數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）技術(shù)的發(fā)展，使伺服驅(qū)動(dòng)變得越來(lái)越智能化?，F(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展也使基于分布式控制結(jié)構(gòu)的控制設(shè)計(jì)更加靈活并且模塊化。它節(jié)約了繞組成本并能簡(jiǎn)化機(jī)器構(gòu)造。智能cd1p伺服驅(qū)動(dòng)是一個(gè)獨(dú)立信號(hào)的軸控制器，如圖1包括:控制序列程序，軌跡計(jì)算器，位置、速度和電流伺服環(huán)，還有在同一個(gè)設(shè)備中的變壓器。 [align=center] 圖1　分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)智能伺服驅(qū)動(dòng)[/align] 在主機(jī)控制和每一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)之間的信息傳輸都是基于profibus dp的標(biāo)準(zhǔn)。用高復(fù)用性的模塊化的方式可以方便建立復(fù)雜的多軸控制的應(yīng)用。使用了總線設(shè)備，控制系統(tǒng)就可以方便的為新產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)重設(shè)，而不需要對(duì)硬件做任何的更改。通過(guò)增加或者刪除控制元件（伺服驅(qū)動(dòng)，i/o模塊等）來(lái)編輯這個(gè)進(jìn)程，而不需要對(duì)主要控制系統(tǒng)進(jìn)行編輯和改動(dòng)。這個(gè)方案的靈活性有助于在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程的長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)中生存:方便的在對(duì)產(chǎn)品縮減和技術(shù)生命周期的反饋中編輯改良機(jī)器。同時(shí)，數(shù)字化電流、速度和位置伺服環(huán)都包含在伺服驅(qū)動(dòng)中，也改進(jìn)了伺服性能。 伺服控制器設(shè)計(jì) 　　 串級(jí)控制結(jié)構(gòu)非常適合高性能的伺服驅(qū)動(dòng)。其內(nèi)部電流控制環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)力矩，還影響外部速度和位置控制環(huán)的動(dòng)態(tài)性能。 電流控制設(shè)計(jì) 　　 無(wú)刷伺服驅(qū)動(dòng)由一個(gè)在軸上安裝了位置感應(yīng)器的永磁同步電機(jī)（pmsm）構(gòu)成。變壓器通過(guò)脈寬調(diào)制器（pwm）實(shí)現(xiàn)恒定的直流電壓到三相交流電壓的轉(zhuǎn)換。常值直流電壓源由交流主電源整流而來(lái)。為了控制pmsm的轉(zhuǎn)矩，需要控制定子電流幅值和定子電流相位值:電流幅值是與設(shè)定力矩成比例，電流相位與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)。控制定子電流，既可以通過(guò)定子坐標(biāo)系，也能通過(guò)轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系。當(dāng)電流控制在定子坐標(biāo)系中執(zhí)行時(shí)，傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)包括兩到三個(gè)以設(shè)定電流波形的相位為基準(zhǔn)的獨(dú)立相位電流調(diào)節(jié)環(huán)。在轉(zhuǎn)子參照系中的電流控制是基于pmsm數(shù)學(xué)模型的，如圖2所示。 [align=center] 圖2　pmsm數(shù)學(xué)模型[/align] 電流的直接值和正交分解值（id和iq）都能通過(guò)電流相位park變換計(jì)算得到。id和iq調(diào)節(jié)環(huán)賦值給直接和正交的電壓值（vd和vq）。三相pwm命令通過(guò)vd和vq的值使用反park變換計(jì)算得到的。在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的電流控制中，可以獲得在整個(gè)速度范圍中的良好扭矩性能。如圖3所示。 [align=center] （a）　電流控制方法的影響曲線 （b）　模型控制方法的影響曲線 圖3　伺服驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩/速度曲線[/align] 因?yàn)樵诙ㄗ幼鴺?biāo)系中，三相電流相位環(huán)以正弦波為基準(zhǔn)，所以速度模式下定子控制性能的發(fā)展取決于環(huán)的帶寬。但是，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中，park變換得到的id和iq是以直流變量為基準(zhǔn)。由于這個(gè)原因，在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系中的電流控制更適合cd1p的伺服驅(qū)動(dòng)。 [align=center] （a）　pwm對(duì)稱三角調(diào)節(jié)方法 （b）　空間矢量模型算法 圖4　pwm開(kāi)關(guān)頻率計(jì)算器[/align] 三個(gè)pwm脈寬調(diào)制器的命令能通過(guò)對(duì)稱三角調(diào)節(jié)方法或者空間矢量調(diào)節(jié)（svm）來(lái)計(jì)算。