卡相連，可以通過(guò)數(shù)據(jù)線發(fā)送位置或速度命令，設(shè)定

2、PID調(diào)節(jié)參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換，該模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)交流伺服放大器放大后驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)。電機(jī)軸端裝有增量式光電碼盤(pán)，通過(guò)光電碼盤(pán)提供反饋信號(hào)（A、B、IN脈沖）來(lái)完成位置伺服系統(tǒng)的位置反饋，組成一個(gè)半閉環(huán)系統(tǒng)。一般將光電碼盤(pán)裝在電機(jī)非負(fù)載軸的軸端上，便于安裝和避免機(jī)械部件振動(dòng)和變形對(duì)位置控制系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。位置反饋環(huán)中傳感元件增量式光電編碼器將運(yùn)動(dòng)構(gòu)件實(shí)時(shí)的位移（或轉(zhuǎn)角）變化量以A、B相差分脈沖形式長(zhǎng)線傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)控制站（PC機(jī)）中進(jìn)行編碼器脈沖計(jì)數(shù)，以獲得數(shù)字化位置信息，主控微機(jī)計(jì)算給定位置與實(shí)際位置（即反饋到的位置）的偏差后，根據(jù)偏差范圍采取相應(yīng)的PID控制策略，將數(shù)字控制作用經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)

3、換變成模擬控制電壓，并輸出給伺服放大器，最終調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，完成期望值的定位。二、伺服控制方法    工業(yè)控制中常用的方法是PID調(diào)節(jié)器，盡管隨著現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型控制算法，如自適應(yīng)控制、專(zhuān)家系統(tǒng)、智能控制等2。從理論分析，許多控制策略都能實(shí)現(xiàn)良好的電機(jī)動(dòng)靜態(tài)特性，但是由于算法本身的復(fù)雜性，而且對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模型辨識(shí)比較麻煩，因此，在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)困難，對(duì)于傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器而言，其最大的優(yōu)點(diǎn)在于算法簡(jiǎn)單，參數(shù)易于整定，具有較強(qiáng)的魯棒性3，而且適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性高，這些特點(diǎn)使PID控制器在工業(yè)控制領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于數(shù)控系統(tǒng)中的控制對(duì)象而言并不復(fù)雜，用PI

4、D調(diào)節(jié)器更易實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。1、位置環(huán)PID控制算法    在數(shù)字PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中，引入積分環(huán)節(jié)的目的是為了消除靜差，提高精度，但在過(guò)程的開(kāi)始、結(jié)束或大幅增加設(shè)定值時(shí)，會(huì)產(chǎn)生積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至振蕩，這對(duì)于伺服電機(jī)的運(yùn)行來(lái)說(shuō)是不利的。為減小電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中積分校正對(duì)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，采用積分分離PID控制正當(dāng)其時(shí)，當(dāng)電機(jī)的實(shí)階位置與期望位置的誤差小于一定位值時(shí)，再恢復(fù)積分校正環(huán)節(jié)，以便消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。    積分分離PID控制算法需設(shè)定積分分離閥，當(dāng)|e（k）|時(shí)，即偏差值較大時(shí)，采用PD控制，減少超調(diào)量，使系統(tǒng)有較快響應(yīng)；當(dāng)|

5、e（k）|時(shí)，即偏差值比較小時(shí)，采用PID控制，以保證伺服電機(jī)位置控制精度。    離散化PID控制算式為：    其中，k為采樣序號(hào)，k=0，1，2；Kp、Ki、Kd分別表示比例、積分、微分系數(shù)。在實(shí)際中，若執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量，根據(jù)遞堆原理可得增量式PID控制算式為：2、位置環(huán)控制算法流程圖2所示為控制算法流程圖。3、控制系統(tǒng)參數(shù)的整定    主控微機(jī)向控制卡發(fā)送PID參數(shù)，看給定的參數(shù)是否符合控制系統(tǒng)的要求，該過(guò)程需用參數(shù)整定實(shí)現(xiàn)。參數(shù)整定的主要任務(wù)是確定Kp、Ki、Kd及采樣周期T，比例系數(shù)Kp增大，使伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)

