Research on Full Digital AC/DC Integrated Servo System
PAN Yuedou, et al
Abstracts：The design of a new numerical control AC/DC servo system. The new servo controller which can be used in either DC or AC servo motor's drive. It features low cost, high performance, high stability and accuracy. A new kind of DSP and IPM are used in the servo system.
Key Words：NC Control, AC/DC Servo System, DSP, IPM, PWM▲
1 前言
80年代國際上出現交流伺服電動機驅動系統以來，直流伺服驅動的統治地位逐漸被交流伺服驅動取代。進入90年代后，國內機床主機生產廠家也逐步配備起了新型的模擬或數字式交流伺服驅動系統。但直流伺服驅動以其優良的調速性能和高質量的可靠性，以及用戶的熟悉程度，仍繼續吸引著一部分用戶。除此之外，80年代主機生產廠家給機床配備的直流伺服驅動單元(主要由北京機床研究所的北京數控設備廠生產)也由於使用年限已長，到了需進行更新換代的程度，而其伺服電動機尚能良好運行，假如一下將伺服驅動裝置全盤更新，一方面投資大，另一方面因為處理介面的不一致給用戶的使用帶來極大的不便。
北京機床研究所繼前幾年推出了模擬交流伺服驅動后，現又與天津大學聯合開發了新一代的以DSP和IPM為核心的交流同步電動機伺服驅動系統，同時還用於直流調速。直流電動機沿用北京機床研究所生產的大、中、小慣量直流伺服電動機，交流電動機為北京機床研究所生產的交流永磁同步電動機，與日本FANUC公司的交、直流系列伺服電動機相當。
2 控制系統設計
交流和直流伺服驅動單元主迴路上若變壓器的輸出電壓相同，則整流二極體和濾波電容也一致；所選用負載電動機的輸出扭矩一致，則逆變器(斬波器)功率模塊也一致，放電迴路也可相同。主要區別在於交流驅動的逆變器輸出為三相，而直流驅動則為斬波方式。所以我們採用數字控制方式將二者合二為一，使得一套主迴路既能適用於交流電動機的驅動，又能替換直流驅動單元。系統原理框。
我們將兩種類型的模擬伺服中的電流環和速度環(直流PWM驅動還包括一個電壓環)數字化后，得到兩套具有不同參數結構的伺服軟體，選用不同電動機時，只需給DSP系統指令不同的軟體和參數。另外將交流電動機動力線上的電流檢測由霍爾感測器改為串接電阻引出的方式，再用隔離放大器經高速ADC轉換到DSP內部進行反饋控制，使交、直流電流檢測都以低成本實現。利用IPM模塊自帶的基極驅動電路，省卻了原有的價格較貴的驅動集成片，由於IPM自帶故障輸出，則又提高了系統的可靠性。對能耗制動和放電電阻，改用電阻串並聯選用的方法，解決各類不同電動機的能耗制動以及放電迴路的匹配問題。與CNC介面保留原樣，同時增加一個數字量介面。
3 控制方式和特點
我們研製的這種數字伺服系統可驅動交、直流伺服電動機。當其作為直流調速系統時，按三環控制方式進行，利用脈寬調製器對斬波器的開關時間進行控制，將直流電壓轉換成某一頻率的方波電壓后，加到直流電動機的電樞兩端，通過對方波脈衝寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓，從而達到調節電動機轉速的目的。其控制系統等效框。
作為交流永磁同步電動機伺服控制系統時，是由速度外環和電流內環組成，類似直流調速系統。速度指令和速度反饋信號經比較之後通過速度控制輸出轉矩指令T*M，而T*M與電流幅值指令I*q成比例，I*q與電流反饋Iq在電流環里進行電流調節，Iq是實際電流IU、IW、IV(IV由IU+IV+IW=0得到)反饋后經3/2變換得到的交軸分量，再將電流調節器的輸出和磁極位置檢測得到的θr送入DSP內的PWM調製部分，得到六路輸出控制脈衝，經隔離驅動後送到逆變器。控制系統簡。
在這兩種控制系統中的PWM調製方式與原有模擬式交、直流伺服的調製不同，所採取的是磁鏈追蹤控制法。主迴路作逆變器驅動交流電動機時，6個開關管V1～V6可以形成8個開關矢量(以V1、V3和V5的開關狀態來表示：000～111，1表示導通，0表示截止，而V4、V6和V2的狀態與對應的V1、V3和V5正好相反)，其中6種狀態輸出電壓，並在同步電動機中形成6個工作磁鏈矢量；另兩
