I．前言 交流伺服系統(tǒng)在機(jī)械制造、工業(yè)機(jī)械人、航空航天等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用為使系統(tǒng)獲得較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能其控制對(duì)象大多采用了永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量變換控制之后 在交流調(diào)速領(lǐng)域里出現(xiàn)的一種新型變頻調(diào)速技術(shù)，該技術(shù)擯棄了矢量控制中解耦的思想，將轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向更換為定子磁場(chǎng)定向，減弱了系統(tǒng)對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴性不需要象矢量控制那樣進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換， 使系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速、魯棒性增強(qiáng)。本文所介紹的是一種采用直接轉(zhuǎn)矩控制的高性能全數(shù)字化的交流伺服控制系統(tǒng)。 2．交流伺服系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制原理在對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制中，如果忽略電動(dòng)機(jī)定子電阻 定轉(zhuǎn)子磁鏈夾角為負(fù)載角，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩如下 在對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行直接轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，通常保持定子磁場(chǎng)幅（轉(zhuǎn)子上永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)）為恒定值，通過改變定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度和磁鏈夾角 來控制電磁轉(zhuǎn)矩的變化，實(shí)現(xiàn)詞速。在定子靜止兩相坐標(biāo)系（a=3） 下永磁同步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的模型如下 根據(jù)上述公式及文獻(xiàn)參考得PMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖如圖1。在圈1中，S 為位置結(jié)定信號(hào)，sT為位置調(diào)節(jié)器 考慮到控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型的不確定性和多變性，sT采用模糊參數(shù)自校正控制器，ASR 為速度調(diào)節(jié)器（Pl調(diào)節(jié)器）．ATR、AFR分別對(duì)轉(zhuǎn)矩信號(hào)i 和定子磁場(chǎng)信號(hào) ．進(jìn)行離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)．得到控制信號(hào)r和q，再根據(jù)電動(dòng)機(jī)氣睬磁鏈位置查表確定電動(dòng)機(jī)的定子電壓矢量。本方案中，通過對(duì)定子電壓、電流進(jìn)行參數(shù)辯識(shí)運(yùn)算得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào) 和定子磁場(chǎng)反饋信號(hào) 。 [b]3．系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) [/b] 根據(jù)系統(tǒng)的原理框圖 設(shè)計(jì)交流伺服控制系統(tǒng)的硬件電路如圖2 主要包括主電路、控制電路和保護(hù)電路三部分。 （1）主電路主電路選用SIEMES公司生產(chǎn)的智能功率模塊P22X，該模塊是高度集成化了的整流模塊、逆變模塊和各種傳感器及驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路；其主要特性如下： ①推薦負(fù)載為l 47kW；②模塊額定輸入電壓為230V （AC）；③ 典型開關(guān)頻率為20kHz；④ 保護(hù)功能為欠壓、過流與過熱，故障時(shí)輸出故障信號(hào)；⑤模塊內(nèi)集成了220～整流模塊；@集戚了功率因數(shù)校正（PFC）電路；⑦ 模塊內(nèi)部上下橋臂的IGBT巳插人2“s的死區(qū)時(shí)間；⑧ 其他各種檢覆f保護(hù)功能。 （2）控制電路為了實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制和完善的檢覆、保護(hù)功能，本系統(tǒng)以80C196單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了控制電路，構(gòu)成了功能齊全的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。兩單片機(jī)間通過雙口RAM實(shí)現(xiàn)并行通信，控制電路中各主要部件完成如下任務(wù)： 1）1#單片機(jī)型號(hào)為INTEL80C196KC主要完成位置環(huán)控制和系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等任務(wù)，主要工作：接受串行121輸︿的控制信號(hào)和光電編碼器的電機(jī)位置信號(hào)；完成位置環(huán)的模糊自適應(yīng)控制算法， 得到速度給定信號(hào)； 把速度給定信號(hào)通過雙121RAM并行通信送到2#單片機(jī)；接受鍵盤輸入信號(hào)并進(jìn)行處理； 輸出系統(tǒng)顯示信號(hào)至顯示器； 完成系統(tǒng)的故障檢測(cè)。 