文中介紹了一種高性能全數字交流主軸伺服驅動系統。該系統以智能功率模塊ipm為逆變器開關元件，以高性能dsp admc401為控制核心，控制算法采用基于轉子磁場定向的轉差頻率矢量控制，實現了電流控制、速度控制和位置控制。運行結果表明，該系統具有較高的調速性能、低速負載特性和良好的動靜態性能，實現了主軸定位和c軸功能。

轉差頻率矢量控制

當將轉子磁鏈旋轉坐標系的d軸選取在轉子磁鏈矢量的方向上，并控制使轉子磁鏈在穩態時為常數，就需要控制滑差角頻率ωs、轉子磁鏈ψdr、電氣角頻率ω1和轉子磁鏈角度θe，分別為：

式中: ωm—轉子機械角頻率
p—極對數
交流異步主軸電機的電磁轉矩方程式為：

式中，ids、iqs分別是定子電流在d、q軸上的分量，l1，l2，m12分別是定、轉子電感和互感，r2是轉子電阻，ω1，ωs為電氣角頻率和滑差角頻率，p =d/dt是微分算子。即可以實現轉矩的線性化控制，但是在ids和iqs的狀態方程中依然存在含有ids，iqs和ω1和乘積耦合項。從電流控制器設計的角度來看，有必要采取去耦控制的措施，方便控制器的設計。因此還需要在d-q坐標系上采用電壓前饋補償的方法，實現電機定子電流的轉矩分量和勵磁分量獨立控制，這里電壓前饋補償控制如下式所示：

式中，為漏磁系數，uds，uqs是定子電壓在d、q軸上的分量,u′ds和u′qs為磁場和轉矩電流控制器的輸出，這樣可以在穩態時去除定子電流在d-q坐標系上電流分量的耦合項，控制器也可以獨立地按照一階系統設計。

系統的控制結構框圖如圖1所示。

系統結構

以數字信號處理器為控制核心的全數字交流主軸伺服驅動系統的結構如圖2所示。從圖上可以看出系統主要有以下幾部分: 控制電路、主電路（包括整流電源和逆變器）以及開關電源電路。

控制電路結構

admc401高性能數字信號處理器采用16位定點dsp adsp2171的內核，并將豐富的外設控制器集成于單片之中，指令執行速度為26m ips，片內集成的主要外設包括:

·高精度8 通道a/d轉換器（adc）

具有12位的轉換精度，支持兩通道同步采樣和順序采樣，轉換時間小于2μs。

·三相16位pwm發生器（pwm）

可以編程設定開關周期、死區時間、最小脈寬限制時間，具有單刷新和雙刷新兩種模式，可以產生對稱和非對稱pwm波形、空間矢量pwm波形、pwm輸出可以被外部引腳或軟件編程封鎖，具有較強的故障保護能力。

·片內增量式編碼器接口單元（eiu）

具有可編程的脈沖輸入濾波器，可以實現倍頻、辨向、計數等功能，并配合有專門的編碼器事件定時器，可以方便地實現m/t法速度檢測，為高性能電機控制提供高精度的位置和速度反饋。

admc401是整個系統的核心，在系統中利用它來實現矢量變換、電流環、速度環、位置環控制以及svpwm信號發生、各種故障保護處理等。為了實現系統的快速實時控制，系統在設計上采用了單片機+dsp雙cpu結構，因此將系統的控制任務進行了劃分:dsp完成實時性要求高的矢量控制和閉環控制，fla sh結構的單片機89c8252完成實時性要求比較低的管理任務，如控制參數設定、鍵盤處理、狀態顯示、串行通訊等，fpga實現單片機和dsp之間的并行數據交換、外部i/o信號管理、位置脈沖指令處理及計數、故障信號處理、主軸編碼器計數等功能，系統可以支持模擬速度輸入、數字速度輸入、脈沖輸入以及通過上位機對系統進行控制等多種方式。

主電路及開關電源電路

系統的主回路采用模塊式設計，整流電源部分和交-直-交電壓源型逆變器通過公共直流母線連接，整流電源部分采用二級管整流模塊，同時系統設計了軟起動電路以減少強電對主回路直流平波電容的沖擊。逆變器采用智能功率模塊pm 75cva 120，在系統故障保護環節中，設置了主回路過壓、欠壓、過熱、過載、制動異常、光電編碼器反饋斷線、通訊故障等保護，故障信號由軟硬件配合檢測，一旦出現保護信號，通過軟件或硬件邏輯立刻封鎖pwm驅動信號。系統采用磁平衡式霍爾電流傳感器采樣兩相電流反饋ia，ib，獲得實時的電流信息。系統的控制電源采用開關電源供電，開關電源功率開關器件選用to p224。對于主軸電機光電編碼器的供電電源，考慮其反饋信號線上的電壓降落可能比較大，會影響到反饋信號的可靠性，因此采用帶反饋調節的dc-dc變換器單獨供電。

實驗結果與控制功能實現

全數字交流主軸伺服驅動系統實驗采用了交流變頻主軸電機: 額定功率3.7kw/5.5kw; 額定電流9a; 額定同步轉速1500r/min; 額定轉矩24.6nm，安裝在電機上的光電編碼器分辨率為1000p/r。電流控制采樣周期100μs，pwm開關頻率10khz，速度環和位置環采樣周期500μs。速度環的輸出限幅值為額定電流的1.2倍。

恒轉矩控制

當交流主軸伺服驅動系統運行于基速以下時,系統應具有恒轉矩特性，特別是低速運行時，系統應該輸出相當的轉矩，并保持運行平穩。圖3示出了系統給定轉速為1000r/min時的速度響應曲線和電流波形，結果表明，系統的響應比較快。圖4示出了系統在基速以下運行時的轉矩特性，可以看出系統具有寬范圍的負載轉矩輸出能力。

恒功率控制

當交流主軸電機運行于基速以上時，系統自動進入弱磁狀態，此時在恒功率狀態下運行，應保持定子電壓不變，減小轉子磁鏈，實現弱磁控制，根據轉差頻率矢量控制原理，定子磁鏈電流可以按照下式控制：

式中,ωbase為感應電機額定同步轉速。

在電機進入弱磁范圍運行時，為了保證有相當的電磁轉矩輸出，需要對速度pi調節器的轉矩電流限幅值進行調整，調整方法如下：

式中，i＊qslimit為速度調節器的輸出限幅值，imax為系統允許的最大輸出電流，k為調整系數，一般選擇小于1，目的是防止高速啟動時可能出現的失速問題。圖5是系統給定轉速為5500r/min時的速度響應曲線。