高性能、智能化全數字交流伺服單元和主軸伺服單元，特別是高速主軸及其控制的研究，是形成我國數控成套供應能力，實現高速、高精數控系統的關鍵技術。本文主要介紹基于DSP＋FPGA伺服和主軸統一硬件平臺方案，側重介紹面向高速度大容量主軸伺服驅動系統的基于功率預估的能量控制策略。 1　引言 伺服驅動和主軸驅動裝置是數控系統的執行機構和動力機構。一臺高性能數控機床，必須配備高性能的主軸和伺服，才可能實現高速和高精的加工要求。 當前，伺服驅動普遍采用PWM技術。采用PWM技術的伺服驅動系統存在著能量單方向傳遞問題，其直接后果表現在以下方面：制動時產生高壓降低了運行的可靠性；不能實現再生制動限制了應用場合和容量進一步提高；采用二極管整流產生諧波污染電網。提高電流質量和效率，實現能量再生控制是減少能耗、實現節能的有效措施。對大容量高速主軸伺服來說，減少儲能電容器容量、減少裝置體積也是系統集成化的需要，以PWM整流取代二極管整流，形成所謂CIS系統（Converter-Inverter System），是一種理想的解決方案，而且除能量雙向流動外，還能使輸入諧波減少，功率因數為1或可調。 2　基于DSP和FPGA的開放式伺服運動控制平臺 隨著開放式、網絡化和在線編程（ISP）思想的引入，伺服系統數字化實現結構正趨于硬件統一、標準化，逐漸形成了以DSP、單片機（MCU）和FPGA為核心，將伺服進給系統和主軸驅動進行一體化設計，利用軟件對位置、速度、力矩控制；V/f控制；矢量控制以及無速度傳感矢量控制模塊化設計，在統一硬件平臺下，在系統中實現主軸和伺服功能，利用網絡通信對整個系統進行統一管理，實現機械最佳配合和多軸化同步控制，以此為出發點提出圖1硬件平臺。 [align=center] （a） 主電路 （b） 控制平臺結構框圖 圖1 平臺硬件構成[/align] 控制平臺分為兩部分：DSP作為運動控制的核心，完成控制算法；CPLD/FPGA組成平臺的擴展部分，完成各種擴展接口的設計，平行處理平臺所有邏輯信號和總線接口的擴展，同時CPLD/FPGA擁有出色的在線可編程能力，可以適應不同應用系統的接口要求，提高了系統適用范圍。這里介紹的是基于該平臺實現整流/逆變一體化控制。按轉子磁場定向矢量控制交流電動機（VSIM）是執行機構。電機采用武漢登奇主軸電機，弱磁最高轉速8000r.p.m。 由于PWM控制方式直流環節一般采用大電容濾波，使得整流控制和逆變部分基本解耦，控制相對獨立，利用了PWM整流器研究成果，使這項技術很快獲得應用。 從系統優化和簡化角度出發，近年來國內外學者關于CIS系統一體化協調控制策略進行了廣泛研究，如Jung等針對CIS系統對稱性采用反饋線性化手段提出主從式一體化控制策略。Liao提出基于逆變器輸入功率預測前饋的一體化策略。Gu等通過直接控制電容電流為零實現CIS系統一體化控制。本文對基于功率平衡策略進行了探討。 3　基于補償法的一體化控制策略 在CIS系統中，VSIM相當于VSR的負載，兩者通過下述方程耦 合 （1） 式中，P[sub]e[/sub]為電網輸入到VSR的P[sub]loss[/sub]功率，P[sub]ma[/sub]為VSR損耗和逆變器損耗之和，為電機的輸入有功功率，稱為負載功率。上式表明，若能準確估計P[sub]l[/sub]并對它進行補償，使P[sub]e[/sub]緊跟P[sub]l[/sub]，則可在很小的電容量時確保在允許的范圍內。一體化控制不要求很高的電壓環帶寬，因此更為可行。 CIS系統的一體化控制思路為，選擇何種VSR控制方式，將估計的負載功率嵌入P[sub]l[/sub]，使得P[sub]e[/sub]能更快地緊跟P[sub]l[/sub]。 1） VSIM輸入功率估計。