新型控制電機伺服驅(qū)動器的設(shè)計

摘 要：本文對一種新型控制電機伺服驅(qū)動器系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行論述，并在文章中給出了系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)方案。在選用TMS320F2812數(shù)字信號處理器為核心對電路進(jìn)行控制，使用智能功率模塊構(gòu)成的主電路，對測試負(fù)載變換時的驅(qū)動器電流與電動機的轉(zhuǎn)速變化進(jìn)行動態(tài)觀察，結(jié)果表明電路控制結(jié)構(gòu)簡單實際，且結(jié)構(gòu)合理，可以讓新型的控制電機獲得良好的抗干擾性。

關(guān)鍵詞：電機；驅(qū)動器；設(shè)計

新型控制電機伺服驅(qū)動器的設(shè)計是值得人們進(jìn)行深入研究的，因為這關(guān)系著新型控制電機伺服驅(qū)動器的設(shè)計效果，同時對于控制系統(tǒng)的安全運行具有重要的影響。只有加強有關(guān)設(shè)計方面的研究，才能幫助人們更為深入的了解其中的內(nèi)容與原理，進(jìn)而加以優(yōu)化設(shè)計，避免一些故障的發(fā)生。因此，這就要求工作人員能夠提高對于新型控制電機伺服驅(qū)動器的認(rèn)識以及重視程度，并且能夠結(jié)合實際情況加以優(yōu)化設(shè)計與調(diào)試，以取得理想的控制效果。

1 永磁同步電機的原理和數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機（PMSM）的轉(zhuǎn)子部分采用性能良好的永磁體材料，當(dāng)對稱的三相正弦波交流電注入嵌入定子中的三相繞組時，就會在氣隙中生成旋轉(zhuǎn)磁場，兩個磁場互相作用便帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。圖1為簡化后的PMSM物理模型，定子三相對稱繞組A相、B相、C相。永磁同步電機其電壓矢量和磁鏈表示如下：

2 伺服控制器的電路結(jié)構(gòu)

隨著時間的不斷推移，我國的電子技術(shù)也在突飛猛進(jìn)，尤其微電子技術(shù)的發(fā)展，更為迅速，而這些技術(shù)的不斷創(chuàng)新與應(yīng)用，極大的推動了各個行業(yè)的發(fā)展，同時也使得一些行業(yè)面臨著新的挑戰(zhàn)，在這一時代背景下，只有不斷的推陳出新，融合高新技術(shù)，才能獲得新的發(fā)展，同時也有助于更好的滿足人們的需求。而基于電機這種設(shè)備而言，往往在工業(yè)建設(shè)的過程中起著關(guān)鍵的作用，而高性能的電機控制器往往其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，尤其對于實際工況的動態(tài)調(diào)整以及數(shù)據(jù)運算要求較高，這就要求有關(guān)方面能夠加強其伺服控制器的設(shè)計。而隨著數(shù)字式控制微芯片的誕生，人們看到了希望，通過應(yīng)用這種芯片，能夠使得其運算處理速度得到一定的提高，同時還能加強有效的控制，對于電路的故障檢測、診斷等都具有重要的作用。所以，針對新型控制電機伺服驅(qū)動器的設(shè)計就成為了人們關(guān)心的方面。

近幾年，就有一些公司專門推出了與用于DSP程序設(shè)計的CCS軟件，人們能夠利用此軟件對于電機的控制結(jié)構(gòu)以及參數(shù)進(jìn)行修改以及調(diào)控，進(jìn)而取得良好的控制效果。而這種數(shù)字化電機控制器中的主控芯片型號是TMS320F2812，就其控制器的主要結(jié)構(gòu)組成而言，可以分為IPM驅(qū)動單元、DPS核心電路控制單元以及故障檢測單元等。而在驅(qū)動單元內(nèi)，PMSM伺服驅(qū)動器則起著極為關(guān)鍵的作用，具體而言，該伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在其芯片執(zhí)行電機控制的階段中，會涉及到比較復(fù)雜的算法并且還要與上位機進(jìn)行信息通信，所以，必須要加強故障檢測與處理機制硬件電路的設(shè)計，這樣才能盡可能的保證伺服驅(qū)動器的可靠性與實用性。具體在設(shè)計的過程中應(yīng)該注意滿足以下要求。首先，要求設(shè)計人員能夠保障其伺服驅(qū)動器具有良好的性能，其次，還要滿足大多用戶的要求，在安裝的時候也要簡單，避免給后期維護(hù)工作帶來麻煩。最后，設(shè)計者還要考慮其經(jīng)濟性因素，在設(shè)計的過程中，保證其性能良好的前提下，盡量減低制作的成本以及生成周期。

