高性能全数字交流主轴伺服驱动系统设计

作者：李叶松 黄恒 雷力 曾庆明

欢迎访问e展厅 展厅 4 伺服与运动控制展厅 电机驱动器, 伺服电机, 伺服控制系统, 数控系统, ... 文中介绍了一种高性能全数字交流主轴伺服驱动系统。该系统以智能功率模块ipm为逆变器开关元件，以高性能dsp admc401为控制核心，控制算法采用基于转子磁场定向的转差频率矢量控制，实现了电流控制、速度控制和位置控制。运行结果表明，该系统具有较高的调速性能、低速负载特性和良好的动静态性能，实现了主轴定位和c轴功能。 转差频率矢量控制 当将转子磁链旋转坐标系的d轴选取在转子磁链矢量的方向上，并控制使转子磁链在稳态时为常数，就需要控制滑差角频率ωs、转子磁链ψdr、电气角频率ω1和转子磁链角度θe，分别为： 式中: ωm—转子机械角频率 p—极对数 交流异步主轴电机的电磁转矩方程式为： 式中，ids、iqs分别是定子电流在d、q轴上的分量，l1，l2，m12分别是定、转子电感和互感，r2是转子电阻，ω1，ωs为电气角频率和滑差角频率，p =d/dt是微分算子。即可以实现转矩的线性化控制，但是在ids和iqs的状态方程中依然存在含有ids，iqs和ω1和乘积耦合项。从电流控制器设计的角度来看，有必要采取去耦控制的措施，方便控制器的设计。因此还需要在d-q坐标系上采用电压前馈补偿的方法，实现电机定子电流的转矩分量和励磁分量独立控制，这里电压前馈补偿控制如下式所示： 式中，为漏磁系数，uds，uqs是定子电压在d、q轴上的分量,u′ds和u′qs为磁场和转矩电流控制器的输出，这样可以在稳态时去除定子电流在d-q坐标系上电流分量的耦合项，控制器也可以独立地按照一阶系统设计。 系统的控制结构框图如图1所示。 系统结构 以数字信号处理器为控制核心的全数字交流主轴伺服驱动系统的结构如图2所示。从图上可以看出系统主要有以下几部分: 控制电路、主电路（包括整流电源和逆变器）以及开关电源电路。 控制电路结构 admc401高性能数字信号处理器采用16位定点dsp adsp2171的内核，并将丰富的外设控制器集成于单片之中，指令执行速度为26m ips，片内集成的主要外设包括: ·高精度8 通道a/d转换器（adc） 具有12位的转换精度，支持两通道同步采样和顺序采样，转换时间小于2μs。 ·三相16位pwm发生器（pwm） 可以编程设定开关周期、死区时间、最小脉宽限制时间，具有单刷新和双刷新两种模式，可以产生对称和非对称pwm波形、空间矢量pwm波形、pwm输出可以被外部引脚或软件编程封锁，具有较强的故障保护能力。 ·片内增量式编码器接口单元（eiu） 具有可编程的脉冲输入滤波器，可以实现倍频、辨向、计数等功能，并配合有专门的编码器事件定时器，可以方便地实现m/t法速度检测，为高性能电机控制提供高精度的位置和速度反馈。 admc401是整个系统的核心，在系统中利用它来实现矢量变换、电流环、速度环、位置环控制以及svpwm信号发生、各种故障保护处理等。为了实现系统的快速实时控制，系统在设计上采用了单片机+dsp双cpu结构，因此将系统的控制任务进行了划分:dsp完成实时性要求高的矢量控制和闭环控制，fla sh结构的单片机89c8252完成实时性要求比较低的管理任务，如控制参数设定、键盘处理、状态显示、串行通讯等，fpga实现单片机和dsp之间的并行数据交换、外部i/o信号管理、位置脉冲指令处理及计数、故障信号处理、主轴编码器计数等功能，系统可以支持模拟速度输入、数字速度输入、脉冲输入以及通过上位机对系统进行控制等多种方式。 主电路及开关电源电路 系统的主回路采用模块式设计，整流电源部分和交-直-交电压源型逆变器通过公共直流母线连接，整流电源部分采用二级管整流模块，同时系统设计了软起动电路以减少强电对主回路直流平波电容的冲击。逆变器采用智能功率模块pm 75cva 120，在系统故障保护环节中，设置了主回路过压、欠压、过热、过载、制动异常、光电编码器反馈断线、通讯故障等保护，故障信号由软硬件配合检测，一旦出现保护信号，通过软件或硬件逻辑立刻封锁pwm驱动信号。系统采用磁平衡式霍尔电流传感器采样两相电流反馈ia，ib，获得实时的电流信息。系统的控制电源采用开关电源供电，开关电源功率开关器件选用to p224。对于主轴电机光电编码器的供电电源，考虑其反馈信号线上的电压降落可能比较大，会影响到反馈信号的可靠性，因此采用带反馈调节的dc-dc变换器单独供电。 实验结果与控制功能实现 全数字交流主轴伺服驱动系统实验采用了交流变频主轴电机: 额定功率3.7kw/5.5kw; 额定电流9a; 额定同步转速1500r/min; 额定转矩24.6nm，安装在电机上的光电编码器分辨率为1000p/r。电流控制采样周期100μs，pwm开关频率10khz，速度环和位置环采样周期500μs。速度环的输出限幅值为额定电流的1.2倍。 恒转矩控制 当交流主轴伺服驱动系统运行于基速以下时,系统应具有恒转矩特性，特别是低速运行时，系统应该输出相当的转矩，并保持运行平稳。图3示出了系统给定转速为1000r/min时的速度响应曲线和电流波形，结果表明，系统的响应比较快。图4示出了系统在基速以下运行时的转矩特性，可以看出系统具有宽范围的负载转矩输出能力。 恒功率控制 当交流主轴电机运行于基速以上时，系统自动进入弱磁状态，此时在恒功率状态下运行，应保持定子电压不变，减小转子磁链，实现弱磁控制，根据转差频率矢量控制原理，定子磁链电流可以按照下式控制： 式中,ωbase为感应电机额定同步转速。 在电机进入弱磁范围运行时，为了保证有相当的电磁转矩输出，需要对速度pi调节器的转矩电流限幅值进行调整，调整方法如下： 式中，i＊qslimit为速度调节器的输出限幅值，imax为系统允许的最大输出电流，k为调整系数，一般选择小于1，目的是防止高速启动时可能出现的失速问题。图5是系统给定转速为5500r/min时的速度响应曲线。 主轴定向控制和c轴功能 利用安装在主轴电动机上的位置编码器，可方便地实现电气方式高速主轴定向控制，使主轴准确地停在规定的位置上，主轴定向位置可通过通讯的方式或手动方式方便地设置。主轴高速定向控制的实验结果如图6所示，定向过程在1.2s内完成。c轴功能可以通过速度控制向位置控制的切换来实现。 文中提出的全数字交流主轴伺服驱动系统充分利用了dsp admc401的高速运算能力和丰富的片内外设资源，保证了控制的实时性，实现了高精度调速及定位要求，具有宽调速范围，较高的控制精度，良好的动静态性能和完善的保护功能，系统调速范围达到1∶1000，恒功率范围1∶4～12。 参考文献 [1] 秦 忆,李浚源. 现代交流电机控制技术基础.广东科技出版社,1993 [2] d. w. novo tny，t. a. lipo. vector control and dynam ics of ac drives. clarendon press. oxford，1996 [3] b. k. bose. modern power elect ronics and ac drives. 北京:机械工业出版社，2003 [4] 毕承恩. 现代数控机床. 北京:机械工业出版社,1991(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/8/2008)