6、作靈敏、響應(yīng)加快，而過(guò)大會(huì)引起振蕩，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)；積分系數(shù)Ki增大，能消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但穩(wěn)定性下降；微分控制可以改善動(dòng)態(tài)特性，使超調(diào)量減少，調(diào)整時(shí)間縮短。通常的方法有擴(kuò)充臨界比例度法和擴(kuò)充響應(yīng)曲線法，以及歸一參數(shù)整定方法。這幾種方法源于使用齊格勒-尼柯?tīng)査梗╖iegler-Nichols規(guī)則）4，通?？烧J(rèn)為交流伺服系統(tǒng)的模型為一階帶有延遲環(huán)節(jié)的模型（帶滯后的一階環(huán)節(jié)）：    式中的一階響應(yīng)特征參數(shù)K、L和T可以由圖3所示的S型響應(yīng)曲線提取出來(lái)。求取這些參數(shù)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)并不困難，可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行階躍輸入激勵(lì)，得到響應(yīng)曲線，再根據(jù)曲線求出其特征參數(shù)。于是可由Ziegler-

7、Nichols整定規(guī)則得到：    數(shù)字系統(tǒng)中采樣周期的選擇與系統(tǒng)的穩(wěn)定性密切相關(guān)。一方面要滿足香農(nóng)定理，即s2max，實(shí)際系統(tǒng)輸入及反饋的最大頻率max難以測(cè)定，另一方面采樣周期并沒(méi)有一個(gè)精確的計(jì)算公式，只能根據(jù)工程應(yīng)用按經(jīng)驗(yàn)規(guī)則選取，對(duì)于機(jī)電控制系統(tǒng)，要求較短采樣周期，通常為幾十毫秒。三、結(jié)論    對(duì)于交流位置伺服控制系統(tǒng)而言，采用基于PC機(jī)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，只要參數(shù)整定適當(dāng)，加之系統(tǒng)的機(jī)械精度（運(yùn)動(dòng)軸、齒輪、電機(jī)絲杠傳動(dòng)化）控制在一定誤差范圍內(nèi)，電氣控制精度（編碼器脈沖）就可得到提高，魯棒性強(qiáng)，可以在很多場(chǎng)合達(dá)到較高精度位

8、置控制的要求。伺服系統(tǒng)的控制策略    在一些動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)所，由于開(kāi)環(huán)變壓變頻控制方式控制規(guī)律簡(jiǎn)單，至今仍在一般調(diào)速度系統(tǒng)中普遍應(yīng)用。    · 恒壓頻比控制    恒壓頻比控制方式是一種開(kāi)環(huán)控制，它根據(jù)系統(tǒng)的給定，利用空間矢量脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)化為期望的輸出Uout進(jìn)行控制，使電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。但它是依據(jù)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，從而得不到理想的動(dòng)態(tài)控制性能。    要獲得很高的動(dòng)態(tài)性能，必須依據(jù)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是非線性多變量，它含有角速度

9、與電流id或iq的乘積項(xiàng)，因此要得到精確控制性能必須對(duì)角速度和電流進(jìn)行解耦。近年來(lái)，研究了各種非線性控制器，來(lái)解決永磁同步電機(jī)非線性的特性。    · 矢量控制    1971年，由德國(guó)西門(mén)子的F.Blaschke提出的矢量控制理論將交流傳動(dòng)的發(fā)展方向向前推進(jìn)了一大步，使交流電機(jī)控制理論獲得第一次質(zhì)的飛躍。其基本原理為：以轉(zhuǎn)子磁鏈的旋轉(zhuǎn)空間矢量為參考坐標(biāo)，將定子電流分解為相互正交的兩個(gè)分量，一個(gè)與磁鏈同方向，代表定子電流勵(lì)磁分量，另一個(gè)與磁鏈方向正交，代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量，然后分別對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立控制，獲得像直流電機(jī)一樣良好的動(dòng)

