开放式架构的数字PMSM控制

发布时间：2013-07-13 作者：Krzysztof Pietrusewicz

        在数控机床（CNC）设备中，大多数电动进给驱动装置的控制回路都是封闭式架构系统。这一设计能够防止用户对控制算法进行更改。CNC系统中电动进给驱动装置所采用的传统串级定位控制回路具有一定的局限性，这妨碍了新型解决方案的发展。
        最近，一些CNC系统生产厂商提供了一些准开放式架构的设备，然而，这仍未达到最终用户的期望。实时开放式架构控制系统允许用户对器件的算法进行修改，以改善CNC设备的工作参数，使其能够达到功能模型的最高水平。基于这些原因，人们针对这一问题做了深入研究。本文描述的新方法在铣床反馈驱动器模块的数字伺服驱动控制回路中，引入了测量后经过数字预处理的信号。综合实验台是基于National Instruments公司的硬件和软件解决方案搭建的。控制、测量和数字信号处理算法运行于PXI平台之上，并且使用了一些专用模块。电机的位置测量通过EnDat2.1编码器模块实现；借助NI9234模块的高采样率实现振动和声压信号的获取。FPGA对象（NI PXI 7854R）上运行磁场定向控制算法，帮助维持代码的高效运行。电机由NI 9520电机驱动模块实现控制，具有4A连续电流输出，驱动三相永磁同步电机（PMSM）。控制系统和测量系统与自动单轴反馈驱动器相连，实施一系列测试。
        控制回路的振动
        对于每一个动态系统来说振动都是不可避免的一部分。在反馈驱动器中振动会因多种原因而出现，例如：伺服驱动器的角速度、结构性振动等等。反馈驱动器用来定位机床组件，以将刀具和工件移至期望的位置，因此定位的精度和速度就决定了机床的质量和生产效率。基于这些原因，诊断振动发生的时间和成因是很重要的，振动监控技术相对来说成本较低，且易于操作，所以在机床诊断中振动监控是一种最为常见的方法。
        当设备接触空气时，设备的机械能就会转化为声音能量。对设备周围的声音信号进行测量能够反映出正在进行的过程的一些信息。为了获得声压信号，通常使用定向麦克风。考虑到轴反馈驱动器相对较低的带宽频率，即使不使用专门的设备也能够轻松测量声音信号。
        振动成因的辨识能够帮助改善反馈驱动器的定位精度，声压信号能够诊断设备功能的异常状态。
        在反馈驱动器算法的传统串级定位控制回路中增加数字信号处理（DSP）模块的任务就是计算一个或多个调节器或者设定点值的偏差。将设备运行时的测量结果采用DSP方法进行处理，然后在时域和频域内进行计算，借助之前对参数和轴反馈驱动器行为的辨识，异常条件和非预期状态就能够被发现。有了这些信息，就可以使用专用的算法监控来自于设备的声音信号和振动信号，然后再计算所需的辅助控制信号。