PMSM矢量控制在雕銑機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)
雕銑機(jī)(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(jī)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(jī)性價(jià)比高，加丁速度快,，加 丁產(chǎn)品光潔度好，在機(jī)床加丁業(yè)越來越占有重要 地位,。為保證雕銑機(jī)的加丁精度,，應(yīng)包含的特性 有：自動(dòng)化程度高、加丁精度高以及穩(wěn)定性好,。 在雕銑機(jī)中進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制性能決定了雕銑 機(jī)的加丁性能，因此,，在雕銑機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)中的永 磁同步伺服電機(jī)控制方法的選擇與實(shí)現(xiàn)會影響整 個(gè)加丁精度[1],。電機(jī)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(jī)控制中,，并取得了相當(dāng) 的成就,。同時(shí)，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(jī)矢 量控制系統(tǒng),，并對永磁同步電機(jī)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(jī) 矢量控制模型并對其進(jìn)行了編程仿真研究,。1永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型為了實(shí)現(xiàn)對永磁同步電機(jī)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?yàn)檫@是矢量控制原 理的根本,。2永磁交流伺服電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)直流電機(jī)的控制方式比較簡單，這是由其模 型所決定,。勵(lì)磁磁場由勵(lì)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(jī)的模型復(fù)雜,，非線性而且各個(gè)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(jī)的數(shù)學(xué)模型可以看出,， 對電機(jī)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(jī)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(jī)控制領(lǐng)域的一個(gè)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(jī)的控制方法,，對這兩 個(gè)組件可以單獨(dú)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(jī)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(jìn)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(shí)利用電流檢 測器采集永磁電機(jī)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(dòng)控制信號，驅(qū)動(dòng) 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(jī)定子電 樞，從而實(shí)現(xiàn)完整的速度電流雙閉環(huán)的永磁同步 電機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu),，如圖4是一個(gè)典型的電壓型PWM 逆變電路。該逆變電路通過控制6個(gè)開關(guān)管的開 關(guān)狀態(tài)和順序的組合以及開關(guān)時(shí)間的調(diào)整來輸出 電機(jī)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(duì)是6個(gè)功率開關(guān)管,， 用a,、b、c分別代表了 3個(gè)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(shí)（此時(shí)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(shí)（此時(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)在伺服電機(jī)控制領(lǐng)域,，各個(gè)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(shí)間和計(jì)算能力，位寬,，浮點(diǎn)和定點(diǎn)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(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)電 機(jī)仿真，其仿真電路見圖3所示,。永磁同步伺服電機(jī)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(shí)器中斷TCNT0=0x00; //定時(shí)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(jì)數(shù)器清零 TCNT1L=0x00;//定時(shí)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(shí)現(xiàn)了 3種占空比類型的PWM控制信號的輸出,，在實(shí)際的程序應(yīng)用中，取得了比較好的控制效果,。4試驗(yàn)驗(yàn)證根據(jù)上述永磁同步伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,，采用DSP控制器完成電機(jī)三相電流的控制,，并實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電流,，速度等的檢測,。該項(xiàng)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(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，該項(xiàng)目中對電機(jī)的啟停,，加減速控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)圖形描述如下,。如圖4、5所示是電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)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(jī)從零速到500 r/min的啟動(dòng)時(shí)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(shí)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(yùn)行穩(wěn)定,，啟動(dòng)性能良好,。從圖5看出電機(jī)在啟動(dòng)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(jī)效率。如圖6,、7是DSP控制下伺服電機(jī)在階躍響應(yīng) 的轉(zhuǎn)速與電流曲線,，由圖6可見，實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相比有一段時(shí)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(shí)的波動(dòng)小,，下部分 曲線表示了電機(jī)的控制電流的變化，此時(shí)在轉(zhuǎn)速 增加的時(shí)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(jī)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(shí)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(jī)的應(yīng)用場合，指 出該類電機(jī)應(yīng)具有的性能特性,。為此對其數(shù)學(xué)模型 進(jìn)行了探討和計(jì)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(jī)矢量控制系 統(tǒng)進(jìn)行了研究,，通過電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié) 果的對比,，驗(yàn)證了算法的可行性和準(zhǔn)確性,，為今后 電機(jī)應(yīng)用和控制提供了理論指導(dǎo)和參考數(shù)據(jù)。