基于DSP的一體化交流伺服系統研究和實現

李福瑞，胡琪波，李楊聲，劉 佳，汪東政

(湖北三江航天紅峰控制有限公司，湖北 孝感 432000)

基于DSP的一體化交流伺服系統研究和實現

李福瑞，胡琪波，李楊聲，劉 佳，汪東政

(湖北三江航天紅峰控制有限公司，湖北 孝感 432000)

針對當前伺服系統采用的角度傳感器進行AD采樣和換算后得到電機速度，無法很好滿足速度實時性要求.同時位置反饋元件線性度低、反饋信號易受干擾，因此導致伺服系統穩定性很難保證。結合目前伺服系統存在速度閉環差、結構轉換效率低、抗干擾能力弱等問題，提出一種伺服電機與減速機構、旋轉變壓器一體化設計的方案。通過試驗證明，該伺服系統具有控制精度高(最高可達16bit精度)、抗干擾能力強等特點，符合未來電動伺服系統發展的研究方向。

伺服系統;抗干擾;高精度

0 引言

隨著各學科專業技術的進步與發展，國內外在高性能伺服電機技術、各種減速傳動機構及伺服控制和驅動技術等方面的研究和應用已經較為成熟，同時各種先進的電機、機械、控制、電氣等方面的設計和仿真軟件也在相關技術開發過程中起到越來越重要的作用，特別是集成各學科的綜合研發平臺也正在航空航天、國防等領域得到深入的研究和應用。因此，在基于各專業技術不斷發展的基礎上，各種新型一體化伺服控制系統的開發得以更好的實現，并得到了更好的發展。

隨著社會生產力的不斷發展和科學技術水平的不斷提高，伺服系統逐步向長壽命、高效率、免維護、機電一體化設計方向發展，應用領域不斷拓展，使交流永磁無刷伺服系統成為主要發展趨勢，其優點如下：

1)電機：交流伺服技術和稀土永磁電機制造技術的高速發展，使得伺服技術進入了交流化時代，各種類型的交流伺服系統相繼被開發出來，促進了交流伺服系統的應用。同時，先進的控制理論和控制算法及高度集成化的模塊為交流電機的進一步發展開拓了交流伺服系統廣闊的發展前景。交流電機與直流電機相比具有以下優點：一是可靠性高；二是環境適應性強；三是功率體積比高。

2)減速機構：諧波傳動、滾珠絲杠副等減速器的廣泛應用，使伺服系統的實現具有更大的靈活性。由于滾珠絲杠副具有效率高、承載能力強、剛度高、使用壽命長等特點，其在大減速比、大載荷環境和高剛度要求條件下得到了更為廣泛的應用。

3)伺服系統總體設計技術：以整體的概念組織應用各種相關技術，從全局角度和系統目標出發，將總體分解成相互有機聯系的若干功能單元，找出能完成各個功能的技術方案，再將各個功能與技術方案組合成方案組進行分析、評價、優選的綜合應用技術，它包括機電一體化機械的優化設計、CAD/CAM等技術，機電一體化也將成為伺服系統的一個重要發展方向。

綜上所述，可以看出伺服控制系統的發展可以歸納為三個方面：性能上，向高精度、高效率、高可靠性、高適應性方向發展；功能上，向小型化、輕型化、一體化、多功能等方向發展；控制方式上，實現全數字化、智能化、綜合化是伺服系統發展的總趨勢。

1 工作原理

一體化交流伺服控制系統采用交流同步電機直接驅動滾珠絲杠副傳動裝置，利用旋轉變壓器反饋位置信號的實現方案，系統構成如圖1所示。

圖1 一體化交流伺服控制系統框圖Fig.1 Integrated system of AC servo control block figure

一體化交流伺服控制系統工作原理：系統根據設定的控制規律，通過給定的位置信號和伺服機構反饋信號比較后形成位置環，產生位置偏差信號，與無接觸旋轉變壓器輸出的速度信號綜合后形成速度環，得到速度偏差信號，和電機電樞電流綜合形成電流環，得到電流偏差信號，產生控制功率管開關信號，通過驅動放大電路后驅動交流同步電機旋轉，直接帶動滾珠絲杠副轉動，利用滾珠絲杠副運動轉化的多樣性，將電機的回轉運動轉化為絲杠的直線運動，輸出直線位移，同時通過計算旋轉變壓器數字量得到伺服機構的位置信號，最終實現三閉環控制系統。

