基于一種可以工作在惡劣環(huán)境下的高性能伺服控制系統(tǒng)，為了適應(yīng)復(fù)雜多變的惡劣環(huán)境，提高現(xiàn)有伺服控制系統(tǒng)的性能及可靠性，選擇基于旋轉(zhuǎn)變壓器的永磁同步電機(jī)組成伺服系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變壓器具有在高低溫、震動(dòng)、電磁干擾等惡劣環(huán)境下正常工作的優(yōu)點(diǎn)，還具有和光電編碼器相媲美的角度分辨率，可以實(shí)現(xiàn)高性能的伺服控制系統(tǒng)。此伺服控制模塊，搭配不同的安裝有旋轉(zhuǎn)變壓器的永磁同步電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊就能靈活組成多種伺服控制系統(tǒng)，可以滿足不同的應(yīng)用需要。目前這種電機(jī)的價(jià)格還比較高，但隨著將來應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ欧刂葡到y(tǒng)要求的提高和電機(jī)價(jià)格的下降，這種伺服控制模塊會(huì)有很廣泛的應(yīng)用前景。
2永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)原理伺服系統(tǒng)采用spwm波驅(qū)動(dòng)方式和轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的方法，其原理框圖見。
伺服控制模塊獲取旋轉(zhuǎn)變壓器的位置信號(hào)和永磁同步電機(jī)的電流信號(hào)，根據(jù)外界速度指令，進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理，產(chǎn)生控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。經(jīng)過驅(qū)動(dòng)模塊放大處理后，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并讓電機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和外界要求達(dá)到一致。
永磁同步電機(jī)上固定了旋轉(zhuǎn)變壓器。旋轉(zhuǎn)變壓器是利用電磁感應(yīng)原理的一種模擬式測(cè)角器件，與光電編碼器相比，它的抗震性能更好、不易損壞、使用環(huán)境不受限制，具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。旋轉(zhuǎn)變壓器定、轉(zhuǎn)子繞組之間的電磁耦合程度與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角有關(guān)。當(dāng)輸入端送入同頻同幅的激磁信號(hào)給旋轉(zhuǎn)變壓器時(shí)，輸出端會(huì)產(chǎn)生同頻不同幅度的響應(yīng)信號(hào)，并且響應(yīng)信號(hào)的幅度和轉(zhuǎn)子的角位置成正余弦的函數(shù)關(guān)系。通過鑒幅電路就能檢測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)子的絕對(duì)角位置。
驅(qū)動(dòng)模塊選用ipm智能功率模塊，其內(nèi)部集成了過流、過熱、過壓、欠壓等異常情況保護(hù)功能，與伺服控制模塊連接方便，運(yùn)行時(shí)安全性、可靠性高。
3伺服控制模塊硬件設(shè)計(jì)伺服控制模塊硬件電路由dsp控制芯片電路、位置信號(hào)檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路組成。其硬件框生正弦波、方波、三角波等多種波形，這里只使用其圖如所示。
伺服控制模塊硬件框1dsp控制芯片電路該伺服控制模塊采用ti公司的專用控制dsp處理器tms320lf2406a為核心控制芯片。該芯片具有4級(jí)流水線，運(yùn)算速度為每秒最大4（mips是普通51內(nèi)核單片機(jī)的幾十倍，足以滿足復(fù)雜高速信號(hào)處理的要求。芯片上集成有flash、sram存儲(chǔ)器、多通道ad轉(zhuǎn)換器、scispi控制器等常用外設(shè)硬件，不但降低了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，還使電路具有良好的電磁兼容特性。pwm控制單元可以實(shí)現(xiàn)spwm、svpwm等驅(qū)動(dòng)波形，滿足各種應(yīng)用要求。pdpnt引腳可以監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊返回的故障信號(hào)，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)功能，提高了伺服系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。在芯片的周圍設(shè)計(jì)好時(shí)鐘電路、電源復(fù)位電路就可以組成最小的dsp系統(tǒng)。
