PMSM矢量控制在雕銑機進給系統(tǒng)中的實現(xiàn)
雕銑機(CNC engraving and milling machine)既可以雕刻，也可銑削，是一種高效高精的精工 機床，廣泛應(yīng)用于精密模具粗精加丁一次完成， 紫銅電極，鋁件產(chǎn)品批量加丁，鞋模制造，鐘表 眼鏡行業(yè)等。雕銑機性價比高，加丁速度快，加 丁產(chǎn)品光潔度好，在機床加丁業(yè)越來越占有重要 地位。為保證雕銑機的加丁精度，應(yīng)包含的特性 有：自動化程度高、加丁精度高以及穩(wěn)定性好。 在雕銑機中進給伺服系統(tǒng)的控制性能決定了雕銑 機的加丁性能，因此，在雕銑機進給系統(tǒng)中的永 磁同步伺服電機控制方法的選擇與實現(xiàn)會影響整 個加丁精度[1]。電機的矢量控制是目前應(yīng)用廣泛的控制方 法。近幾年來，國內(nèi)外學(xué)者將空間矢量PWM控制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電機控制中，并取得了相當(dāng) 的成就。同時，隨著對PMSM控制技術(shù)要求的提 高，矢量PWM控制系統(tǒng)成為******控制方案'為 此提出一種控制性能良好的永磁同步伺服電機矢 量控制系統(tǒng)，并對永磁同步電機數(shù)學(xué)模型和矢量 控制原理做了相關(guān)的研究，搭建了永磁同步電機 矢量控制模型并對其進行了編程仿真研究。1永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型為了實現(xiàn)對永磁同步電機控制，需要先對其 建立良好的數(shù)學(xué)模型。在DSP控制系統(tǒng)中采用 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，因為這是矢量控制原 理的根本。2永磁交流伺服電機的矢量控制系統(tǒng)直流電機的控制方式比較簡單，這是由其模 型所決定。勵磁磁場由勵磁電流產(chǎn)生，電樞磁場 由電樞電流產(chǎn)生，可分開控制而不會相互影響。 而永磁同步電機的模型復(fù)雜，非線性而且各個量 之間相互耦合，永磁體產(chǎn)生的磁場和定子繞組產(chǎn) 生的磁場是不垂直的。因此，要通過矢量控制的 方式經(jīng)坐標(biāo)變化來建立虛擬的坐標(biāo)系使得兩者相 互垂直，這也正是矢量控制的本質(zhì)意義所在[5]。2.1矢量控制的基本原理從永磁同步伺服電機的數(shù)學(xué)模型可以看出， 對電機輸出轉(zhuǎn)矩的控制最終歸結(jié)為對其交、直軸 電流的控制。對永磁交流同步電機的矢量控制的 方法主要有：td=0控制、******轉(zhuǎn)矩控制、弱磁控 制以及控制等，該矢量控制的方法的提出是對電 機控制領(lǐng)域的一個巨大的創(chuàng)新。該控制方法是將 定子電流分解成產(chǎn)生磁場的部分和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的部 分，分解后，模擬直流電機的控制方法，對這兩 個組件可以單獨控制[6]。矢量控制坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)框 圖見圖1所示。該伺服電機控制系統(tǒng)的控制過程可表示為: 由圖1所示的過程框圖看出，進給速度給定信號 與編碼器檢測到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號相比較，經(jīng)速度 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)后，輸出轉(zhuǎn)矩電流分量tq指令信 號，而d軸的參考輸人電流為〇，同時利用電流檢 測器采集永磁電機的定子三相交變電流，然后經(jīng) CLARKE變換和PARK變換得q軸與d軸電流k和 td，然后使tq、‘和td、td相比較，并經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的處理，得出d-q坐標(biāo)系下的直軸電壓< 和交軸電壓 <。再通過Park逆變換電路可得a -yS 坐標(biāo)系下的矢量電壓?和％，由該矢量電壓通過 SVPWM模塊產(chǎn)生六路PWM驅(qū)動控制信號，驅(qū)動 逆變器中的開關(guān)器件。由此產(chǎn)生頻率、幅值持續(xù) 可變的三相正弦電流輸人到永磁同步電機定子電 樞，從而實現(xiàn)完整的速度電流雙閉環(huán)的永磁同步 電機矢量控制[7]。2.2SVPWM產(chǎn)生原理三相橋式電壓型逆變器是丁業(yè)上最常用的逆 變器拓撲結(jié)構(gòu)，如圖4是一個典型的電壓型PWM 逆變電路。該逆變電路通過控制6個開關(guān)管的開 關(guān)狀態(tài)和順序的組合以及開關(guān)時間的調(diào)整來輸出 電機所需要的電流[8]。以得到諧波含量少、直流電 源電壓利用率高的輸出。如圖2所示中的仏~隊是6個功率開關(guān)管， 用a、b、c分別代表了 3個橋臂的開關(guān)狀態(tài)。