不過，需要注意的是，在進(jìn)行硬件電路設(shè)計的過程中，需要解決電磁兼容性這個難題，一旦忽略這個問題，很有可能影響接下來的實驗，而且往往會浪費很長的時間，技術(shù)也更為復(fù)雜，甚至引發(fā)更大的問題。所以針對這個難題就需要加以注意。具體而言，這個難題主要體現(xiàn)為以下兩點，即放射性和抗干擾性。所以在設(shè)計的過程中，就可以適當(dāng)?shù)脑黾痈綦x，在電網(wǎng)與整流器之間裝置兩級變壓器，并且在初級繞組和次級繞組之上覆銅來增加屏蔽，起到良好的屏蔽作用，避免受到電磁等方面的影響。而對于I/O通道中的干擾問題，有關(guān)設(shè)計人員可以采用雙絞線與光電隔離的辦法，以避免其產(chǎn)生更大的影響。

3 伺服驅(qū)動器控制原理

本文所涉及的驅(qū)動器能夠在多種控制方式下進(jìn)行參數(shù)的修改。驅(qū)動器控制的整個過程都通過軟件來完成，分別對電流、速度和位置采用閉環(huán)控制策略，提高了系統(tǒng)的自調(diào)節(jié)能力。該驅(qū)動器可以用在不同參數(shù)要求的永磁同步電機中，也可以滿足具有高響應(yīng)度和高精密度要求的控制系統(tǒng)中，例如：數(shù)控機床、印刷機械、包裝機械、造紙機械、紡織機械、工業(yè)機器人、自動化生產(chǎn)線等。其具備多種控制方式：（1）位置控制：根據(jù)DSP的指令使電機能夠準(zhǔn)確的定位。（2）外部輸入模擬量速度控制：按照外部的模擬指令對驅(qū)動器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定來控制電機的轉(zhuǎn)速。包括電機的轉(zhuǎn)動的速度和方向。（3）外部輸入模擬量轉(zhuǎn)矩控制：按照外部模擬指令對驅(qū)動器的各項參數(shù)進(jìn)行設(shè)定來控制電機轉(zhuǎn)矩。（4）內(nèi)部速度控制：按照輸入信號“內(nèi)部速度選擇1、2”的狀態(tài)，在四種速度模式下進(jìn)行切換。（5）手動控制：直接根據(jù)鍵盤輸入來手動地改變電機轉(zhuǎn)速。驅(qū)動器的控制全部由軟件來實現(xiàn)。

4 實驗結(jié)果與分析

設(shè)計的伺服驅(qū)動器的控制對象是一個永磁同步伺服電機，參數(shù)為：額定電壓220V，額定電流2.8A，電樞電感6.5mh，定子電阻2.5Ω，額定轉(zhuǎn)速3000rpm，極對數(shù)4，額定功率350W，轉(zhuǎn)矩系數(shù)0.6N·m/A，額定轉(zhuǎn)矩1.28N·m，轉(zhuǎn)動慣量0.3×10-4kg·m，編碼器線數(shù)2500線。以150rad/s運行，在0.5s時負(fù)載轉(zhuǎn)矩加倍。在0.5出對系統(tǒng)增加負(fù)載后，相對于增加了個干擾，轉(zhuǎn)速有稍許的波動，但隨后極短的時間便又達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。實驗結(jié)果表明采用全數(shù)字化新型電機驅(qū)動器后系統(tǒng)的具有較好的魯棒性和抗干擾性能。

5 結(jié)論

隨著時代的不斷向前發(fā)展，人們的生活方式以及工作方式發(fā)生了很大的變化，相應(yīng)思想認(rèn)識也有了較大的改變，近幾年，人們就越來越重視設(shè)計方面的工作，因為做好設(shè)計有關(guān)的工作，能夠起到一定的指導(dǎo)作用，更好的達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。而事實上，要想保證永磁同步電機得以穩(wěn)定運行，也需要做好其伺服驅(qū)動器的設(shè)計工作，通過搭建了以TMS320F2812為主控芯片的DSP電機伺服驅(qū)動器，能夠更好的實現(xiàn)閉環(huán)控制，使得電機的抗干擾性能得以提高，這具有重要的意義。

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作者簡介：王明睿，身份證號：230302198612084013。