2）2#單片機(jī)型號(hào)為INTEL80C196KC選用該型號(hào)主要是考慮其輸出信號(hào)將控制逆變器，INTEL80C196MC是一種專門為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的單片機(jī)，其內(nèi)部有一個(gè)稱為WG的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器， 占用CPU 時(shí)間非常短， 由P6口直接輸出6路SPWM信號(hào)，用于P22X的驅(qū)動(dòng)，每十引腳驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)20mA，驅(qū)動(dòng)頻率也很高，死區(qū)時(shí)間可由程序設(shè)置，以防同一撟臂兩IGBT直通。2#單片機(jī)主要完成以下工作｝從雙121 RAM 接受速度給定信號(hào)；對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行AID轉(zhuǎn)換；進(jìn)行速度環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)、磁通環(huán)運(yùn)算：查電壓開關(guān)矢量表由WG產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)i完成過流、過壓等故障檢測(cè)及保護(hù)功能。 3）雙口通信：雙單片機(jī)間的數(shù)據(jù)并行通信采用雙口RAM IDTT130，這是一種高速IK x 8K雙口靜態(tài)RAM，帶片內(nèi)總線仲裁電路，適用于雙機(jī)之間大量數(shù)據(jù)的快速雙向傳遞，IDTT130提供了兩套各自獨(dú)立的控制和地址總線，同時(shí)提供了BUSY和INT兩種總線仲裁方式。MCS96系列芯片均有Ready管腳，將它與IDT7130的BUSY引腳相連，就可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)，IDTTI30芯片內(nèi)部的集成競(jìng)爭(zhēng)邏輯基于訪問信號(hào)先到者優(yōu)先的原則，可以在左右 兩個(gè)CPU訪問端口同時(shí)進(jìn)行地址訪問或片選匹配時(shí)，將兩端口訪問慢的一方BUSY引腳電平下拉，使之寫入操作無效．一旦另一方訪問完畢，訪問慢的一方BUSY線恢復(fù)上拉電平狀態(tài)，即可繼續(xù)訪問雙口RAM. （3）保護(hù)功能與驅(qū)動(dòng)電路 在智能功率模塊P22X 中設(shè)置了災(zāi)壓、過流及過熱等故障信號(hào)，該信號(hào)通過光電隔離進(jìn)到80C196MC 的EXTINT端，只要任何一項(xiàng)起保護(hù)作用，都將立即封鎖WG波形發(fā)生器的輸出，禁止三相PWM 渡產(chǎn)生，提高運(yùn)行可靠性． 同時(shí)將故障“代碼的形式存于EPROM中，井在顯示器上顯示故障，以備維修用。驅(qū)動(dòng)電路采用專用集成芯片EXB840，它能夠?qū)崿F(xiàn)IGBT的最佳驅(qū)動(dòng)；EXB840內(nèi)部有過流檢測(cè)及慢速過流切斷等電路，當(dāng)1GBT發(fā)生嚴(yán)重過流或上下橋臂直通時(shí)，其集電極電壓升高，EXB840以不使1GBT損壞的較慢速度關(guān)斯1GBT，并向單片機(jī)請(qǐng)求中斯。 [b]4．軟件設(shè)計(jì) [/b] 控制系統(tǒng)的軟件主要包括1#單片機(jī)軟件和2鼻單片機(jī)軟件兩大部分，1#單片機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)見圖3。1鼻單片機(jī)其主程序主要完成：系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)監(jiān)控等任務(wù)｛位置環(huán)控制由軟件定時(shí)器中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)，軟件定時(shí)器每lms中斷1次，完成位置檢測(cè)，位置環(huán)的模糊自適應(yīng)控制算法，得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定信號(hào)。位置環(huán)的控制程序流程圖見圖4。2鼻單片機(jī)程序主要完成：初始化，系統(tǒng)監(jiān)控，電流電壓采樣及A，D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)速 計(jì)算，讀寫雙121 RAM，電機(jī)模型參數(shù)辯識(shí)運(yùn)算，運(yùn)行速度環(huán)程序，運(yùn)行ATR和AFR離散兩點(diǎn)式控制算法，查電壓矢量表控制WG輸出PWM信號(hào)。另外發(fā)生故障時(shí)，由故障中斷程序完成故障信號(hào)處理，記錄故障類型，以供顯示和查詢，并將故障類型傳送1#單片機(jī)。 5．緒論 采用直接轉(zhuǎn)矩控制的交流伺服控制系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)具有極高的穩(wěn)態(tài)控制精度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，采用直接轉(zhuǎn)矩控制后其算法相對(duì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)魯棒性增強(qiáng)。另外，使用雙121 RAMIDT／130解決了雙機(jī)鍵數(shù)據(jù)的快速雙向傳送，可靠性高，具有較好的推廣使用價(jià)值。 點(diǎn)擊此處下載原文