摘 要： 永磁交流伺服系統(tǒng)以其卓越的性能越來越廣泛地應(yīng)用到機(jī)器人、數(shù)控等領(lǐng)域，本文對其驅(qū)動器的功能實(shí)現(xiàn)做了簡單的描述，其中包括整流部分的整流過程、逆變部分的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的實(shí)現(xiàn)、控制單元相應(yīng)的算法等三個(gè)部分。
關(guān)鍵詞： DSP 整流 逆變 PWM 矢量控制
1 引言
隨著現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、永磁材料技術(shù)、交流可調(diào)速技術(shù)及控制技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，使得永磁交流伺服技術(shù)有著長足的發(fā)展。永磁交流伺服系統(tǒng)的性能日漸提高，價(jià)格趨于合理，使得永磁交流伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)尤其是在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動領(lǐng)域成了現(xiàn)代電伺服驅(qū)動系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢。永磁交流伺服系統(tǒng)具有以下等優(yōu)點(diǎn)：（1）電動機(jī)無電刷和換向器，工作可靠，維護(hù)和保養(yǎng)簡單；（2）定子繞組散熱快；(3)慣量小，易提高系統(tǒng)的快速性；（4）適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)；（5）相同功率下，體積和重量較小，廣泛的應(yīng)用于機(jī)床、機(jī)械設(shè)備、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、印刷設(shè)備、裝配機(jī)器人、加工機(jī)械、高速卷繞機(jī)、紡織機(jī)械等場合，滿足了傳動領(lǐng)域的發(fā)展需求。
永磁交流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器經(jīng)歷了模擬式、模式混合式的發(fā)展后，目前已經(jīng)進(jìn)入了全數(shù)字的時(shí)代。全數(shù)字伺服驅(qū)動器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等確定，還充分發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢和控制方法的靈活，使伺服驅(qū)動器不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且性能更加的可靠。現(xiàn)在，高性能的伺服系統(tǒng)，大多數(shù)采用永磁交流伺服系統(tǒng)其中包括永磁同步交流伺服電動機(jī)和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動器兩部分。伺服驅(qū)動器有兩部分組成：驅(qū)動器硬件和控制算法。控制算法是決定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國外交流伺服技術(shù)封鎖的主要部分，也是在技術(shù)壟斷的核心。
2 交流永磁伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
交流永磁同步伺服驅(qū)動器主要有伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、通訊接口單元、伺服電動機(jī)及相應(yīng)的反饋檢測器件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等。我們的交流永磁同步驅(qū)動器其集先進(jìn)的控制技術(shù)和控制策略為一體，使其非常適用于高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動領(lǐng)域，還體現(xiàn)了強(qiáng)大的智能化、柔性化是傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)所不可比擬的。
目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制核心，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項(xiàng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能
功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路,同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護(hù)電路,在主回路中還加入軟啟動電路,以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。
圖1 交流永磁同步伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)
伺服驅(qū)動器大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的功率板和控制板兩個(gè)模塊。如圖2所示功率板（驅(qū)動板）是強(qiáng)電部，分其中包括兩個(gè)單元，一是功率驅(qū)動單元IPM用于電機(jī)的驅(qū)動，二是開關(guān)電源單元為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源。
控制板是弱電部分，是電機(jī)的控制核心也是伺服驅(qū)動器技術(shù)核心控制算法的運(yùn)行載體。控制板通過相應(yīng)的算法輸出PWM信號，作為驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，來改逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制三相永磁式同步交流伺服電機(jī)的目的。
圖2 功率板
3 功率驅(qū)動單元
功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動單元的整個(gè)過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?