10、態(tài)特性。永磁同步電機(jī)d-q模型的轉(zhuǎn)矩方程為：    Te=Pfiq+(Ld-Lq)idiq   （1）    矢量控制實(shí)際上是對(duì)電動(dòng)機(jī)定子電壓或電流矢量的相位和幅值同時(shí)進(jìn)行控制。從式(1)可以看出，當(dāng)永磁體的勵(lì)磁磁鏈和直-交軸電感確定后，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩便取決于定子電流空間矢量is=id+jiq。也就是說(shuō)控制id，iq就可以控制轉(zhuǎn)矩，從而控制轉(zhuǎn)速。但矢量控制方法在實(shí)現(xiàn)時(shí)要進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而且對(duì)電機(jī)的參數(shù)依賴(lài)性很大，難以保證完全解耦，使控制效果打了折扣。    · 直接轉(zhuǎn)矩控制

11、    上世紀(jì)80年代，Depenbrock教授提出了異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法。該方法摒棄了矢量控制的解耦思想，實(shí)行定子磁場(chǎng)定向，避免了矢量控制中復(fù)雜的坐標(biāo)變換，定子磁鏈的估計(jì)僅涉及定子電阻，減速弱了對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴(lài)性，該控制方法簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)性能好。目前已有一些學(xué)者致力于該控制方法應(yīng)用于永磁同步電機(jī)，已取得了很大的發(fā)展。在定子上的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)為x，y；轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)為d，q；它們都互為90度。X軸與d軸的夾角為負(fù)載角，可以證明在定子磁鏈幅值|s|保持恒定的條件下，電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)子磁鏈r及其與s間夾角的正弦。在穩(wěn)態(tài)情況下，恒定，對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，定、轉(zhuǎn)子磁鏈

12、以同步速度旋轉(zhuǎn)；在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，隨負(fù)載變化，定、轉(zhuǎn)子磁鏈瞬時(shí)速度會(huì)出現(xiàn)差異，以配合的變化。因此，可以通過(guò)選擇合適的電壓空間矢量U來(lái)保證定子磁鏈幅值恒定，調(diào)節(jié)定子磁鏈的速度和運(yùn)動(dòng)方向同時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載角來(lái)完成對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。    · 反饋線性化控制    以上三種控制策略都已經(jīng)獲得成熟的應(yīng)用，然而它們都只是從物理關(guān)系上構(gòu)成轉(zhuǎn)矩與磁鏈的近似解耦控制，沒(méi)有或較少應(yīng)用控制理論。永磁同步電機(jī)從本質(zhì)上是一個(gè)非線性、多變量系統(tǒng)，反饋線性控制是研究非線性控制系統(tǒng)的一種有效方法，它通過(guò)非線性狀態(tài)反饋和非線性變換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)解耦和全局線性化

13、，從而控線性控制理論來(lái)設(shè)計(jì)，以使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。反饋線性化控制一般分二大類(lèi)：（1）微分幾何反饋線性化方法，它通過(guò)微分同胚坐標(biāo)和一個(gè)非線性狀態(tài)反饋給出解耦結(jié)構(gòu)，需將問(wèn)題變換到“幾何域”，因而方法抽象，不利于工程應(yīng)用。但它從較高的數(shù)學(xué)高度考慮問(wèn)題，在理論上比較容易展開(kāi)。（2）動(dòng)態(tài)逆控制，它采用非線性逆系統(tǒng)理論來(lái)設(shè)計(jì)控制律，有人也稱(chēng)它為直接反饋線性化方法，該方法物理概念明確，用到數(shù)學(xué)簡(jiǎn)單。    · 反推控制    1992年，KOKOTOVIC P提出了反推控制，它是一種有效的非線性控制，它主要分以下幾步來(lái)設(shè)計(jì)：

14、0;   (1) 選取系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)，構(gòu)成子系統(tǒng)，構(gòu)造子系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)，設(shè)計(jì)假定控制函數(shù)，使子系統(tǒng)穩(wěn)定；    (2) 基于(1)的假定控制，設(shè)計(jì)誤差變量，由誤差變量和前面的子系統(tǒng)組成新的子系統(tǒng)，構(gòu)造新的子系統(tǒng)的Lyapunov函數(shù)，再設(shè)計(jì)假定控制，使新的子系統(tǒng)穩(wěn)定；    (3) 如果還沒(méi)有得到系統(tǒng)的實(shí)際控制，則返回(1）繼續(xù)設(shè)計(jì)，如果得到系統(tǒng)的實(shí)際控制，則向下設(shè)計(jì)；    (4) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際控制，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定。    反推控制能夠?qū)?/p>