2 軟硬件設計

2.1 伺服機構設計

一體化交流伺服控制系統的機構設計主要在于有效地將傳統伺服機構的電機、傳動機構和傳感器等部件進行集成，使伺服機構的結構更加緊湊。在該伺服控制系統中通過采用交流同步電機直接驅動滾珠絲杠副傳動裝置的實現方案，將滾珠絲杠副和傳感器集成到交流電機內部，從而達到一體化設計的目的。

一體化交流伺服機構主要由電機本體、滾珠絲杠副、位置反饋元件等組成，其中滾珠絲桿副與電機轉子通過定位銷同軸安裝，旋轉變壓器安裝于電機尾端，反饋轉子位置信號。與傳統伺服機構相比，在輸出功率一定的情況下，有效地將傳統伺服機構的電機、傳動機構和傳感器等部件進行集成，使伺服機構結構更加緊湊，采用該設計思路大大減少了機構的體積，同時一體化伺服機構設計采用滾珠絲杠與電機一體化設計，實現電機輸出轉速及力矩對舵面進行直接輸出控制，避免了減速機構帶來的能量損失及傳動間隙對控制系統造成的影響，因此采用絲杠直驅方式能夠提高整個伺服機構的剛度。

一體化交流伺服控制系統的伺服機構主要由電機和傳動機構兩大部分組成。其中電機采用交流同步電機實現，傳動機構采用滾珠絲杠副作為傳動部件，如圖2所示。

圖2 一體化伺服機構結構圖Fig.2 The mechanism of integrated servo structure figure

2.2 驅動器設計

功率放大器主要由伺服控制和伺服驅動兩部分功能模塊組成。其中，伺服控制部分由數字信號處理(DSP)電路+CPLD、A/D轉換電路、旋轉變壓器信號調理電路、總線接口電路、二次電源電路等組成；伺服驅動部分由隔離驅動電路、三相功率橋放大電路、電流采樣電路和保護電路等組成。該部分設計關鍵在于AD2S1210解碼控制時序的實現方案。

AD2S1210是一款旋變數字轉換芯片，可以由軟件靈活配置數據輸出分辨率、激勵信號振蕩頻率、數據讀取方式(串口或并口)、速度和角度讀取選取等，本文采用CPLD對AD2S1210進行軟件配置， CPLD控制AD2S1210實現了交流同步電機轉子旋轉位置和速度信息的切換和讀取，為電機控制提供了高精度的位置和速度反饋數據。 CPLD控制AD2S1210讀取轉子位置和速度信息流程如圖 3所示。

圖3 CPLD控制AD2S1210讀取轉子位置和速度信息流程圖Fig.3 Read rotor position and speed information by CPLD control AD2S1210 flow chart

2.3 軟件設計

控制軟件主要功能為完成數據、變量和中斷的初始化，然后進入循環程序。該程序根據讀取的轉子磁場位置、相電流及速度信號，生成SVPWM控制信號。軟件控制流程如圖4所示。

圖4 SVPWM控制流程圖Fig.4 SVPWM control flow diagram

3 SVPWM算法設計與仿真

其SVPWM控制策略技術難點主要在于扇區號確定、電角度以及開關時間計算。首先通過確定Uref所在的區間，通過相關運算得到扇區號。6個基本電壓空間矢量組成6個扇區，確定參考電壓空間矢量所在的區間才能知道用哪2個相鄰基本電壓空間矢量合成Uref，如圖5所示。

圖5 電壓空間矢量的線性組合Fig.5 A linear combination of the voltage space vector

將基于定子繞組的三相坐標系(ABC)轉換成直角坐標系(αβ坐標系)，坐標變換矩陣為

(1)

先用式(2)計算出輔助變量B0，B1，B2：

(2)

再用式(3)計算S值

S=4sign(B2)+2sign(B1)+sign(B0)

(3)

