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基于直接转矩控制的交流伺服系统 |
| I．前言 交流伺服系统在机械制造、工业机械人、航空航天等领域获得了广泛的应用为使系统获得较好的动态和静态性能其控制对象大多采用了永磁同步电动机（PMSM）。直接转矩控制技术是继矢量变换控制之后 在交流调速领域里出现的一种新型变频调速技术，该技术摈弃了矢量控制中解耦的思想，将转子磁场定向更换为定子磁场定向，减弱了系统对电动机参数的依赖性不需要象矢量控制那样进行复杂的坐标变换， 使系统控制结构简单、转矩响应迅速、鲁棒性增强。本文所介绍的是一种采用直接转矩控制的高性能全数字化的交流伺服控制系统。 2．交流伺服系统的直接转矩控制原理在对永磁同步电动机的控制中，如果忽略电动机定子电阻 定转子磁链夹角为负载角，此时电动机的电磁转矩如下  在对永磁同步电动机进行直接转矩控制时，通常保持定子磁场幅  根据上述公式及文献参考得PMSM的直接转矩控制系统原理框图如图1。在圈1中，S 为位置结定信号，sT为位置调节器 考虑到控制对象数学模型的不确定性和多变性，sT采用模糊参数自校正控制器，ASR 为速度调节器（Pl调节器）．ATR、AFR分别对转矩信号i 和定子磁场信号 ．进行离散的两点式调节．得到控制信号r和q，再根据电动机气睬磁链位置查表确定电动机的定子电压矢量。本方案中，通过对定子电压、电流进行参数辩识运算得到电动机转矩反馈信号 和定子磁场反馈信号 。  3．系统的硬件电路设计  主要包括主电路、控制电路和保护电路三部分。 （1）主电路主电路选用SIEMES公司生产的智能功率模块P22X，该模块是高度集成化了的整流模块、逆变模块和各种传感器及驱动保护电路；其主要特性如下： ①推荐负载为l 47kW；②模块额定输入电压为230V （AC）；③ 典型开关频率为20kHz；④ 保护功能为欠压、过流与过热，故障时输出故障信号；⑤模块内集成了220～整流模块；@集戚了功率因数校正（PFC）电路；⑦ 模块内部上下桥臂的IGBT巳插人2“s的死区时间；⑧ 其他各种检覆f保护功能。 （2）控制电路为了实时地实现系统的直接转矩控制和完善的检覆、保护功能，本系统以80C196单片机为核心设计了控制电路，构成了功能齐全的实时控制系统。两单片机间通过双口RAM实现并行通信，控制电路中各主要部件完成如下任务： 1）1#单片机型号为INTEL80C196KC主要完成位置环控制和系统监测等任务，主要工作：接受串行121输︿的控制信号和光电编码器的电机位置信号；完成位置环的模糊自适应控制算法， 得到速度给定信号； 把速度给定信号通过双121RAM并行通信送到2#单片机；接受键盘输入信号并进行处理； 输出系统显示信号至显示器； 完成系统的故障检测。 2）2#单片机型号为INTEL80C196KC选用该型号主要是考虑其输出信号将控制逆变器，INTEL80C196MC是一种专门为电机控制设计的单片机，其内部有一个称为WG的PWM驱动信号发生器， 占用CPU 时间非常短， 由P6口直接输出6路SPWM信号，用于P22X的驱动，每十引脚驱动电流可达20mA，驱动频率也很高，死区时间可由程序设置，以防同一挢臂两IGBT直通。2#单片机主要完成以下工作｝从双121 RAM 接受速度给定信号；对电压电流信号进行AID转换；进行速度环、转矩环、磁通环运算：查电压开关矢量表由WG产生PWM驱动信号i完成过流、过压等故障检测及保护功能。 3）双口通信：双单片机间的数据并行通信采用双口RAM IDTT130，这是一种高速IK x 8K双口静态RAM，带片内总线仲裁电路，适用于双机之间大量数据的快速双向传递，IDTT130提供了两套各自独立的控制和地址总线，同时提供了BUSY和INT两种总线仲裁方式。MCS96系列芯片均有Ready管脚，将它与IDT7130的BUSY引脚相连，就可以实现延时，IDTTI30芯片内部的集成竞争逻辑基于访问信号先到者优先的原则，可以在左右 两个CPU访问端口同时进行地址访问或片选匹配时，将两端口访问慢的一方BUSY引脚电平下拉，使之写入操作无效．一旦另一方访问完毕，访问慢的一方BUSY线恢复上拉电平状态，即可继续访问双口RAM.  （3）保护功能与驱动电路 在智能功率模块P22X 中设置了灾压、过流及过热等故障信号，该信号通过光电隔离进到80C196MC 的EXTINT端，只要任何一项起保护作用，都将立即封锁WG波形发生器的输出，禁止三相PWM 渡产生，提高运行可靠性． 同时将故障“代码的形式存于EPROM中，井在显示器上显示故障，以备维修用。驱动电路采用专用集成芯片EXB840，它能够实现IGBT的最佳驱动；EXB840内部有过流检测及慢速过流切断等电路，当1GBT发生严重过流或上下桥臂直通时，其集电极电压升高，EXB840以不使1GBT损坏的较慢速度关斯1GBT，并向单片机请求中斯。 4．软件设计  计算，读写双121 RAM，电机模型参数辩识运算，运行速度环程序，运行ATR和AFR离散两点式控制算法，查电压矢量表控制WG输出PWM信号。另外发生故障时，由故障中断程序完成故障信号处理，记录故障类型，以供显示和查询，并将故障类型传送1#单片机。 5．绪论 |
（转子上永磁体产生的磁场）为恒定值，通过改变定子磁链的旋转速度和磁链夹角 来控制电磁转矩的变化，实现词速。在定子静止两相坐标系（a=3） 下永磁同步电动机定子磁链与电磁转矩的模型如下