基于三相异步电机全数字伺服系统的设计与应用
在现代工业自动化领域，基于三相异步电机的全数字伺服系统已成为数控车床、纺织机械等领域的主流控制方式。与模拟控制相比，全数字控制不仅具有更好的稳定性和可靠性，还能够实现更加精确的控制，并且成本较低。通过软件编程，全数字伺服系统可以实现多种复杂的附加功能，使得系统更加智能化和人性化。
为了研究这一技术，本文基于TI公司F2407A DSP芯片设计了一个名为THR-SV-1的全数字伺服系统。这款系统支持五种工作模式：定位、脉冲跟踪、模拟量跟踪、力矩给定以及调速。在使用1024脉冲/转光电编码盘时，电机的位置精度可达每转1/4096。此外，该系统还能实现S曲线、阶跃及正弦等多种速度曲线跟踪，以及恒力矩输出，适用于多台联动应用。
为了分析三相异步电机，我们首先对其进行理想化假设：电机中的定子绕组完全对称，无齿槽效应，其磁通分布呈现空间正弦分布，并忽略了磁饱和、涡流及铁心损耗。图1展示了三相异步电机α—β和d—q坐标系，其中a、b分别代表三个相，而α-β是两相坐标，d-q则以ωo角速度旋转，为两相坐标。isd, isq, isα, isβ分别表示定子电流矢量is在d,q轴上的分量。
对于一般的调速系统，从转矩到转速近似是一个积分环节，其积分时间常数由机械惯量决定，是不可控变量，因此影响调速性能的是一个关键因素。在磁场定向矢量控制中，我们将坐标系放在同步旋转磁场上，将静止坐标系中的交流量转换为旋转坐标系中的直流量，并使d轴与转子磁场方向重合，以此达到ψrd恒定的目的（见公式（3）至（6））。
整个伺服系统由硬件部分和软件部分组成。硬件主要包括DSP作为核心，接受外部信息后判断工作模式并输出逆变器开关信号；Gal负责I/O通信管理以及开关驱动信号输出；eeprom用于参数保存和用户信息存储；功率电路采用IGBT智能模块；辅助供货采用线性稳压器；采样电子回路采用霍尔传感器处理后输入DSPAD端口。而软硬结合方面，在程序中包含主程序初始化、中断程序pwm生成以及数据交换程序，上位机通讯协议根据特定的通讯标准完成参数传输。
实验结果显示该伺服系统具备良好的性能，如图5所示，即在不同速度给定的情况下，该设备能够迅速响应并稳态运行。此外，还有其他几幅图表详细展示了该设备在不同的工作条件下的表现，如图6-8所示，这些数据验证了本文设计方案及其优越性能。本文提供了一种有效地利用全数字技术来提高伺服驱动性能的手段，对于未来自动化领域发展具有重要意义。
