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基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统主电路的设计
作者:刘丙友 凌有铸 赵丽    来源:《伺服控制》
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三相异步电动机, 单相电机, 马达, 伺服电机, 直流电机, ...
随着现代化工业的不断发展,交流伺服控制系统的应用越来越广泛,而高性能的全数字化伺服控制系统是当代交流伺服控制系统发展的趋势,这种系统被广泛应用在高精度数控机床、机器人、特种加工装备和精细进给系统中,因此对其性能的要求也越来越高,尤其是在军用领域和机器人系统中,要求伺服控制系统具有高速度、高精度、高可靠性及高抗干扰能力。由于集高速运算能力和面向电机的高效控制能力于一体的数字信号处理芯片DSP的应用,因此基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统逐步成为交流伺服控制系统的主流。而交流伺服控制系统的主电路是交流伺服控制系统的主要部分,主电路的性能优劣直接影响整个交流伺服控制系统的性能,因此对主电路的设计显得尤为重要。因此,对交流伺服控制系统主电路的设计成为研究的热点。本文介绍的基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统主电路由三相整流电路、智能功率模块、滤波电容、能耗制动回路组成。见图1。

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图1系统框图

主电路工作原理及各部分设计

功率主电路的作用是直接驱动伺服电机工作,主要由三相整流电路、智能功率模块、滤波电容、能耗制动回路组成。三相交流电经三相全控桥整流电路整流后,再经过滤波电容滤波,将其转换为直流电,使加于逆变器桥臂的电压为一恒压源。R和T组成能耗制动回路。智能功率模块由三相六个桥臂构成,把直流电变换成三相交流输出,即变压也变频,输到电动机的三相电压和频率都是同时变换的。实际应用上经电流反馈控制后,智能功率模块输出的三相电流为近似对称的正弦交流电流,以使电动机获得圆形旋转的气隙磁场。主电路的具体构成。见图2。

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图2 主电路原理图

三相整流电路

整流电路采用富士公司的三相整流桥6R130G-1600,整流电路为三相桥式全波整流电路,耐压高,可达1600V ,输入是三相交流电,三相输入为220V,则经整流后平均直流电压为的=2.34×220=514.8V。三相桥式全波整流电路完成工频电流到直流的转换,经整流器整流后的直流电存在脉动。滤波电容起到稳压滤波的作用,滤波电容中的滤波电容值很大。

智能功率模块

功率变换部分是永磁同步电机控制系统的重要组成部分,其功能是依据PWM控制信号将三相工频交流电变换成频率、相位和幅值均可调的交流电,功率变换单元的结构形式多种多样,而采用交一直一交变换方式的电压源逆变器,目前在永磁同步电动机控制系统中应用广泛。在功率变换单元的设计中,功率电子开关的选择很重要,IGBT由于输入阻抗高、开关损耗小、饱和压降低、通断速度快、热稳定性能好,耐高压且承受大电流、驱动电路简单而得到广泛的应用。因此,本文采用的智能功率模块是富士公司的R系列PM25RSBI20智能功率模块。它以IGBT为主开关器件,这就决定了它的开关速度较高,目前己达到20kHz。它的智能化主要表现在容易实现控制、保护和接口功能等三个方面。采用它来构建主逆变电路,可以极大地简化电路结构,同时也提高了电路工作的可靠性与稳定性。智能功率模块的内部结构。见图3。

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图3IPM的内部结构图

由图3可见,这是一种含有制动单元在内的完整的逆变器,它包括7个IGBT和它们各自的驱动保护电路,其中的6个可组成三相逆变桥,另一个再外加电阻即可构成制动单元。内含驱动电路IPM设定了内部IGBT的最佳驱动条件,驱动电路离IGBT很近,可以大大减少信号传输阻抗,且受外界的干扰很小,因此不需要加反向偏压。它共需要4组控制电源,上桥臂为互相独立的3组,下桥臂三个驱动器共用一组电源;内含各种保护,使内部ICTBT因故障损坏的机率大大降低。这些保护包括过电流保护(OC),短路保护(SC)、控制电源欠电压保护(UV)、过热保护(OH)等和报警输出;制动电路只要在外电路端子P与B之间接入制动电阻,即可实现能耗制动,散去减速时的再生电能。

参数设定

PMSM是交流伺服控制系统的执行元件,它的运行状态是交流伺服系统控制性能的体现。因此,电动机要能很好地体现各式各样的控制性能,达到各种设计要求,电动机参数与变换器各环节的参数必须很好地匹配。

滤波电容的参数设计

整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压,必须加以滤波,这要通过滤波电容C来实现。滤波电容的作用除了稳压和滤除整流后的电压纹波外,还在整个电路和逆变电路之间起去藕作用,以消除相互干扰,为感性负载提供必要的无功功率。因此,中间直流电路电容的容量必须较大,起储能作用,所以该电容器又称为储能电容。电动机制动运行时,电机转子轴系上的动能和电动机电感的贮能都要以电能的形式回馈到直流电源给电容C充电,导致电容电压迅速升高,若此电压升高得过多,会造成主回路开关器件和电容C的损坏。因此对滤波电容的容量有一定的要求:

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其中: △U一电容C电压的升高限制,一般△U=20%;
∑J一算到转子轴上的转动部分总惯量;
UC0一电容C的初始电压,UC0=Ud;
nH 一PMSM的额定转速,r/min;
K5一过载倍数;
Iφ一PMSM的额定相电流;

能耗制动回路电阻设计

由上可知,在主电路工作过程中滤波电容的电压迅速升高,若此电压升高得过多,会造成主回路开关器件和电容C的损坏。因此对于小容量的伺服驱动器要设计一个能耗制动回路。当滤波电容的电压升高到设定峰值UCMAX=+△U时,开通能耗回路开关,滤波电容和电机同时通过制动电阻放电,电容电压降到回差谷点UCMIN时,关断能耗回路。因为滤波电容C也要通过能耗电阻放电,因此以电容器C设定的是最高电压计算能耗电阻值:

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其中, 是主电路的直流母线电压

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(K0是考虑开关元件损耗的安全系数,一般取1.10)

IGBT的参数设定

在大功率电力电子器件应用中,IGBT成为主流。IGBT的优点在于输入阻抗高、开关损耗小、饱和压降低、通断速度快、热稳定性能好,耐高压且承受大电流、驱动电路简单。由于开关元件在PWM逆变器中是至关重要的器件,因此IGBT的耐压和电流容量以及开关过程中引起的发热损耗都是要认真考虑的。IGBT的电压额定,直流母线电压 可作为开关元件电压的计算依据,但还要考虑电网电压波动,过电压等因素的影响。由此得到,IGBT集电极的电压为:

VCEO=K1K2K3K4Ud (4)

式中:K1一为交流电网电压的波动系数,一般情况下K1=1.1;
K2一过电压保护程度,一般K2=1.15;
K3一考虑制动运行时,电容电压的升高一般K3=1.20;
K4一安全系数,K4=1.2;

所选元件的标称电压VCEO大于或等于上式的计算值即可。

IGBT的电流额定:

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其中:
Icm一为集电极最大电流
K5一过载倍数;
K6一为元件的利用系数,一般取1.4;

结语

本文针对基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统主电路,提出一种设计方法。主电路作为交流伺服控制系统的重要组成部分,其控制性能的优劣决定了整个系统的性能好坏。通过论证,该方法设计合理,结构简单,运行可靠,性能稳定,实现方便,控制精度高,鲁棒性强,特别适合高精度的抑制交流伺服控制系统。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2007-4-7)
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