伺服系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)保存在eeprom中，可以實(shí)時(shí)通過程序修改，并不受掉電狀態(tài)的影響。光電隔離電路選用高速光耦做為隔離器件，讓快速驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸時(shí)不發(fā)生失真，還能在電氣上隔離控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊，保護(hù)控制模塊不受驅(qū)動(dòng)模塊干擾、正常工作。伺服模塊和上位pc機(jī)之間只需要低速率數(shù)據(jù)的雙工通信，采取rs232串行通信方式，具有簡(jiǎn)單方便的特點(diǎn)。
32位置信號(hào)檢測(cè)電路為位置信號(hào)檢測(cè)電路的硬件原理框圖。
位置信號(hào)檢測(cè)電路硬件原理框圖位置信號(hào)檢測(cè)電路產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器需要的激磁信號(hào)。本系統(tǒng)中激磁信號(hào)為頻率6khz、峰峰值10v正弦波發(fā)生器的功能。它產(chǎn)生穩(wěn)定的6khz正弦波信號(hào)，經(jīng)過opa547f高穩(wěn)定運(yùn)算放大器電路放大，得到激磁信號(hào)。
位置信號(hào)檢測(cè)的核心芯片是ad公司的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片ad2s83它可根據(jù)同頻率激磁、響應(yīng)信號(hào)之間的幅度關(guān)系，通過計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)變壓器的絕對(duì)位置信息，并輸出為數(shù)字量。它的轉(zhuǎn)換速度很快，測(cè)量一次位置信號(hào)所需的時(shí)間不到ws而實(shí)際使用時(shí)2ms才測(cè)量一次位置信號(hào)，因此具有很強(qiáng)的升級(jí)潛力。其數(shù)據(jù)接口db1~db16能并行輸出四種精度格式的位置信號(hào)，可跟據(jù)實(shí)際需要選擇不同精度。可編程邏輯器件gal16v8d實(shí)現(xiàn)對(duì)ad2s83芯片不同工作方式的選擇。
ad2s83和dsp的i/o接口分別為5v、33v的cmos電平格式，不能直接連接。用電平轉(zhuǎn)換芯片~5v電平轉(zhuǎn)換電路，分別連接dsp和ad2s83每次讀取位置信號(hào)，dsp會(huì)發(fā)出鎖存和位選指令，分別控制ad2s83的inhibitbytese lect端口，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和接收位置信號(hào)的功能。
33電流檢測(cè)電路電流檢測(cè)電路硬件原理框圖如所示。
電流檢測(cè)電路使用lem公司的電流傳感器，lem電流傳感器的電流檢測(cè)準(zhǔn)確度和輸出電流分辨率很高，并幾乎不受后級(jí)電路匹配電阻大小的影響。后級(jí)的運(yùn)算放大電路完成電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，輸出給dsp的ad采樣端口0v~33v內(nèi)的電壓信號(hào)。調(diào)整r1、r2r3的阻值可以改變電流信號(hào)和電壓信號(hào)的線性關(guān)系，從而檢測(cè)不同范圍的電流值。r4c1為低通濾波網(wǎng)絡(luò)，完成平穩(wěn)輸入信號(hào)和匹配輸入的功能。二極管電路保護(hù)dsp的a/d采樣端口，防止過、欠電壓信號(hào)損壞dsp器件。
4伺服控制模塊軟件設(shè)計(jì)伺服控制模塊的軟件功能是通過dsp芯片獨(dú)立完成的。dsp程序用c、匯編語言混合編寫，包括主程序和中斷處理程序兩部份。
主程序完成的功能主要有初始化時(shí)鐘、看門狗、的正弦波信號(hào)。i訟司的洲8芯片可以產(chǎn)中斷寄存器'事件管理器和配置串口通信、采樣、eeprom等外設(shè)電路。初始化完成后，打開總中斷，并進(jìn)入發(fā)送串口數(shù)據(jù)的查詢等待程序。
中斷程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)pid控制算法和產(chǎn)生spwm驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功能。
