摘 要：交流伺服驱动系统是机器人设备动作实现的核心，通过电动机旋转产生的力驱动工业机器人各个关节完成相应制定的动作目标，因此设计科学、完善的工业机器人交流伺服驱动系统是提高工业机器人技术，提高我国机械制造强国战略目标的重要途径。本文以某公司电机专用芯片TMS320F2812作为核心控制器，设计了工业机器人交流伺服驱动系统。

　　关键词：工业机器人；交流伺服驱动；设计；永磁同步电机

　　DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.003

　　0 引言

　　随着工业机器人在工业领域的广泛应用，工业机器人技术越来越被人们所重视，甚至工业机器人技术成为衡量国家综合实力的重要指标。工业机器人所具备的自动化技术及应用灵活的特点能够适应各种复杂的生产环境，机器人动作的完成主要是依靠伺服驱动电机完成，因此机器人性能好坏与伺服驱动控制系统有着直接的关系。交流永磁同步电动机能够满足机器人技术对交流伺服电动机控制系统要求的性能指标，因此该电机成为交流伺服驱动的首要选择。

　　1 交流伺服驱动系统的概述

　　随着电机技术的不断发展以及各种材料的不断完善，新型永磁同步电动机已经被各行所广泛应用，根据控制系统的要求，交流伺服驱动系统主要采取闭环控制方式。根据交流伺服驱动系统的发展现状，其未来发展趋势主要呈现出以下特点：（1）数字化，随着微电子技术的发展，控制芯片的体积越来越小，抗干扰能力越来越强，其实现控制结构越来越便利，可以随时通过编程对软件程序进行控制，因此其数字化技术越来越高；（2）智能化，随着工业生产环境的不断恶化，要求交流驱动系统要适应不同的环境，因此需要其具有智能化的特点，减少人工参与；（3）通用化，伺服驱动系统一般配有多种控制功能参数，这样做的目的就是不改变硬件电路的基础上实现不同模式的工作，保证其符合多种工作环境。

　　使用交流伺服驱动系统进行伺服控制的策略主要包括：一是恒压频比控制。此种方法在工业控制领域中非常普遍，其主要是控制输出电压和频率保证电机的磁通量为定值，实现对电机速度的控制。然而由于该控制方法不能直接控制电磁矩，因此其主要适应在对动态性要求低的工作环境中；二是矢量控制。矢量控制技术是交流伺服驱动系统发展的理论基础，矢量技术原理简单、动态性能良好，因此其在伺服驱动系统应用较为广泛；三是直接转矩控制。该技术的主要特点就是转矩驱动响应快，其广泛的应用到变频器中；四是智能控制。智能控制是随着计算机技术及大数据技术的发展而产生的，智能控制是当前机器人控制技术的核心，其相比上述技术具有明显的优势，因此该技术直接应用到交流伺服驱动控制系统中。

　　2 机器人交流伺服驱动系统硬件电路设计

　　交流伺服驱动硬件电路是系统运行的基础，其中包括主电路、核心控制器、功率驱动电路以及通讯接口等（见图1），其具体的工作流程是首先由上位机向DSP控制器发出伺服指令，经过特殊处理之后，DSP控制器将收到的指令进行控制指令输出，并且控制相应的频率实现对驱动电机的运行，电机再利用传感器输出电流等信息，这些信息在经过处理之后再返回DSP控制器。

　　2.1 主电路设计

　　在整个交流伺服驱动系统硬件设计中主电路主要采取交直拓扑结构，电流经过滤波、整流、稳压再经过逆变器逆变，最终得到按照要求输出的三相交流电。同时基于工业机器人在应用过程中存在的频繁操作启停的现象，需要在主电路中设置能耗制动模块，防止直流母线上的泵升电压过高的问题。在设置能耗制动模块时需要计算制动电阻的功率，以此选择相应制动电阻，由于本系统提供的电源为220V，因此我们应该将制动电压门槛值设定380V，以此保证当直流母线电压大于制动电压门槛值时，能耗制动模块能够及时进行能耗制动。

　　2.2 电流电压检测电路

　　该部分主要包括电流检测和电压检测：一是电流检测是进行矢量控制的重要依据，本设计选择霍尔电流感应器HDC010G/S作为电流采样元件，这是因为该传感器具有良好的稳定性和可靠性特点，能够完全隔离主电路和检测电路；二是电压检测。在矢量控制计算方法中需要将直流母线电压作为参考，因此设计的直流母线电压检测电路如图2所示，首先确定该直流母线电压为220V，通过电阻分压的方式获得采样电压，然后再使用高线性度模拟信号光电隔离器件HCNR200使采样电压无衰减的送到控制电路侧，从而把主电路与控制电路进行隔离，实现将隔离后采集的电压送到DSP的ADC接口进行采样并且计算电压，为软件制动设计做准备。

