|
引言 伺服技術(shù)是跟蹤與定位控制技術(shù)，是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分，它廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等自動(dòng)化裝備中。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個(gè)行業(yè)對(duì)電伺服系統(tǒng)的需求日益增大，并對(duì)其性能提出了更高的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)先進(jìn)國(guó)家竟相努力的目標(biāo)，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 目前數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器基本被日本、歐美等國(guó)家壟斷。我國(guó)每年需要從國(guó)外進(jìn)口大量的此類設(shè)備用于CNC數(shù)控機(jī)床等行業(yè)，進(jìn)口驅(qū)動(dòng)器價(jià)格高，維修服務(wù)不便。我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)器于20世紀(jì)90年代開(kāi)始規(guī)模化生產(chǎn)制造。華中數(shù)控HSV系列全數(shù)字交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元具有良好的性能。我公司自主開(kāi)發(fā)的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)調(diào)速比為1:5000。 伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 數(shù)字伺服系統(tǒng)主要由五部分組成：永磁同步電動(dòng)機(jī)，電源模塊，驅(qū)動(dòng)與逆變電路模塊，速度與位置檢測(cè)電路模塊以及控制電路模塊。控制電路模塊包括核心控制芯片,人機(jī)界面和通訊模塊四部分;驅(qū)動(dòng)與逆變電路模塊包括逆變器主電路，電壓/電流采樣電路，過(guò)壓/欠壓保護(hù)、上電限流保護(hù)與制動(dòng)電路等，伺服的核心控制芯片采用TI公司最新的電機(jī)專用控制芯片TMS320F2812。 以TMS320F2812 DSP為控制核心(見(jiàn)圖 1)，接收來(lái)自CNC、編碼器接口、電流檢測(cè)模塊和故障信號(hào)處理模塊的信息，完成對(duì)永磁同步電機(jī)控制和故障處理。光電隔離模塊作為電子電路與功率主電路的接口，將DSP發(fā)出的SVPWM 信號(hào)經(jīng)送入IPM模塊，完成DC/AC逆變，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。編碼器接口將絕對(duì)式編碼器所記錄的永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁極位置、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向和編碼器報(bào)警等信息送往DSP，同時(shí)將永磁同步電動(dòng)機(jī)的位置信息送往CNC。電機(jī)相電流經(jīng)電流檢測(cè)模塊量測(cè)、濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉(zhuǎn)化為0~3V的電壓信號(hào)送入DSP的A/D引腳。功率主電路的過(guò)壓、欠壓、短路、電源掉電和IPM故障等信號(hào)經(jīng)故障檢測(cè)模塊檢測(cè)與處理后，送入DSP的I/O端口。鍵盤(pán)與顯示模塊是控制器的人機(jī)接口，用以完成控制參數(shù)的輸入，運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)顯示。存儲(chǔ)器模塊用以存儲(chǔ)控制參數(shù)與系統(tǒng)故障信息。 
逆變電路使用的是三菱公司的IPM模塊，該智能功率模塊采用第5 代IGBT 工藝，內(nèi)置優(yōu)化后的柵級(jí)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，以超小型體積，輸出功率強(qiáng)勁的三相波形。它具有以下突出性能：完整的功率輸出電路，直接連接負(fù)載;內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)電路;短路保護(hù);驅(qū)動(dòng)電壓欠壓保護(hù);采用第五代低功耗IGBT 管芯;超小型體積，僅重65 克。 數(shù)字伺服系統(tǒng)的控制策略 數(shù)字伺服系統(tǒng)一般是由三個(gè)閉環(huán)來(lái)完成，其原理如圖2所示，第一層是位置環(huán)、第二層是速度環(huán)、第三層是電流環(huán);其中位置、速度都是外環(huán)，而電流環(huán)則是系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)環(huán)，它的構(gòu)成是由核心硬件以及關(guān)鍵解算軟件組成的，全數(shù)字伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心傳動(dòng)部分，也是技術(shù)難度最大的部分，其最主要的特點(diǎn)就是高速、高精、功能豐富多樣。電流環(huán)是伺服系統(tǒng)的核心控制環(huán)，而保證速度精度以及力矩平穩(wěn)性的最關(guān)鍵就是數(shù)字伺服中的電流環(huán)的設(shè)計(jì)，所以一個(gè)系統(tǒng)性能是否優(yōu)秀與電流環(huán)的設(shè)計(jì)息息相關(guān)。