15、現(xiàn)永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的完全解耦，而且設(shè)計(jì)方法比較簡(jiǎn)單，能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定。    · 滑模變結(jié)構(gòu)控制    滑模變結(jié)構(gòu)控制是變結(jié)構(gòu)控制的一種控制策略，它與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性，即一種使系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”隨時(shí)變化的開(kāi)關(guān)特性，它也屬于BangBang控制的范疇。其主要特點(diǎn)是，根據(jù)被調(diào)量的偏差及其導(dǎo)數(shù)，有目的地使系統(tǒng)沿著設(shè)計(jì)好的“滑動(dòng)模態(tài)”的軌跡運(yùn)動(dòng)，與被控制對(duì)象的參數(shù)和擾動(dòng)無(wú)關(guān)，因而使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的魯棒性。但它在系統(tǒng)中不可避免地帶來(lái)“顫抖”問(wèn)題。    · 自適應(yīng)控制 &

16、#160;  在以上控制策略中，或多或少由于電機(jī)模型參數(shù)的變化，使系統(tǒng)控制性能變差。因此，提出了自適應(yīng)控制，它在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中不斷提取有關(guān)模型的信息，讓控制策略根據(jù)新的信息來(lái)調(diào)整，它是克服參數(shù)變化影響的有力手段?，F(xiàn)在應(yīng)用于控制的自適應(yīng)方法有模型參考自適應(yīng)、參數(shù)辯識(shí)自校正控制及其新發(fā)展的各種非線性自適應(yīng)控制。但所有這些方法都存在的問(wèn)題：一是數(shù)學(xué)模型和運(yùn)算繁瑣，使控制系統(tǒng)復(fù)雜化；二是辯識(shí)和校正都需要一個(gè)過(guò)程，對(duì)一些參數(shù)變化較快的系統(tǒng)，就會(huì)因來(lái)不及校正而難以產(chǎn)生很好的效果。隨著DSP控制器的出現(xiàn)，高速的運(yùn)算速度會(huì)減少計(jì)算慢的不足。    近年來(lái)受到控制界十分

17、重視的智能控制，它能擺脫對(duì)控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的依賴(lài)，已成為眾所矚目的解決魯棒性問(wèn)題的重要方法。目前智能控制在交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用中較為成熟的，當(dāng)數(shù)模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，而且大多是在模型控制基礎(chǔ)上增加一定的智能控制手段，以消除參數(shù)變化和擾動(dòng)的影響。    · 模糊控制    其中模糊控制是利用模糊集合來(lái)刻畫(huà)人們?nèi)粘Ｋ褂玫母拍钪械哪：裕箍刂破髂芨普娴啬７率炀毑僮魅藛T和專(zhuān)家的控制經(jīng)驗(yàn)與方法，它包括精確量的模糊化、模糊推理、模糊判決三部分。早期的模糊控制器只是以取代傳統(tǒng)PID控制器為目的，魯棒性雖有所加強(qiáng)，但一般模糊控制器沒(méi)有積

18、分作用，在伺服系統(tǒng)有負(fù)載擾動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)靜差。而增加了積分效應(yīng)的模糊控制器，雖相當(dāng)于變系數(shù)PID調(diào)節(jié)器，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差控制，但是單純地將一個(gè)簡(jiǎn)單的傳統(tǒng)模糊控制器用于高精度電機(jī)伺服系統(tǒng)，還不能得到令人十分滿意的性能。模糊控制系統(tǒng)只有與其他控制方法相結(jié)合，才能獲得優(yōu)良的性能。如模糊PID等。    · 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制    神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制在交流伺服中的應(yīng)用主要有下面幾個(gè)方面：(1）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制；(2)由于實(shí)際的矢量控制效果對(duì)伺服系統(tǒng)參數(shù)很敏感，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于電機(jī)參數(shù)的在線辨識(shí)、跟蹤，并對(duì)磁通及轉(zhuǎn)速控制器進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整；(3)無(wú)速

