摘要：研究基于ProfiDrive的伺服电机驱动控制技术，提出一种基于ProfiDrive的伺服驱动型；对伺服驱动器控制算法进行研究，选择基于空间矢量调制（SVPWM）的交流永磁同步电机（PMSM）空间矢量控制（FOC）算法；对伺服驱动器硬件电路进行设计研究；最后进行了伺服驱动器的软件设计并进行了测试。
关键词：ProfiDrive 交流永磁同步电机 工业以太网 磁场定向控制 伺服驱动
一 、引言
伺服驱动装置良好的驱动器性能可以在机器人应用中获得使多轴运动更好的协调控制、位置控制精度更高、系统具有更好的刚性、反应速度快等性能。伺服驱动技术和工业总线技术的协同发展水平决定了运动控制系统和机器人控制系统的整体性能，也决定了整个工业领域技术水平。研发具有以太网功能的伺服驱动器对运动控制系统和机器人控制系统的发展具有重要的推进作用。根据ProfiDrive行规研制出的伺服驱动器具有重要的战略意义和实际的应用价值 [1]。
二 、ProfiDrive协议框架
西门子公司针对ProfiNet和ProfiBus在驱动生产和自动化控制应用中的不足，提出了一种名叫“ProfiDrive”的协议框架。ProfiDrive协议框架主要分为三个主要部分：第一部分包括ProfiDrive基本模型、ProfiDrive应用模型和ProfiDrive参数定义；第二部分和第三部分定义了基于ProfiBus DP和ProfiNet I/P两个通信系统的ProfiDrive基础模型的映射[2]。
整个系统模型中主要包含三类设备：控制设备、驱动设备和监控设备。控制设备与一个或多个驱动器（驱动轴）相关联，是整个自动化系统的主机；驱动设备是驱动器的现场主机设备，相对应的与一个或多个控制设备相关联；监控设备通常是用于管理分配数据和集从驱动设备和控制设备传来的诊断数据的工程设备。应用模型是ProfiDrive应用层的一部分，独立于功能对象在设备之间的联系而只与应用对象相关。在ProfiDrive参数模型中，驱动器的所有参数的总和唯一的描述了驱动器的行为或特性。
三、永磁同步电动机的FOC控制算法
FOC(field-oriented control）为磁场定向控制，通过调整逆变桥电路中的MOSFET或IGBT器件的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制电动机的旋转。磁场定向轴的选择有三种：转子磁场定向、气隙磁场定向和定子磁场定向。气隙磁场定向和定子磁场定向在磁链关系中均存在耦合，使得控制结构更加复杂。转子磁场定向是仿照直流电动机的控制方式，利用坐标变换的手段，把交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流并分别加以控制，即磁通电流分量和转矩电流分量二者完全解耦，从而获得类似于直流调速系统的动态性能。基于SVPWM方式的FOC算法控制原理如图1所示。
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图1 基于SVPWM方式的FOC算法控制框图
四、伺服驱动器硬件设计
硬件电路设计部分主要包括：伺服驱动器控制电路设计、运算放大电路设计、驱动电路设计、用于ProfiDrive协议栈的协议转换电路设计、系统电源电路设计以及与系统相关的一系列对外接口电路设计[3]。硬件电路包括：用于ProfiDrive协议栈的协议转换电路；伺服驱动器控制电路；驱动电路部分；运算放大电路部分。整体设计思路就是通过ProfiNet接口接收到PLC或PC等控制器指令，经过协议转换后将控制命令发送给控制电路的主控制器，控制电路经过计算然后将控制信号以PWM波信号的形式发送给电机驱动电路，进而完成对伺服电机的状态驱动。整个控制系统还具有反馈回路，将检测结果反馈回控制电路和ProfiNet ASIC控制器，控制电路将接收到的电流、电压、速度和位置信息通过FOC算法进行运算，最终完成对伺服电机的三闭环回路控制。
五、伺服驱动器软件设计
5.1驱动控制软件程序设计
驱动控制软件程序的开发环境为Keil μVision 5 MDK，开发语言使用Ｃ语言，基于ST意法半导体公司提供的STM32标准外设库进行开发。
