交流伺服驅動優化體系設計

廣州數控設備有限公司 黃嘉麒 羅達智

伺服控制系統是指通過對驅動物體的位置、速度、力矩等要素的控制，使機械傳遞和機械聯軸器的速度之間保持相互匹配、各部分功能穩定的一整套系統。交流伺服系統基于其優越的性能，能夠保證系統在高速運轉的同時，維持其固有的穩定性，實時監控系統運轉狀況，改善運轉性能，已經越來越受如航空電子、雷達、工業生產設備、舵機等行業的喜愛。

一、交流伺服驅動優化系統操作規則及性能特征

交流伺服系統是指以交流伺服電機為執行元件構成的伺服系統，根據電機的類型可以分為永磁同步交流伺服系統和感應異步交流伺服系統。在特性和效率上，永磁同步交流伺服系統不僅保證了電機的低速運轉性能，而且可以實現弱磁高速控制，調速范圍廣、反應快、效率高。

永磁交流伺服系統中包含驅動、電機和一個傳感器。在系統運行過程中，驅動器將從上位機接收到的參數信息編碼后，以電流的方式控制伺服電機，伺服電機將電流轉換成扭矩輸出，同時帶動負載，根據負載情況及特性，實際運動狀態具有一定的反應速度和加速度。此時，需通過傳感器測量負載的運行狀態，并將負載運行的實際情況傳遞給驅動器，驅動器通過對比目標運行狀態和負載實際運行狀態的差異，調整輸出到電機的電流，修正差異，保證兩者的狀態值一致。整個過程中，系統都會有一系列的控制單元為保證系統的正常運行?，F如今有一個系統，要求采用永磁交流伺服驅動系統帶動恒定速度且具有大型負載的機器設備，該負載具有很大慣性。在運行過程中，驅動器將電流送到電機的時產生扭矩，電機轉動，由于連接電機和負載的傳動帶具有一定的彈性，一開始會變形拉長，負載不會馬上加速到和電機一樣的速度，這時，電機要克服更大的負載慣性，速度下降到負載速度。傳感器能檢測到這一差異，驅動器中的伺服控制單元就會相應的增加電流，繼而增大扭矩，提高轉速。伺服控制單元是永磁交流伺服系統驅動器的一個核心部分，掌管著整個系統的控制功能，主要分為對位置的控制、對速度的控制、對轉矩的控制和對電流的控制。控制器接受轉矩指令、速度指令、位置指令，通過PID等算法，計算出電流的大小及占空比，通過功率電路輸出給，電機，并在運行中不斷調整，保證電機在一個穩定的速度運行，定位準確，系統控制圖見圖1。

由于永磁交流驅動系統的速度精度取決于傳感器的采樣速度和系統的反映速度，而與負載電機沒有關系。整個系統運行過程中，必須保證系統的反映速度和機械傳遞時間相互匹配，才能確保系統的穩定運行。交流伺服驅動系統中，位置、速度、扭矩以及電力驅動裝置等參數的設置對負載運轉的穩定性、負載波動、速度之間連接的時間協調性起到關鍵的作用。交流伺服驅動系統的整個運行過程是一個閉環的過程，需要在幾毫秒甚至是更短的時間內對傳感器傳遞過來的信息做出反應，而機械聯軸器的傳遞時間變成了關鍵因素。機械在轉動過程中出現的噪聲、過熱和磨損通常就是由于聯軸器傳遞時間不符合標準，導致了系統對傳感器的反應不夠靈敏，進而導致電機與負載之間連接不協調，產生碰撞。

圖1 系統控制圖

圖2 系統硬件總體框架

交流伺服系統的性能好不好，主要通過對調度范圍廣泛與否、定位是否精確、穩定速度的能力如何、運行是否能夠保持穩定等方面的考察來衡量。永磁交流伺服系統的調度范圍一般都在1:5000～1:10000，定位通常為±1個脈沖，穩速精度更是可以達到±0.001rpm以內，性能和效率方面十分優越。因此，永磁交流伺服驅動系統能夠提供高水平的動態響應和扭矩密度。

前期交流伺服驅動器采用的全模擬硬件電流，其有一個致命的缺陷——參數的一致性保持的不好，不具備靈活性。目前國內技術有所發展，利用微處理器和數字信號控制，克服了早期不靈活的缺陷，實現了系統的實時性、穩定性?，F在，交流伺服驅動系統的研究員學者們正在實現交流伺服系統高效率、永磁化、全數字化和軟件化、網絡化、以及高集成化，力圖讓系統提供的功能更加穩定、全面，信息共享性更好。