19、度傳感器矢量控制需要知道轉(zhuǎn)速，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被用來(lái)精確估計(jì)位置及轉(zhuǎn)速；(4)結(jié)合模型參考自適應(yīng)控制，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器用于自適應(yīng)速度控制器。    雖然將智能控制用于交流伺服系統(tǒng)的研究已取得了一些成果，但是有許多問(wèn)題尚待解決，如智能控制器主要憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)性能（如穩(wěn)定性和魯棒性）缺少客觀的理論預(yù)見(jiàn)性，且設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)需獲取大量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)容易產(chǎn)生振蕩。        當(dāng)前交流伺服發(fā)展方向    綜合交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀，可以十分清楚地看出其發(fā)展趨勢(shì)，主要有以下幾個(gè)方面：&

20、#160;   · 不斷完善理論的研究    盡管目前已有很多方法可以實(shí)現(xiàn)交流伺服，但仍存在許多問(wèn)題待解決，如系統(tǒng)精度、可靠性、低速性能的提高等。另外，無(wú)傳感器控制也是一個(gè)研究方向：提高轉(zhuǎn)速估計(jì)精度的同時(shí)改進(jìn)控制性能，增強(qiáng)系統(tǒng)抗參數(shù)變化等。    · 實(shí)用化    目前高性能的交流伺服系統(tǒng)主要依靠進(jìn)口，這種現(xiàn)狀限制了我國(guó)高科技產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。因此，通過(guò)借鑒國(guó)外研究工作的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，從高起點(diǎn)出發(fā)，盡早研制出具有國(guó)際水平的高性能、產(chǎn)品化的交流伺服系統(tǒng)。  

21、;  · 網(wǎng)絡(luò)化    在國(guó)外，以以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的工業(yè)自動(dòng)化得到長(zhǎng)足的發(fā)展，為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行接口和專(zhuān)用的局域網(wǎng)接口，它增強(qiáng)了伺服單元與其它控制設(shè)備間的互聯(lián)能力，從而與CNC系統(tǒng)間的連接也變得簡(jiǎn)單。摘 要：從跟蹤系統(tǒng)定位的精確性、跟蹤的平穩(wěn)性需求出發(fā),結(jié)合交流伺服電機(jī)優(yōu)良的控制性能,詳述了通過(guò)采用合理的ARM+FPGA芯片組控制策略以及完備的伺服控制芯片IRMCK201完成PMSM調(diào)速系統(tǒng)精確控制的方法。該控制策略的使用,提高了系統(tǒng)整體運(yùn)動(dòng)性能,實(shí)現(xiàn)了硬件資源的最大化利用。同時(shí)為交流伺服電機(jī)的容量選取方法提供了具

22、有可操作性的參考資料。對(duì)于武器系統(tǒng)來(lái)講，目標(biāo)跟蹤單元的優(yōu)劣將直接影響到整個(gè)武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的整體發(fā)揮。而目標(biāo)跟蹤過(guò)程本身具有的特點(diǎn)又決定了跟蹤系統(tǒng)必須具備穩(wěn)定的低速跟蹤能力、良好的過(guò)載能力以及快速的響應(yīng)能力等特征。解決以上技術(shù)點(diǎn)非常關(guān)鍵的就是電機(jī)的選取和控制。在電機(jī)選擇上，由于交流伺服電機(jī)具備了極高的控制精度、穩(wěn)定的低頻特性、優(yōu)良的矩頻特性、較強(qiáng)的過(guò)載能力以及快速的響應(yīng)能力，并且已經(jīng)成為控制電機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)，基于上述考慮，作者重點(diǎn)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)在跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)用進(jìn)行了深入研究。交流伺服電機(jī)中，習(xí)慣上把由正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)稱(chēng)為正弦型永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)調(diào)速系統(tǒng)；而由梯形波

