1. 引言
三相永磁同步電動機(以下簡稱PMSM)是具有結構簡單、體積小、損耗小、可靠性高、輸出轉矩大、功率因數高等優(yōu)點，得到了越來越廣泛的應用。采用高速微控制器和數字信號處理器的數字化交流伺服系統(tǒng)在機器人、數控機床、紡織等控制領域廣泛使用。矢量控制通過編碼器獲得轉子位置后就能方便地實現基于轉子磁鏈解耦的控制，達到等同于直流伺服系統(tǒng)的控制精度。采用矢量控制的PMSM數字控制系統(tǒng)一般為電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)組成的串級控制系統(tǒng)，處在內環(huán)的電流環(huán)和速度環(huán)，其性能直接關系到整個伺服系統(tǒng)能否滿足高速高精度的運動控制要求。隨著市場需求的增加，開發(fā)具有結構緊湊、高性能和低成本的伺服系統(tǒng)具有廣闊的市場前景。
2. PMSM數學模型及矢量控制
對于永磁同步電機，其定子與普通電勵磁同步電機一樣具有三相對稱繞組，不同的是其轉子上裝有永久磁鋼，沿用理想電動機模型的一系列假設，經過一系列推導可以得到PMSM在同步旋轉d-q坐標系統(tǒng)中的數學模型。
根據坐標變換理論，在按轉子磁場定向的同步旋轉 直角坐標系統(tǒng)中，永磁同步電機的基本方程列寫如下：
2. 伺服驅動器硬件設計
驅動器硬件部分由控制電路和功率電路兩部分組成?？刂齐娐分饕–MC+FPGA，CMC芯片是一款由浙江大學和浙江中控研究院有限公司自主研發(fā)的芯片，是將組態(tài)處理、程序存儲、信號輸入輸出、控制算法、通訊接口等全部集成在一個芯片中的產品。主電路主要包括整流電路、濾波電路和以智能功率模塊(IPM)為核心的逆變電路。功率驅動單元采用以智能功率模塊IPM為核心設計的驅動芯片，IPM內部集成了驅動電路，同時具有過電流、過熱、欠電壓等故障檢測保護電路，當系統(tǒng)出現問題時能及時進行自我保護，提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)電源輸入為三相220V?？傮w硬件結構圖如圖1所示。
3. 伺服驅動器軟件設計
按照結構化程序設計方法，將系統(tǒng)軟件劃分為主程序模塊和矢量控制程序模塊兩大部分，以利于軟件設計、調試、修改和維護。矢量控制軟件設計采用典型的前后臺模式，以主程序作為后臺任務，中斷服務程序作為前臺任務。根據矢量控制算法的特點，中斷服務程序只處理實時性高的控制子程序，包括PWM中斷，功率模塊保護中斷和編碼器零脈沖捕獲中斷。后臺任務包括系統(tǒng)的參數保存、鍵盤處理和顯示等一系列實時性不高的任務。
主程序是軟件的主體框架。其工作過程是：系統(tǒng)上電復位后，依次對片內外設進行初始化、從EEPROM中讀出控制參數、數碼管顯示初始信息。初始化完成后，主程序循環(huán)執(zhí)行LED顯示、鍵盤處理和參數計算與保存。
PWM中斷程序是整個伺服控制程序的核心，實現轉子磁極位置精定位，SVPWM控制信號的生成以及速度環(huán)和電流環(huán)控制，在PWM中斷到來時，首先讀取編碼信號，進行角度和速度計算，接著進行電流采樣并執(zhí)行clark和park變換，然后進行PI調節(jié)、反park變換，最后進入空間矢量模塊，產生SVPWM信號。功率模塊保護中斷用于監(jiān)視IPM故障信號，一旦檢測到報警信號，立即關斷PWM信號。編碼器零脈沖捕獲中斷程序通過對光電編碼器零脈沖的捕獲，完成電機轉子的精確定位。
4. 實驗結果及分析
本文設計了以CMC+FPGA為控制核心的全數字交流永磁同步伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)具有軟啟動、過流、過壓、欠壓、過熱、過速、位置超差、編碼器故障檢測以及IPM故障等保護功能。試驗電機主要參數為功率2kW，電機額定轉速3000r/min，實驗平臺如圖6所示，轉速與q軸電流波形如圖7所示。
5. 結語
本文提出的基于CMC和FPGA的伺服驅動系統(tǒng)方案，充分利用了CMC芯片的外設資源，功率電路使用IPM以簡化外圍電路，整個驅動器具有緊湊的結構。實驗結果該系統(tǒng)具有較快的動態(tài)響應和較高的控制精度，同時具有很高的性價比。
參考文獻
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致謝
感謝基金項目：“基于CMC的裝備數控系統(tǒng)的研制與應用”國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃），課題編號：2012AA041706，對本文的支持。
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