式中，sign(x)為符號函數，當x>0時，sign(x)=1；如果x≤0，sign(x)=0，然后根據S值查表1可確定扇區號。

表1 S值與扇區對應關系Tab.1 The relationship between S_value and the sector

由圖5得知

(4)

再根據正弦定理：

(5)

(6)

由式(5)和式(6)解得：

(7)

(8)

當逆變電路單獨輸出零矢量0000和0111時，電動機的定子磁鏈矢量是不動的，根據這個特點，在T期間插入零矢量作用時間t0, 從而達到調整角頻率ω，以達到變頻的目的。根據零矢量的分割方法可以產生多種SVPWM波形，目前最常用的是七段式SVPWM方法。

T=t0+t1+t2

Txon是根據電壓矢量所在的扇區來確定的，由以上內容可以得出各扇區開關切換時間如表2所示。

表2 開關切換時間表Tab.2 Switching schedule

根據以上設計分析，SVPWM控制框圖如圖6所示，該程序根據讀取的轉子磁場位置、相電流及速度信號，生成SVPWM控制信號。

圖6 SVPWM控制框圖Fig.6 SVPWM control block diagram

在控制信號幅值為2°條件下對系統進行階躍響應仿真，結果如圖7所示，從仿真結果可以看出，系統的調整時間約為45ms，超調量約為3.5%。

圖7 2°階躍信號響應曲線Fig.7 2°step response graph

4 試驗驗證情況

主要對該伺服系統進行的測試項目如下：

1)時域特性測試；

2)頻率特性測試；

3)死區測試。

4.1 時域特性測試

額定負載力矩條件下，給伺服機構施加幅值為1°的階躍信號，進行時域特性測試，其測試結果如圖8所示。

圖8 1°階躍信號響應曲線Fig.8 1°step response graph

4.2 頻率特性測試

最大負載力矩條件下，給系統施加幅值為0.8°、不同頻率的正弦激勵信號，伺服系統頻率單點測試波形見圖9～圖12所示。

圖9 1Hz頻率特性測試Fig.9 1Hz frequency characteristic

圖11 3Hz頻率特性測試Fig.11 3Hz frequency characteristic

圖12 4Hz頻率特性測試Fig.12 4Hz frequency characteristic

4.3 死區測試

為了測試產品的死區，給伺服機構施加階躍信號幅值為0.02°，其響應曲線如圖13所示。

圖13 死區響應曲線Fig.13 Dead zone response graph

4.4 驗證小結

通過對一體化交流伺服系統分別施加以上三種信號進行測試，測試結果表明，該系統具有良好的跟隨能力、控制精度及抗干擾能力。

5 結論

通過以上分析和論述，解決軟硬件設計中存在的難點問題，完成了一體化交流伺服系統設計方案，并對該方案進行了試驗驗證，證明該伺服系統具有較好的跟隨能力、抗干擾能力且精度高。同時該方案設計的伺服系統具有傳動效率高、低速控制性能好等特點，因此，全數字化伺服系統將成為未來伺服系統發展的一個重要方向。

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Research and Implementation of Integrated AC Servo System Based on DSP

LI Fu-rui, HU Qi-bo, LI Yang-sheng, LIU Jia, WANG Dong-zheng

(Hubei Sanjiang Space Hongfeng Control Co.,Ltd.,Xiaogan,Hubei 432000，China)

The current servo system, which obtains motor speed by using the AD sampling of angle sensor, cannot meet the requirements of speed real-time. And as the linearity of the position feedback element is low and the feedback signal is vulnerable to interference, it is difficult to ensure the stability of the servo system. To solve the problems of current servo system in its speed closed-loop, structural conversion efficiency, anti-interference ability, etc., an integrated design method of servo motor, reducing mechanism and rotary transformer is presented. The experiment shows that the servo control system presented has advantages of high precision (up to 16bit), strong anti-interference capacity and so on, and the method meets the requirements of deelopment of the future electric servo system.

Servo system; Anti-jamming; High-precision

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.03.006

2016-07-19；

2016-08-24

李福瑞(1983-)，男，工程師，主要從事伺服機構研究。E-mail：lifurui2008@163.com

TP275

A

2095-8110(2017)03-0032-07