23、(方波)永磁同步電動(dòng)機(jī)組成的調(diào)速系統(tǒng)，在原理和控制方法上與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)類(lèi)似，稱(chēng)這種系統(tǒng)為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)調(diào)速系統(tǒng)。文章重點(diǎn)探討PMSM調(diào)速系統(tǒng)的精確控制技術(shù)。1 PMSM調(diào)速基本原理控制上，從PMSM理想條件出發(fā)，建立轉(zhuǎn)子軸(d，q軸)數(shù)學(xué)模型，在假設(shè)磁路不飽和，不計(jì)磁滯和渦流損耗影響，空間磁場(chǎng)呈正弦分布的條件下，當(dāng)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子為圓筒形(Ld=Lq=L)，摩擦系數(shù)B=0，得d、q坐標(biāo)系上電磁轉(zhuǎn)矩方程為：式中：id，iq，為d，q軸電流；Ld，Lq為定子電感在d，q軸下的等效電感；f為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)鏈過(guò)定子繞組的磁鏈；Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)。從轉(zhuǎn)子坐標(biāo)來(lái)看，對(duì)于定子電流可以分為兩部分，

24、即力矩電流iq和勵(lì)磁電流id。矢量控制中通常使id=0來(lái)保證用最小的電流幅值得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩。此時(shí)，式(1)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：由式(2)看出，Pn及f都是電機(jī)內(nèi)部參數(shù)，其值恒定，為獲得恒定的力矩輸出，只要控制iq為定值?？芍琲q的方向可以通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子軸來(lái)確定，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制大大簡(jiǎn)化。矢量控制的PMSM位置伺服系統(tǒng)一般由電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)構(gòu)成的三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，各環(huán)節(jié)性能的最優(yōu)化是整個(gè)伺服系統(tǒng)高性能的基礎(chǔ)，而外環(huán)性能的發(fā)揮依賴(lài)于系統(tǒng)內(nèi)環(huán)的優(yōu)化。尤其是電流環(huán)，他是高性能PMSM位置伺服系統(tǒng)構(gòu)成的根本，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，也直接影響整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)

25、中必須有快速的電流環(huán)以保證定轉(zhuǎn)子電流對(duì)矢量控制指令的準(zhǔn)確跟蹤，這樣才能在電機(jī)模型中將定轉(zhuǎn)子電壓方程略去，或僅用小慣性環(huán)節(jié)替代，達(dá)到矢量控制的目的。因而電流環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性直接關(guān)系到矢量控制策略的實(shí)現(xiàn)，研究同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)必須涉及到電流環(huán)的研究。結(jié)合以上原理分析，作者在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上依靠?jī)?yōu)良的控制器件和策略來(lái)保證高精度控制實(shí)現(xiàn)。2 伺服電機(jī)容量計(jì)算首先從電機(jī)本身人手，選擇合適的交流伺服電機(jī)顯然是驅(qū)動(dòng)和控制的前提，在伺服電機(jī)選擇上，需要考慮的參數(shù)比較多，考慮的因素也相對(duì)較為復(fù)雜，需要考慮電機(jī)的工作模式、工作環(huán)境以及機(jī)械裝配形狀等。對(duì)于跟蹤系統(tǒng)來(lái)講，其基本模式如圖1所示。圖1所示跟蹤系統(tǒng)一個(gè)運(yùn)行周

26、期可以分劃為4個(gè)階段，分別為啟動(dòng)過(guò)程(t1)、跟蹤過(guò)程(t2)、減速過(guò)程(t3)以及靜止過(guò)程(t4)。分析可知，跟蹤系統(tǒng)主要工作時(shí)間為跟蹤過(guò)程(t2)，此過(guò)程中，將出現(xiàn)頻繁的加速、減速階段，因此在電機(jī)選擇上，需要重點(diǎn)考慮額定輸出功率、額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)。圖2為交流伺服電機(jī)容量計(jì)算基本流程，首先根據(jù)機(jī)械特性，計(jì)算負(fù)載的慣性距和負(fù)載轉(zhuǎn)距，通過(guò)初步數(shù)據(jù)，暫時(shí)選定電機(jī)容量，然后根據(jù)系統(tǒng)基本技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算負(fù)載最快加速、減速時(shí)間，從而計(jì)算出加速、減速轉(zhuǎn)距，繪制相應(yīng)的負(fù)載轉(zhuǎn)距特性曲線，從而計(jì)算出選定系統(tǒng)實(shí)際的轉(zhuǎn)距數(shù)據(jù)，然后用求取的轉(zhuǎn)距數(shù)據(jù)和額定轉(zhuǎn)矩(TR)比較，如果求取的轉(zhuǎn)距數(shù)據(jù)小于額定轉(zhuǎn)距