規(guī)定：當(dāng)上橋臂開關(guān)管處于“開”狀態(tài)時（此時相應(yīng)下橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài)），其開關(guān)狀態(tài)為“1”；當(dāng)下橋臂開關(guān)管為“開”狀態(tài)時（此時相應(yīng)上橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài)），則開關(guān)狀態(tài)為“0”。這3個橋臂只有“1”或“0”兩種狀態(tài)，因此a、b、c可形成000、001、010、011、 100、 101、110、111共8種開關(guān)狀態(tài)。其中000和111開關(guān)狀態(tài)使逆變電路輸出電壓為零，所以稱這兩種開關(guān)狀態(tài)為零狀態(tài)[9]，其八種狀態(tài)如表1所示。3軟件模塊及控制代碼實現(xiàn)在伺服電機控制領(lǐng)域，各個DSP廠家都有相 對應(yīng)的系列產(chǎn)品，例如TI公司的28x系列，F(xiàn)re- escale公司的56F80x系列等，綜合考慮控制方法 所用時間和計算能力，位寬，浮點和定點等指標(biāo) 滿足要求的情況下，選擇TI公司的C2000系列中 的28335作為控制器并利用電機控制模塊實現(xiàn)電 機仿真，其仿真電路見圖3所示。永磁同步伺服電機的控制程序是基于TI的 DSP開發(fā)軟件CCS平臺編寫，以下是PWM控制信 號輸出的一段程序：#include <pmsm_pwm.h> main(){DDRB=0xff; //端口為輸出 DDRD=0xff;PORTD=0x00;PORTE=0x00;TIMSK=0x00; //關(guān)閉定時器中斷TCNT0=0x00; //定時器 0，OC0 輸出 1.95305kHz的方波，占空比50%TCCR0=0x6b; //快速PWM方式，分頻 OCR0=0x80;//寫人比較器數(shù)值（決定占空比）TCNT1H=0x00; //計數(shù)器清零 TCNT1L=0x00;//定時器1，輸出方波TCCR1A=0xa9; //快速PWM，8分頻；OCR1A=0x40；OCR1B=0x80；OCR1C=0xc0;OC1C輸出75%占空比}通過以上程序，實現(xiàn)了 3種占空比類型的PWM控制信號的輸出，在實際的程序應(yīng)用中，取得了比較好的控制效果。4試驗驗證根據(jù)上述永磁同步伺服電機的數(shù)學(xué)模型，采用DSP控制器完成電機三相電流的控制，并實現(xiàn)對電機電流，速度等的檢測。該項目采用的CCS(CodeComposer Studio)是 TI 公司提供的DSP軟件開發(fā)環(huán)境，包含一整套用于開發(fā)和調(diào)試的工具。其中編譯器、源碼編輯器可實現(xiàn)源代碼的編寫和調(diào)試。而調(diào)試器、描述器、仿真器等均可實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，該項目中對電機的啟停，加減速控制進行了實驗，數(shù)據(jù)圖形描述如下。如圖4、5所示是電機在啟動時的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和三相繞組電流的曲線，從圖4中可以看出電機從零速到500 r/min的啟動時間約為1 s，轉(zhuǎn)速上升非常平滑，無過沖，并且預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速與實際測量轉(zhuǎn)速基本一致。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的三種曲線的變化趨勢相同，轉(zhuǎn)角增加平穩(wěn)、運行穩(wěn)定，啟動性能良好。從圖5看出電機在啟動過程中三相電流是正弦波形，諧波分量少，從而減少了諧波損耗，提高電機效率。如圖6、7是DSP控制下伺服電機在階躍響應(yīng) 的轉(zhuǎn)速與電流曲線，由圖6可見，實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相比有一段時間滯后和平滑上升階段，但 響應(yīng)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時的波動小，下部分 曲線表示了電機的控制電流的變化，此時在轉(zhuǎn)速 增加的時電流較大，穩(wěn)定電流較小且穩(wěn)定。圖7 是DSP控制下伺服電機在階躍響應(yīng)下的電流曲線 電流響應(yīng)曲線，可見電流給定曲線與響應(yīng)曲線非 常接近，響應(yīng)時間短、無超調(diào)、電流響應(yīng)平穩(wěn)， 所以該DSP控制具有優(yōu)良的電流控制特性。5結(jié)論本文通過永磁同步伺服電機的應(yīng)用場合，指 出該類電機應(yīng)具有的性能特性。為此對其數(shù)學(xué)模型 進行了探討和計算研究，并在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ) 上，應(yīng)用DSP控制技術(shù)對永磁同步電機矢量控制系 統(tǒng)進行了研究，通過電機運動控制的仿真與實驗結(jié) 果的對比，驗證了算法的可行性和準(zhǔn)確性，為今后 電機應(yīng)用和控制提供了理論指導(dǎo)和參考數(shù)據(jù)。