驱动控制程序软件程序主要实现包括永磁同步电机FOC位置控制算法程序、与ERTEC 200P MiniCard相关的SPI接口程序、与永磁同步电机相电压安全相关的过压检测程序。在永磁同步电机FOC位置控制算法程序中又包含用于电流闭环控制的电流采样程序、用于速度闭环控制的速度检测程序和用于位置闭环控制的位置检测程序以及相关的一系列变换算法程序和PI控制器程序等。
磁场定向FOC控制程序。在电流闭环里，通过CLARK变换和PARK变换将当前实际三相电流转换为ｄ、ｑ坐标下当前电流，通过与速度环输出的ｑ轴参考电流和给定的ｄ轴参考电流进行比对，再经过电流闭环PI调节器，输出给定ｄ-ｑ轴电压分量；根据给定电压分量所处扇区计算出SVPWM输出；根据SVPWM计算输出结果，开启PWM发生器输出相应触发脉冲。
5.2 ProfiDrive程序设计
ProfiDrive相关程序开发选择PC机作为软件开发环境，操作系统为Windows 10。在进行软件开发前安装西门子公司提供的ERTEC 200P开发套件，开发软件为Eclipse IDE，进一步配置了Java开发环境。
在ProfiDrive程序中完成两个任务，分别为I/O控制器接口任务和状态机任务，这两个任务的分别在mainApp1()和mainApp2()中实现，在mainApp1()中主要完成I/O循环数据交换，在mainApp2()中完成ProfiDrive定位子程序模式状态机。在ProfiNet协议栈启动运行过程中涉及到的相关函数主要包括：PNIO_Init()用于初始化ProfiNet协议栈到eCOS系统接口和eCOS BSP接口的抽象层；cyg_thread_create()用于对任务的创建，该函数有八个形参，分别定义了线程优先级、执行线程的程序、线程入口的数据、线程的字符串名、线程堆栈基地址、线程堆栈大小（字节）、线程返回函数以及子线程内存对象信息，然后需要将创建的线程放入cyg_user_start()的定义函数中；PNIO_setup()函数用于启动ProfiNet协议栈，该函数一般放在线程任务的开头完成。
5.3 系统测试
系统的阶跃响应测试结果如图2所示。图中横轴为时间，单位为秒（s），每个单元格间距为0.5秒；纵轴为永磁同步电机旋转速度，单位为转每分钟(rpm)，每个单元格间距为500rpm；蓝线代表电机的参考速度，黑线代表电机实际速度。通过速度曲线图可以看到永磁同步电机从速度为零达到目标速度并保持稳定所需要的时间极短，都在0.3秒左右，符合伺服驱动器快速响应的要求。
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图2 阶跃响应测试图
正负向等速变换就是永磁同步电机在一个方向以一定速度旋转并处在稳定状态达到反方向以相同速度旋转并达到稳定状态，通过观察从第一次稳定状态到达第二次稳定状态的时间来判断永磁同步电机的动态性能。随着速度的增加反转时间也随之增加，符合预期；随着速度差的增加，超调量也随之增加；全部测试的响应时间均在极短的0.5秒以内，满足伺服驱动器的动态性能要求。
四、 结语
本文以基于ProfiDrive的伺服驱动器设计为研究对象，重点针对ProfiDrive行规、伺服驱动器硬件电路设计和永磁同步电机空间矢量控制算法进行了深入研宄。在研究的基础上，以ERTEC 200P MiniCard板卡和西门子S7-1200 PLC为依托，对伺服驱动器的硬件电路系统进行了设计和对FOC、矢量控制软件程序进行了编写，进行了伺服驱动器的系统功能测试，给出了伺服驱动器的功能测试结果，验证了本文提出的基于ProfiDrive的的伺服驱动器设计方案的可行性和实用性。
参考文献：
【1】裴安咨．ProfiDrive：统一驱动接口力促工业生产网络化与智能化[J]．中国仪器仪表，2014(9)．
【2】ProfiNet & ProfiBus技术行规ProfiDrive.
【3】闫磊．工业机器人交流伺服驱动器控制技术研究与开发[Ｄ]．东南大学，2015.
第一作者简介：李华文（1978-），男，江西宜春，电气工程师，硕士研究生，烟草工业自动化。
注：*本论文受到：
基金项目：红云红河烟草（集团）有限责任公司科技项目，合同号：HYHH2019GY01
的资助。