異步電動機矢量控制系統結構圖如圖2 [align=center] 圖2 異步電機矢量控制系統結構[/align] 由于異步電機矢量控制系統的相電壓是脈沖形式，因此通常將電機輸入有功功率P[sub]ma[/sub]和PWM逆變器的損耗P[sub]invl[/sub]一起統稱為VSIM輸入功率P[sub]inv[/sub]，從圖2可知P[sub]inv[/sub]的估計方法可以用測量法，但需增加電流檢測元件。本文采用基于赤木泰文的瞬時無功功率理論對輸入功率進行估計： （2） 根據同步旋轉坐標系的VSIM模型和瞬時無功功率，考慮VSIM采樣周期為T。當前周期的控制電壓在下一個周期才能使用，采用前向差分法得離散化后， 可以導出的導數計算式 （3） 改進的P[sub]inv[/sub]估算式為 （4 ） 這種迭代形式易于實現，而且具有低通濾波特性，所得P[sub]inv[/sub]的估計值比較平滑。 2） 變換器損耗估計。采用近似估計方法，可以依據功率模塊制造商提供的數據。一個PWM周期內單橋臂總的損耗為 （ 5 ） 其中 單位PWM周期內平均功率損耗為 （6） 可得單位周期T內VSR的變換器損耗為 （ 7） 單位周期T內VSIM的變換器損耗為 （8） 例如，整流橋采用的是西門子公司的單相半橋IGBT功率模塊，其型號為BSM50GB120DN2。根據25°C時的典型參數可求得單位PWM周期內平均功率損耗為。 3） VSR瞬時功率 VSR控制結構如圖3所示。 圖3 VSR雙閉環控制框圖 VSR雙閉環控制框圖如圖3所示。圖中， （9） 其中 在定向到電網電壓矢量的同步旋轉坐標系下，電網輸入到VSR的瞬時有功功率P[sub]e[/sub]為： （10） P[sub]e[/sub]的給定P[sub]e[/sub]為 （ 11） 根據電流電壓雙閉環的設計結果，可得瞬時有功功率的傳遞函數 （12） 其中，為VSR電流環等效為一階慣性環節的時間常數。 4）控制策略 設前饋的瞬時有功功率為，這里。將與相加，作為P[sub]e[/sub]的給定，便得到基于補償法的一體化控制策略。 （13） 三相CIS系統采用基于補償法的一體化控制策略時，根據式（9）、（12）和（13），可得瞬時有功功率的傳遞函數框圖如圖4所示。由圖得 （14） 其中: 圖4 瞬時有功功率的傳遞函數框圖 因的表達式不同，有不同控制方法，這里僅簡介一種間接補償方式。這種補償方式僅補償電機輸入的瞬時有功功率P[sub]ma[/sub]，而不補償損耗P[sub]loss[/sub]，但考慮功率動態，稱之為間接補償方式。的表達形式為， （15） 將上式代入（14）式得 （16） 表達式中P[sub]ma[/sub]（s）不存在，可見這種補償方式對P[sub]ma[/sub]（s）達到了完全補償的效果，對P[sub]ma[/sub]（s）沒有補償。 實現框圖如圖5所示： 圖5 補償法的一種實現 由上圖可推出 （17） （18） 這里電流閉環傳遞函數： 代入上式得 （19） 間接補償方式具有以下特點： （1）間接補償方式將P[sub]ma[/sub]一步到位地補償在上，使得P[sub]e[/sub]能迅速跟蹤P[sub]ma[/sub]的變化，節約了電流環響應時間，加速了P[sub]e[/sub]的動態響應速度。 （2）這種一步到位的補償方法是通過直接改變實現的，并考慮了P[sub]ma[/sub]的導數。該方法與復合校正中的按擾動補償方法一致。 圖6 基于間接補償方式的一體化控制系統仿真結果 圖7 基于間接補償方式的一體化控制系統實驗結果 4　結論 本文介紹基于DSP＋FPGA伺服與主軸統一硬件平臺，在該平臺上對基于功率預估方案的主軸整流－逆變一體化協調控制方法進行了研究。仿真及實驗證明了方案可行性。