27、數(shù)據(jù)，則可按指定的運(yùn)行模式運(yùn)轉(zhuǎn)，否則，調(diào)整初步參數(shù)重新進(jìn)行計(jì)算，直到完成。3 PMSM調(diào)速基本實(shí)現(xiàn)3.1 控制系統(tǒng)基本組成圖3為PMSM調(diào)速系統(tǒng)基本組成框圖，從圖中可以看出，系統(tǒng)主要圍繞著電流環(huán)、速度環(huán)及位置環(huán)構(gòu)成的三環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上，選用了交流伺服專(zhuān)用芯片IRM-CK201，基于該芯片優(yōu)良的性能，在基本不需要編程的情況下，可以完成系統(tǒng)的電流環(huán)、速度環(huán)控制，并且可以產(chǎn)生控制伺服電機(jī)的SVPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。同時(shí)作為運(yùn)動(dòng)控制芯片，IRMCK201在硬件上具備了伺服控制所必需的控制單元，如帶死區(qū)時(shí)間設(shè)置的空間矢量PWM、PARK變換和CLARK變換、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器、速度測(cè)

28、量單元等，這樣就很大程度上簡(jiǎn)化了復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)該芯片的使用，極大程度上縮短了項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期。在主控芯片上，系統(tǒng)采用了ARM+FPGA構(gòu)成的芯片組，由ARM完成IRMCK201的初始化以及外圍數(shù)據(jù)總線和數(shù)據(jù)交互處理，由FPGA芯片完成系統(tǒng)位置環(huán)控制算法的實(shí)現(xiàn)。3.2 主控芯片組設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到基于SRAM LUT結(jié)構(gòu)的FPGA器件的上電配置問(wèn)題和采用FPGA實(shí)現(xiàn)CAN總線以及外圍設(shè)備的通信控制問(wèn)題。項(xiàng)目組采用了組合配置的方式，即采用芯片組控制技術(shù)，芯片組包括了ARM芯片和FPGA芯片，通過(guò)ARM芯片可以較為簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)CAN總線以及外圍設(shè)備的通信控制問(wèn)題，通過(guò)FPGA芯片可以解決系統(tǒng)位置

29、環(huán)控制算法的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)基于ARM芯片的FLASH存儲(chǔ)區(qū)可以實(shí)現(xiàn)SRAM LUT結(jié)構(gòu)的FPGA器件的動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)芯片技術(shù)互補(bǔ)。在芯片選擇上，ARM芯片選擇了LPC2294芯片，F(xiàn)PGA芯片選擇了FLEX10K芯片。采用PS(被動(dòng)串行)配置方式。基本工作過(guò)程：當(dāng)nCONFIG產(chǎn)生下降沿脈沖時(shí)啟動(dòng)配置過(guò)程，在DCLK上升沿，將數(shù)據(jù)移人目標(biāo)芯片。配置后，DCLK通過(guò)延長(zhǎng)十個(gè)周期的時(shí)鐘，確保目標(biāo)芯片被正確初始化，進(jìn)入用戶工作模式。配置文件的大小一般由后綴為rbf的二進(jìn)制文件決定。文件的生成方法為：在Max+Plus編譯狀態(tài)，選擇文件菜單的變換SRAM目標(biāo)文件命令；然后在變換SRAM目標(biāo)文件對(duì)話框，指定要轉(zhuǎn)換的文件并且選擇輸出文件格式為.rbf(Sequential)，然后確定。在電路設(shè)計(jì)上，考慮到系統(tǒng)控制程序更新和升級(jí)的需要，我們充分利用了ARM芯片的ISP功能，即利用PC機(jī)通過(guò)LPC2294的UA