在對(duì)稱三角調(diào)節(jié)方法中，pwm轉(zhuǎn)換次數(shù)由一個(gè)對(duì)稱高頻三角波（媒介）和正弦電壓參考波形的交叉點(diǎn)來(lái)定義，如圖４（a）。在svm模型中，pwm轉(zhuǎn)換序列是用變換器中八種可能的電流狀態(tài)從park矢量中矢量分解得到的如圖４（b）。對(duì)比與對(duì)稱三角調(diào)節(jié)方法，在svm模型下允許伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在更高的速度下（約高出15%）。這歸結(jié)于ｓｖｍ模型內(nèi)部中附加的3次諧波波形。 [align=center] （a）　對(duì)稱三角調(diào)節(jié)命令 （b）　空間矢量模型命令 圖5　最高速度下pwm的輸出波形[/align] 如圖5（b）在svm命令中含3次諧波，允許了使用帶正弦相位電壓轉(zhuǎn)換器的滿輸出電壓范圍。如圖5（a），在對(duì)稱三角調(diào)制方法中，三相命令和為0，所以，轉(zhuǎn)換器的輸出電壓范圍減少了15%。 位置控制設(shè)計(jì) 　　 為了得到穩(wěn)定快速的響應(yīng)，速度和位置伺服環(huán)的調(diào)整必須通過(guò)機(jī)械負(fù)載參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化配置。位置伺服控制器設(shè)計(jì)是基于rst多項(xiàng)式控制器結(jié)構(gòu)和極點(diǎn)定點(diǎn)整定方法。rst多項(xiàng)式控制器結(jié)構(gòu)是最主要的，也是最適合參數(shù)整定方法的控制器結(jié)構(gòu)。假定驅(qū)動(dòng)能通過(guò)模型轉(zhuǎn)換方程hmc和hmd描述，如圖6（a）所示。伺服控制器所包括的３個(gè)多項(xiàng)式r，ｓ和ｔ分別作用在伺服環(huán)錯(cuò)誤信號(hào)，伺服環(huán)反饋信號(hào)和伺服環(huán)參考信號(hào)上。閉環(huán)輸出／參考和輸出／干擾的轉(zhuǎn)換方程分別用hsr和hsd表示在圖6（b）中。 [align=center] （a）　伺服閉環(huán)結(jié)構(gòu) （b）　閉環(huán)傳遞函數(shù) 圖6　伺服閉環(huán)結(jié)構(gòu)和傳遞函數(shù)[/align] 控制器整定進(jìn)程包括hsr和hsd轉(zhuǎn)換方程極點(diǎn)和零點(diǎn)位置整定，這是為了得到位置環(huán)的輸出／參考和輸出／干擾的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這樣就可以把伺服環(huán)調(diào)整和跟蹤行為完全分開(kāi)。hmc和hmd轉(zhuǎn)換方程從機(jī)械設(shè)備型號(hào)中派生出來(lái)。設(shè)備轉(zhuǎn)換功能通過(guò)在額定工作狀態(tài)下執(zhí)行識(shí)別程序得到。常規(guī)pid控制器能通過(guò)下面的多項(xiàng)式方便的執(zhí)行rst控制器結(jié)構(gòu):r（s）=r1s+r2s2和t（s）=s（s）=s0+s1s+s2s2（s是拉普拉斯變換量）。在這個(gè)方案中位置環(huán)跟蹤和調(diào)節(jié)性能如圖7所示。rst控制器結(jié)構(gòu)可以在維護(hù)同樣的調(diào)節(jié)性能時(shí)只改變t多項(xiàng)式就能方便的編輯伺服環(huán)跟蹤行為。 [align=center] （a）　pid設(shè)計(jì) （b）　rst追蹤設(shè)計(jì) 圖7　rst位置控制器波形[/align] rst多項(xiàng)式控制器結(jié)構(gòu)的靈活性也很容易整合進(jìn)滿足特殊應(yīng)用要求的特殊濾波器。當(dāng)電機(jī)軸受到很大的負(fù)載慣性時(shí)，彈性耦合就能感應(yīng)到扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率通過(guò)設(shè)備參數(shù)計(jì)算得到。假定:jm=電機(jī)慣性值。ji=負(fù)載慣性值，nr=電機(jī)/負(fù)載耦合率，ks=電機(jī)/負(fù)載耦合強(qiáng)度; 扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率是通過(guò)下列公式得到的: 　　 fr=（ks（nr2jm+jl）/（nr2jmjl））1/2。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)影響能顯著減少伺服環(huán)電流損耗。 運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行 　　 適合多軸應(yīng)用的分布式動(dòng)作控制體系是基于智能獨(dú)立的伺服驅(qū)動(dòng)的。在這個(gè)方案中，軸運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)分布在每一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)中的。每一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)都能獨(dú)立的編程執(zhí)行給定軸的控制任務(wù)。主機(jī)控制器和伺服驅(qū)動(dòng)之間的總線通信用于伺服驅(qū)動(dòng)預(yù)設(shè)和機(jī)械進(jìn)程控制和監(jiān)控。