　　2.3 ADC校正电路设计

　　ADC信号转换电路是模拟信号与数字信号转换的关键电路，但是在实践中由于存在无功损耗，因此ADC的转化结果存在一定的误差，为提高控制系统的准确性需要对这些信号进行灵活的应用，具体校正模拟数据转换电路的步骤为：

　　（1）获得硬件电路输出的参考电压信号的xL 和xM的对应转换值yL、yM；（2）利用方程式 y = x ×ma-b及已知的参考值（xL，yL）和（xM，yM）计算实际增益和失调误差；实际增益值： ma=（yM-yL）/（xM-xL）；失调误差值： b =yL-xL× ma；（3）根据计算结果对ADC 的其他应用通道进行校正，应用经过校正处理后的采样数据。

　　3 工业机器人交流伺服驱动软件设计

　　软件系统是工业机器人交流伺服驱动的核心，一旦硬件电路确定之后就很难在进行更改，而软件系统则可以进行更改，根据不同的环境要求进行指令的调整。软件系统主要包括主控制程序和中断子程序设计，根据硬件线路设计的要求，本文设计的软件主要是采取某公司发布的DSP集成编译环境CCS4.12，使用C语言编程。

　　3.1 主程序设计

　　主程序设计的主要任务就是完成对控制器各寄存器的初始化，实现对ADC采样通道软件的校正，具体结构为：开始――变量初始化――I/O接口初始化――A/D通道检测及校正处理――调用各子程序初始化函数――状态检测――循环等待中断。 　　3.2 矢量控制程序

　　矢量控制的主要目的就是在进入矢量控制中断程序之后，需要对现场进行保护，并且对电机母线电压、定子电流信号采样，实现速度算法，进行坐标变换，最后输出空间矢量电压，恢复现场退出中断。具体的程序流程见图3。

　　3.3 空间矢量调制（SVPWM）程序

　　该程序是整个系统的核心，因此控制算法也是该设计的关键。首先经过Park 逆变换获得两相静止电压矢量 Uaref Ubref，再经过Clarke 逆变换得到三相静止电压值，依据电压值判断此时合成电压矢量所处的扇区，然后在计算合成电压矢量在相应扇区中两相邻电压矢量上的导通时间t1、t2， 经过饱和判断以后再计算出电压空间矢量的切换点时刻taon、tbon、tcon，根据此计算结果对控制器比较寄存器进行赋值，完成矢量调制电压波形的输出。

　　4 工业机器人交流伺服驱动系统的测试

　　4.1 电流环测试

　　电流环动态响应特性直接关系到矢量控制系统的性能，通过电流环跟踪测试可以看出在给定正负2A电流时，反馈电流最大超调只有±390mA。综观整个电流环响应曲线，其上升时间、超调量和稳态误差均有良好的特性，能够满足工业机器人高性能伺服控制系统的要求。

　　4.2 速度环测试

　　速度调节是机器人伺服控制系统的最重要的环节，直接决定了伺服控制系统的性能。一是带固定小负载时的速度跟踪。以5Hz为频率，周期性的给定速度1500r/min，电机空载，此时的速度跟踪曲线如图4所示。从图中可以看出此时的速度上升时间、超调量和稳态误差均有良好的效果，符合系统的要求。二是带固定负载时的速度跟踪。用磁粉制动器周期性的对伺服控制系统加2N.M的固定负载，此时检测的结果表现速度的上升时间、超调量和稳态误差均效果良好，符合机器人高精度伺服的要求。三是恒定转速突加负载速度跟踪。电机在小负载1500r/min时，Q轴稳态电流为200mA左右，转速恒定为1500r/min，突加2N.M的负载后，Q轴电流马上上升到2.99A左右，受负载影响转速下降到1420r/min左右，系统用了50mS的时间又将转速稳定到了1500r/min。可见控制系统在抗负载波动方面效果良好。

　　4.3 位置环测试

　　一是带固定小负载时的定位测试。通过检测出电机仅用了200mS就达到了29998脉冲。在电机从零位置启动时，速度为0，一直以加速上升到最高速度限制在2000r/min，然后恒速运行，当接近指定位置时开始减速运行，一直到位置差为小于2脉冲时，速度下降为0。由此可见伺服控制系统在速度限制、速度响应和定位精度方面都有优异的性能。二是带可变负载时的定位测试。当给交流伺服驱动系统加0-2N.M的可变负载，给定30000脉冲定位指令，在伺服控制系统在可变负载的定位时间比固定小负载时长40mS左右，而且无超调，定位误差为零。

　　本文以TMS320F2812为核心控制器设计的工业机器人交流伺服驱动系统，根据实际测试运行，能达到预期性能指标要求，具有良好的市场应用前景。

　　参考文献：

　　[1]莫会成，王健，任雷。现代高性能交流伺服系统综述――驱动控制篇[J].微电机，2013（01）。

　　[2]邓雄飞，胡旭东，鲁文其，刘虎，王玮。基于永磁交流伺服同步驱动的拉床控制系统[J].机电工程，2014（01）。