逆變部分（DC-AC）采用采用的功率器件集驅(qū)動電路，保護(hù)電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊(IPM)，主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是采用了三相橋式電路原理圖見圖3，利用了脈寬調(diào)制技術(shù)即PWM(Pulse Width Modulation)通過改變功率晶體管交替導(dǎo)通的時(shí)間來改變逆變器輸出波形的頻率,改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時(shí)間比,也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓副值的大小以達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。
圖3 三相逆變電路
圖3中 VT1～VT6 是六個(gè)功率開關(guān)管，s1、s2、s3分別代表3個(gè)橋臂。對各橋臂的開關(guān)狀態(tài)做以下規(guī)定：當(dāng)上橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時(shí)（此時(shí)下橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài)），開關(guān)狀態(tài)為1；當(dāng)下橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時(shí)（此時(shí)下橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài)），開關(guān)狀態(tài)為0。三個(gè)橋臂只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，因此s1、s2、s3 形成000、001、010、011、100、101、111共八種開關(guān)管模式，其中000和111開關(guān)模式使逆變輸出電壓為零，所以稱這種開關(guān)模式為零狀態(tài)。輸出的線電壓為Uab、Ubc、Uca，相電壓為Ua、Ub、Uc，其中Udc為直流電源電壓（總線電壓），根據(jù)以上分析可得到表1的總結(jié)。
表1三相逆變電路分析
4 控制單元
控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。所采用的數(shù)字信號處理器(DSP)除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機(jī)控制的專用集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時(shí)計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序存儲器等。伺服驅(qū)動器通過采用磁場定向的控制原理( FOC) 和坐標(biāo)變換,實(shí)現(xiàn)矢量控制(VC) ,同時(shí)結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)控制模式對電機(jī)進(jìn)行控制 。永磁同步電動機(jī)的矢量控制一般通過檢測或估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與
直流電機(jī)的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置相同，這樣通過檢測轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置就可以得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁通位置，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制比起異步電機(jī)的矢量控制有所簡化。
伺服驅(qū)動器控制交流永磁伺服電機(jī)( PMSM)伺服驅(qū)動器在控制交流永磁伺服電機(jī)時(shí),可分別工作在電流(轉(zhuǎn)矩) 、速度、位置控制方式下。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示由于交流永磁伺服電機(jī)(PMSM) 采用的是永久磁鐵勵磁,其磁場可以視為是恒定;同時(shí)交流永磁伺服電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速,即其轉(zhuǎn)差為零。這些條件使得
交流伺服驅(qū)動器在驅(qū)動交流永磁伺服電機(jī)時(shí)的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度得以大大的降低。從圖4可以看出,系統(tǒng)是基于測量電機(jī)的兩相電流反饋(Ia、Ib) 和電機(jī)位置。將測得的相電流(Ia、Ib) 結(jié)合位置信息,經(jīng)坐標(biāo)變化(從a ,b ,c 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子d ,q 坐標(biāo)系) ,得到Id、Iq分量,分別進(jìn)入各自得電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過反向坐標(biāo)變化(從d ,q 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a ,b ,c 坐標(biāo)系) ,得到三相電壓指令。控制芯片通過這三相電壓指令,經(jīng)過反向、延時(shí)后,得到6 路PWM 波輸出到功率器件,控制電機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)在不同指令輸入方式下,指令和反饋通過相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)器,得到下一級的參考指令。在電流環(huán)中,d ,q 軸的轉(zhuǎn)矩電流分量(Iq)是速度控制調(diào)節(jié)器的輸出或外部給定。而一般情況下,磁通分量為零(Id = 0) ，但是當(dāng)速度大于限定值時(shí),可以通過弱磁(Id < 0) ,得到更高的速度值。
圖4 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)
從a，b，c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到d，q坐標(biāo)系有克拉克（CLARKE）和帕克（PARK）變換來是實(shí)現(xiàn)；從d，q坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a，b，c坐標(biāo)系是有克拉克和帕克的逆變換來是實(shí)現(xiàn)的。以下是兩個(gè)變換公式，克拉克變換（CLARKE）：
帕克(PARK)變換：
5 結(jié)束語
本文簡單的介紹了伺服驅(qū)動器的幾個(gè)主要的功能模塊的實(shí)現(xiàn)及原理，謹(jǐn)幫助大家對伺服驅(qū)動器有進(jìn)一步了解之用，大家如果想更深入的了解伺服驅(qū)動器的設(shè)計(jì)原理，請參考其它的文獻(xiàn)。由于作者水平有限，不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。