LEM傳感器與電流采樣電路 因?yàn)椴蓸拥木群退俣戎苯訉?dǎo)致整個(gè)電流環(huán)的運(yùn)算精度，從而直接對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生非常重大的影響。而在電量參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)，萊姆(LEM)公司的霍爾電流傳感器由于其穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品性能成為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選，LTS25-NP傳感器采用的是單電源供電，相對(duì)于采用雙電源供電的傳感器, 萊姆傳感器在外圍的硬件電路設(shè)計(jì)上更加簡(jiǎn)單，不需要增加電壓抬升電路從而減少電源對(duì)系統(tǒng)的干擾。此款傳感器另一優(yōu)點(diǎn)是溫漂小，精度高;而且內(nèi)置采樣電阻，其輸出端是電壓型輸出，避免了因增加外接采樣電阻以及運(yùn)放后進(jìn)入DSP使精度有所降低。 該傳感器有正極(+5)、測(cè)量端(OUT)及地(0)三個(gè)引腳，如圖3所示。該款傳感器是閉環(huán)霍爾電流傳感器，使用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測(cè)電流的模塊化產(chǎn)品。為防止干擾，在霍爾傳感器的供電電源端和地端單獨(dú)并接一只1μF的退耦濾波電容。
電流檢測(cè)電路是把永磁同步電機(jī)的三相定子電流經(jīng)傳感器后進(jìn)入DSP轉(zhuǎn)換成是數(shù)字形式并進(jìn)行一系列的變換,由于本系統(tǒng)是三相平衡系統(tǒng)：Ia+Ib+Ic=0;因此只需要檢測(cè)其中兩相電流，就可以得到三相電流。由永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，定子電流檢測(cè)的精度和實(shí)時(shí)性是整個(gè)矢量控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵，因此本系統(tǒng)采用LTS25-NP型傳感器來(lái)檢測(cè)電流。 在本系統(tǒng)中，由兩個(gè)LEM模塊檢測(cè)A相和B 相的電流。在實(shí)際調(diào)試中，由于經(jīng)過(guò)傳感器出來(lái)的電流信號(hào)有高次諧波及其它干擾信號(hào)，因此必需設(shè)計(jì)濾波器把高次諧波及其它干擾信號(hào)抑制掉。結(jié)合實(shí)際情況考慮，設(shè)計(jì)了帶有電壓跟隨的二階低通濾波器的電流檢測(cè)電路，具體電路如圖4所示。
在開(kāi)關(guān)模式控制下，相電流信號(hào)含有需要濾出的高次諧波。設(shè)計(jì)中，首先利用PSpice軟件對(duì)濾波器進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證后，確定采用二階的巴特沃斯濾波器結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)利用電流傳感器檢測(cè)電流，經(jīng)濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉(zhuǎn)化為0~3V的電壓信號(hào)送入DSP的A/D引腳。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)中，PWM頻率為15kHz，死區(qū)時(shí)間為3μs，電流環(huán)采樣周期為67μs，速度環(huán)采樣周期為0.67ms，速度環(huán)的輸出限幅值為額定電流的1.5倍，電流環(huán)的輸出限幅為額定電壓的1.2倍。實(shí)驗(yàn)控制一臺(tái)8極的永磁同步電動(dòng)機(jī)電機(jī)，其參數(shù)為:額定功率1.88kW，額定轉(zhuǎn)速 2500r/min，額定電流7.5A，額定轉(zhuǎn)矩7.5 Nm，額定電壓220V。電機(jī)分別在200rpm、2000rpm 且速度調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為：kpv=0.5，kiv=0.02;電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為：kpi=0.2，kii=0.02時(shí)的起動(dòng)—停止過(guò)程的轉(zhuǎn)速曲線分別如圖5和圖6所示。 從圖所示的實(shí)驗(yàn)波形可看出當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行在速度電流閉環(huán)狀態(tài)下,可迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，超調(diào)及穩(wěn)態(tài)誤差都很小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。 結(jié)語(yǔ) 在本系統(tǒng)應(yīng)用中，LEM傳感器能正確的測(cè)量電機(jī)電流，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出量，各方面性能指標(biāo)都能滿足本系統(tǒng)的要求。所設(shè)計(jì)的伺服驅(qū)動(dòng)控制器在數(shù)控加工中心進(jìn)行機(jī)械加工測(cè)試，得到了微米級(jí)加工精度的良好結(jié)果。 參考文獻(xiàn)： [1] 秦憶等. 現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)[M]. 武漢: 華中理工大學(xué)出版社, 1995 [2] 陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005 [3] 陳堅(jiān). 電力電子學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002 [4] 蘇奎峰, 呂強(qiáng)等. TMS320F2812原理與開(kāi)發(fā)[M], 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005 [5] 張占松, 蔡宣三. 開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)(修訂版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004 [6] 張劍, 潘月斗, 許鎮(zhèn)琳等. 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)高精度位置檢測(cè)研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2004(10) [7] LEM. LTS 25-NP系列電流傳感器DATASHEET [Z]. 北京萊姆電子有限公司 [8] LEM. LTSR 25-NP系列電流傳感器DATASHEET [Z]. 北京萊姆電子有限公司 作者：暨綿浩 廣州數(shù)控設(shè)備有限公司 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 2010-03-09 |