伺服驅(qū)動(dòng)的eeprom能保存128套以上預(yù)設(shè)程序的運(yùn)動(dòng)控制序列。 　　 有五種基本可編程運(yùn)動(dòng)序列: 　　軸歸位序列是用于伺服驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)后的軸復(fù)位尋址； 　　絕對(duì)定位序列用于通過(guò)軸尋址索引移動(dòng)軸到所給的絕對(duì)地址值； 　　相對(duì)定位序列用于移動(dòng)軸到所給的相對(duì)與當(dāng)前地址距離的位置； 　　速度描述序列用于描述一個(gè)以特定的速度移動(dòng)的軸的形態(tài)； 　　轉(zhuǎn)力矩設(shè)定點(diǎn)序列用于需要提供給負(fù)載一個(gè)恒定的力的情況，如夾持器的應(yīng)用。 　　 序列執(zhí)行中的細(xì)節(jié)可以序列參數(shù)（加速和減速時(shí)間，運(yùn)行速度，滯留時(shí)間，初始狀態(tài)，觸發(fā)位置，輸出信號(hào)，計(jì)數(shù)，連接……）來(lái)定義。所有的序列都能鏈接到一起，并在序列鏈中引入可編程時(shí)間延遲。序列計(jì)數(shù)器也允許執(zhí)行同種序列多次或一次執(zhí)行一組序列。這些功能滿足了伺服驅(qū)動(dòng)一體化的運(yùn)動(dòng)控制。而不需要傳統(tǒng)的外部運(yùn)動(dòng)控制板卡＋伺服驅(qū)動(dòng)的解決方案。 profibus dp 通信 　　 連接到profibus串行鏈路上的伺服驅(qū)動(dòng)能夠方便的組態(tài)到工業(yè)pc或plc控制器環(huán)境中。profibus dp 是一個(gè)開(kāi)放性的大范圍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，過(guò)程控制和自動(dòng)化應(yīng)用程序中的總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。profibus的dp版本是專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)的分布式i/o通信設(shè)計(jì)的。通過(guò)profibus dp，主機(jī)plc控制器可以用循環(huán)方式在它的分布式總線設(shè)備（i/o，閥門(mén)，設(shè)備……）中高速通信。 　　 主機(jī)plc和cd1p伺服驅(qū)動(dòng)中的profibus dp通信是基于pro信息互換的。cd1p伺服驅(qū)動(dòng)通信使用信息的ppo1到ppo4類型。plc通過(guò)ppo寫(xiě)來(lái)發(fā)送一個(gè)信息，通過(guò)ppo讀來(lái)接受一個(gè)信息。ppo讀寫(xiě)是通過(guò)profibus的數(shù)據(jù)交換性能循環(huán)轉(zhuǎn)換的。plc能夠在參數(shù)區(qū)讀取和修改伺服驅(qū)動(dòng)的參數(shù)。 　　 plc發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)的有兩種類型的執(zhí)行數(shù)據(jù); “控制語(yǔ)句”包括伺服驅(qū)動(dòng)的動(dòng)作:使能，運(yùn)行，推動(dòng)，歸位，移動(dòng)…… “輸入語(yǔ)句”包括了執(zhí)行序列的數(shù)量和序列開(kāi)始的狀態(tài)。 　　 plc從伺服驅(qū)動(dòng)中接受到的有兩種類型的執(zhí)行數(shù)據(jù); “狀態(tài)”包括了伺服驅(qū)動(dòng)的狀態(tài):準(zhǔn)備，停止，運(yùn)行，等待，錯(cuò)誤…… “反饋”包括了進(jìn)程中現(xiàn)行序列的數(shù)量，軸位置和電機(jī)速度值。 　　 cd1p的通信是為了把伺服驅(qū)動(dòng)像一個(gè)簡(jiǎn)單的i/o設(shè)備一樣組態(tài)到主機(jī)plc控制器中而設(shè)計(jì)的。這樣就能直接在伺服驅(qū)動(dòng)中執(zhí)行高水平的運(yùn)動(dòng)控制，而不需要占用主機(jī)plc控制器的計(jì)算資源。我們也注意到總線循環(huán)時(shí)間值對(duì)伺服運(yùn)動(dòng)控制性能沒(méi)有影響。所以，這個(gè)解決方案是最適合多軸位置控制的應(yīng)用的。 結(jié)語(yǔ) 　　 相比于基于cnc運(yùn)動(dòng)控制器和模擬速度量伺服驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制，基于智能伺服驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)是一個(gè)高效靈活的解決方案。基于dsp技術(shù)的智能cd1p伺服驅(qū)動(dòng)能為給定的軸執(zhí)行完整的運(yùn)動(dòng)控制。這個(gè)結(jié)構(gòu)可以改善伺服環(huán)的性能。通過(guò)空間向量調(diào)制技術(shù)，伺服電機(jī)在高速狀態(tài)下轉(zhuǎn)力矩也得到了改善。機(jī)器里在線自整定程序能夠優(yōu)化速度和位置伺服環(huán)。在profibus dp通信協(xié)議下，智能伺服驅(qū)動(dòng)也能像簡(jiǎn)單的i/o設(shè)備一樣整合到主機(jī)plc控制器中。這個(gè)運(yùn)動(dòng)控制解決方案尤其適合對(duì)于多軸（超過(guò)100）控制的應(yīng)用。