DSP（Digital Signal Processor數字信號處理器），其主要完成位置指令的接收、電機電流采樣、電機角度檢測、矢量控制算法、PWM信號輸出、數碼顯示的管理、參數設定及報警信號實時處理等。由于DSP具有對元件值的容限不敏感，受溫度、環境等外部參與影響小、容易實現集成、可以分時復用，共享處理器、方便調整處理器的系數實現自適應濾波等優點，在交流伺服電機控制中能夠發揮很大的作用。而隨著信息技術的快速發展，被控系統正在變得越來越復雜，因此人們也就對控制系統提出了更高的要求，尤其是渴望控制系統能夠應付極具不確定性的控制對象。相關控制算法的準確性以及快速性已經成為該領域研究的一大熱點問題。

二、交流伺服驅動優化體系的設計

1.硬件方面

系統硬件主要有電源、傳感器、數字控制器和檢測保護單元組成。系統電源給整個系統，包括驅動器、控制器供電?？刂齐娐愤\行后，將控制信號發送給驅動電路，驅動電路將信息轉換成扭矩后再傳遞到IPM模塊，IPM模塊經過一系列的處理后將處理結果傳遞給電機的同時也會將信息反饋給控制器，電機和編碼器連接在一起，對信息進行編碼，控制電路將搜集到的信息處理后從新發送指令，控制整個程序的正常運行。圖2是系統硬件系統的結構圖。

2.軟件方面

控制系統是整個系統的核心，是所有指令的集散地。交流伺服驅動系統控制單元包含邏輯功能處理模塊和NC指令模塊。邏輯處理模塊可以更加優化信息，做出更加合理化的指令程序，而NC指令模塊則將信息進行實時編碼。NC指令將電機參數根據控制對象的不同，納入其中，實時編譯，內置于伺服系統中的NC指令模塊更加優化了系統的硬件結構，保持了系統的周期性，是控制的精度大大提高。CPU在處理信息時，經搜集到的信息經邏輯處理模塊轉變成功能信息，形成各種目標參數，諸如速度參數、位置參數、扭矩參數等，邏輯處理模塊再將轉換后的信息傳遞給NC指令模塊，NC指令模塊編碼后就會將信息傳遞給伺服模塊，促使電機的運轉。保持每個模塊的同期控制，系統在實時性和穩定方面就會得到提高。內置式NC指令模塊，接到定時器中斷指令后，調速器會在相應的范圍內做出判斷（Z∈[Z1，ZM]），如果滿足條件，就會做出三種加速曲線選擇，進入速度低通濾波LPF。如果不符合目標速度（NC-Vel=0），則直接進入速度低通濾波LPF。電機接收到速度低通濾波LPF的信息后對其運行模式做出選擇，主要有三種選擇模式，自由運行模式、設定行程模式、自動設定行程模式，最終都會傳達到NC模式選擇，來設定采用電動機定位模式、調速器控制模式、恒定加速模式、目標速度跟蹤調速器模式中的哪一種。NC選定模式后，進入控制模塊，讀取各種控制參數，經過坐標變換，位置環、速度環、電流環的計算，再通過電流的PI調節，生成PWM信號，完成一整套的控制指令的轉換。整個控制系統的運轉周期為60微秒。

目前，眾多學者致力于自動化技術，將其引入伺服驅動系統中，其中的FPGA在電機行業中的發展迅速。基于FPGA的交流伺服驅動系統采用了CORDIC算法，具有高速和高解析度的功能，極大的滿足了系統實時性的需求。在電流采樣及其零點偏移校正中，FPGA能外接高精度AD芯片，在電流的測量方面，精度更加準確。電流采樣對電路中的各種干擾很敏感，容易產生漂移，降低電流采樣精度，FPGA通過算法有效地解決了這一缺陷。為滿足交流伺服驅動系統的通用型要求，FPGA采用脈沖個數/控制周期來表示，擴大了數值之間的差異，使得調速范圍擴大，確保速度的控制精度。在速度檢測方面，FPGA還應用了M/T法，兼顧高速脈沖頻率和低速測量精度。

綜上所述，永磁交流伺服驅動系統具有高水平的動態響應和扭矩密度，，勢必會取代拖拉系統中傳統的液壓、直流、AC調速驅動。只有認識到交流伺服驅動系統的特性，設計原理，才能找出系統中存在的缺陷，對系統進行優化、改善，促進交流伺服驅動系統的發展，實現其高效率化、軟件化、網絡化?；贔PGA的交流伺服驅動系統還有眾多的優點有待發掘，希望該技術在該領域能有進一步的發展。

[1]劉吉柱,郝雙暉,鄭偉峰,宋寶玉,郝明暉.交流伺服系統及其運動控制[J].機床與液壓,2010(05).

[2]劉亞靜,王治國,楊貴杰,李鐵才.基于FPGA的交流伺服驅動系統的設計與實現[J].微電機,2011(02).

[3]夏羅生,朱樹紅.西門子交流伺服驅動器的調試與優化[J].機床電器,2011(05).