1. 引言
三相永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)是具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、損耗小、可靠性高、輸出轉(zhuǎn)矩大、功率因數(shù)高等優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應用。采用高速微控制器和數(shù)字信號處理器的數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)在機器人、數(shù)控機床、紡織等控制領(lǐng)域廣泛使用。矢量控制通過編碼器獲得轉(zhuǎn)子位置后就能方便地實現(xiàn)基于轉(zhuǎn)子磁鏈解耦的控制，達到等同于直流伺服系統(tǒng)的控制精度。采用矢量控制的PMSM數(shù)字控制系統(tǒng)一般為電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)組成的串級控制系統(tǒng)，處在內(nèi)環(huán)的電流環(huán)和速度環(huán)，其性能直接關(guān)系到整個伺服系統(tǒng)能否滿足高速高精度的運動控制要求。隨著市場需求的增加，開發(fā)具有結(jié)構(gòu)緊湊、高性能和低成本的伺服系統(tǒng)具有廣闊的市場前景。
2. PMSM數(shù)學模型及矢量控制
對于永磁同步電機，其定子與普通電勵磁同步電機一樣具有三相對稱繞組，不同的是其轉(zhuǎn)子上裝有永久磁鋼，沿用理想電動機模型的一系列假設(shè)，經(jīng)過一系列推導可以得到PMSM在同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標系統(tǒng)中的數(shù)學模型。
根據(jù)坐標變換理論，在按轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn) 直角坐標系統(tǒng)中，永磁同步電機的基本方程列寫如下：
2. 伺服驅(qū)動器硬件設(shè)計
驅(qū)動器硬件部分由控制電路和功率電路兩部分組成?？刂齐娐分饕–MC+FPGA，CMC芯片是一款由浙江大學和浙江中控研究院有限公司自主研發(fā)的芯片，是將組態(tài)處理、程序存儲、信號輸入輸出、控制算法、通訊接口等全部集成在一個芯片中的產(chǎn)品。主電路主要包括整流電路、濾波電路和以智能功率模塊(IPM)為核心的逆變電路。功率驅(qū)動單元采用以智能功率模塊IPM為核心設(shè)計的驅(qū)動芯片，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時具有過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護電路，當系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能及時進行自我保護，提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)電源輸入為三相220V。總體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
3. 伺服驅(qū)動器軟件設(shè)計
按照結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，將系統(tǒng)軟件劃分為主程序模塊和矢量控制程序模塊兩大部分，以利于軟件設(shè)計、調(diào)試、修改和維護。矢量控制軟件設(shè)計采用典型的前后臺模式，以主程序作為后臺任務，中斷服務程序作為前臺任務。根據(jù)矢量控制算法的特點，中斷服務程序只處理實時性高的控制子程序，包括PWM中斷，功率模塊保護中斷和編碼器零脈沖捕獲中斷。后臺任務包括系統(tǒng)的參數(shù)保存、鍵盤處理和顯示等一系列實時性不高的任務。
主程序是軟件的主體框架。其工作過程是：系統(tǒng)上電復位后，依次對片內(nèi)外設(shè)進行初始化、從EEPROM中讀出控制參數(shù)、數(shù)碼管顯示初始信息。初始化完成后，主程序循環(huán)執(zhí)行LED顯示、鍵盤處理和參數(shù)計算與保存。
PWM中斷程序是整個伺服控制程序的核心，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極位置精定位，SVPWM控制信號的生成以及速度環(huán)和電流環(huán)控制，在PWM中斷到來時，首先讀取編碼信號，進行角度和速度計算，接著進行電流采樣并執(zhí)行clark和park變換，然后進行PI調(diào)節(jié)、反park變換，最后進入空間矢量模塊，產(chǎn)生SVPWM信號。功率模塊保護中斷用于監(jiān)視IPM故障信號，一旦檢測到報警信號，立即關(guān)斷PWM信號。編碼器零脈沖捕獲中斷程序通過對光電編碼器零脈沖的捕獲，完成電機轉(zhuǎn)子的精確定位。
4. 實驗結(jié)果及分析
本文設(shè)計了以CMC+FPGA為控制核心的全數(shù)字交流永磁同步伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)具有軟啟動、過流、過壓、欠壓、過熱、過速、位置超差、編碼器故障檢測以及IPM故障等保護功能。試驗電機主要參數(shù)為功率2kW，電機額定轉(zhuǎn)速3000r/min，實驗平臺如圖6所示，轉(zhuǎn)速與q軸電流波形如圖7所示。
5. 結(jié)語
本文提出的基于CMC和FPGA的伺服驅(qū)動系統(tǒng)方案，充分利用了CMC芯片的外設(shè)資源，功率電路使用IPM以簡化外圍電路，整個驅(qū)動器具有緊湊的結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果該系統(tǒng)具有較快的動態(tài)響應和較高的控制精度，同時具有很高的性價比。
參考文獻
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致謝
感謝基金項目：“基于CMC的裝備數(shù)控系統(tǒng)的研制與應用”國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃），課題編號：2012AA041706，對本文的支持。
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