轉(zhuǎn)速、電流環(huán)使用增量式的pd控制方法，并力口入變化幅度的限制。它和位置式pid算法相比的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小、伺服系統(tǒng)的安全性好。調(diào)試好的pid參數(shù)存儲(chǔ)在eeprom存儲(chǔ)器中，可以在程序運(yùn)行的時(shí)候加載和修改，斷電后也不會(huì)丟失。電流環(huán)程序的執(zhí)行頻率和驅(qū)動(dòng)模塊的開關(guān)頻率一致，而速度環(huán)周期比電流環(huán)的周期長(zhǎng)，一般為電流環(huán)周期的整數(shù)倍。本系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)模塊的開關(guān)頻率為5khz即電流環(huán)周期應(yīng)該為200s用dsp的定時(shí)器1設(shè)定下溢中斷，定時(shí)200s每次中斷執(zhí)行一次電流環(huán)程序。通過軟件計(jì)數(shù)器判斷執(zhí)行速度環(huán)程序，每2ms執(zhí)行一次。
產(chǎn)生spwm波形需要知道調(diào)制度m和角度0，調(diào)制度m通過速度環(huán)程序算出，角度0通過讀位置信號(hào)程序得到。另外查存儲(chǔ)在flash存儲(chǔ)器的正弦數(shù)據(jù)表程序完成求sin0值的運(yùn)算。在中斷程序的最后，輸出spwm驅(qū)動(dòng)波形，并正常退出。
除上述程序外，中斷程序里還包括的基本程序有讀ad單元電流值程序、讀ad2s83位置信號(hào)程序、電流濾波程序、上位機(jī)通信程序等。
5實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)的電機(jī)為科爾摩根公司的goldenline系列電機(jī)，型號(hào)為m-805-c.電機(jī)的額定功率為157娜，額定轉(zhuǎn)速為3000rpm，額定電流為70a額定電壓為230v，電機(jī)定子電阻為0 058u定子電感為32mh，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0 06kgm2.實(shí)驗(yàn)的智能功率模塊的開關(guān)頻率為5khz位置檢測(cè)電路的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度為14位，速度環(huán)周期為2ms電流環(huán)周期為2（0fs死區(qū)時(shí)間為在實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)分別調(diào)試。在進(jìn)行電流環(huán)的pd參數(shù)調(diào)試時(shí)，為了防止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)影響觀察電流波形，要固定住電機(jī)的轉(zhuǎn)子。用軟件給出一個(gè)電流值指令，用示波器檢測(cè)反饋回的電流波形。反復(fù)調(diào)整參數(shù)，讓電流環(huán)的上升時(shí)間、超調(diào)量、誤差帶、調(diào)節(jié)時(shí)間等指標(biāo)變得理想。接著調(diào)整速度環(huán)pid參數(shù)，用上位機(jī)觀測(cè)電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，讓電機(jī)的速度響應(yīng)曲線指標(biāo)變得理想。
調(diào)整好的電流環(huán)指標(biāo)為：上升時(shí)間4ms超調(diào)量24%、穩(wěn)定誤差<±6%、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間2ms動(dòng)態(tài)降落10%.電機(jī)從靜止到給定轉(zhuǎn)速啟動(dòng)過程的速度響應(yīng)指標(biāo)：上升時(shí)間約為120ms超調(diào)量為18%，穩(wěn)態(tài)速度誤差小于1%. 6結(jié)束語基于ad2s83芯片的位置檢測(cè)電路和高性能dsp控制芯片實(shí)現(xiàn)的伺服控制模塊，可以方便的與裝有旋轉(zhuǎn)變壓器的永磁同步電機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊組成永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，并具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性、良好的速度控制特性。要提高系統(tǒng)性能，只需選擇更高開關(guān)頻率的驅(qū)動(dòng)模塊、適當(dāng)降低死區(qū)時(shí)間、把位置檢測(cè)電路的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度提高到16位、再把dsp軟件做相應(yīng)的修改即可，無需重新設(shè)計(jì)伺服控制電路，因此具有靈活的可升級(jí)性。綜上所述，這種伺服控制模塊將會(huì)有廣泛的應(yīng)用前景。
：洪玉蓮
：18918933859
：上海金橋高中壓閥門廠有限公司
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