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基于CMC芯片的交流伺服驱动器设计

时间:2017/1/5 15:37:50     企业:《机床商情》   【字体:↑大 ↓小

    

     1. 引言
    三相永磁同步电动机(以下简称PMSM)是具有结构简单、体积小、损耗小、可靠性高、输出转矩大、功率因数高等优点,得到了越来越广泛的应用。采用高速微控制器和数字信号处理器的数字化交流伺服系统在机器人、数控机床、纺织等控制领域广泛使用。矢量控制通过编码器获得转子位置后就能方便地实现基于转子磁链解耦的控制,达到等同于直流伺服系统的控制精度。采用矢量控制的PMSM数字控制系统一般为电流环、速度环、位置环组成的串级控制系统,处在内环的电流环和速度环,其性能直接关系到整个伺服系统能否满足高速高精度的运动控制要求。随着市场需求的增加,开发具有结构紧凑、高性能和低成本的伺服系统具有广阔的市场前景。
    2. PMSM数学模型及矢量控制
    对于永磁同步电机,其定子与普通电励磁同步电机一样具有三相对称绕组,不同的是其转子上装有永久磁钢,沿用理想电动机模型的一系列假设,经过一系列推导可以得到PMSM在同步旋转d-q坐标系统中的数学模型。
        
    根据坐标变换理论,在按转子磁场定向的同步旋转 直角坐标系统中,永磁同步电机的基本方程列写如下:
        
        
        
    2. 伺服驱动器硬件设计
    驱动器硬件部分由控制电路和功率电路两部分组成。控制电路主要包括CMC+FPGA,CMC芯片是一款由浙江大学和浙江中控研究院有限公司自主研发的芯片,是将组态处理、程序存储、信号输入输出、控制算法、通讯接口等全部集成在一个芯片中的产品。主电路主要包括整流电路、滤波电路和以智能功率模块(IPM)为核心的逆变电路。功率驱动单元采用以智能功率模块IPM为核心设计的驱动芯片,IPM内部集成了驱动电路,同时具有过电流、过热、欠电压等故障检测保护电路,当系统出现问题时能及时进行自我保护,提高了系统的可靠性。系统电源输入为三相220V。总体硬件结构图如图1所示。
        
    3. 伺服驱动器软件设计
    按照结构化程序设计方法,将系统软件划分为主程序模块和矢量控制程序模块两大部分,以利于软件设计、调试、修改和维护。矢量控制软件设计采用典型的前后台模式,以主程序作为后台任务,中断服务程序作为前台任务。根据矢量控制算法的特点,中断服务程序只处理实时性高的控制子程序,包括PWM中断,功率模块保护中断和编码器零脉冲捕获中断。后台任务包括系统的参数保存、键盘处理和显示等一系列实时性不高的任务。
    主程序是软件的主体框架。其工作过程是:系统上电复位后,依次对片内外设进行初始化、从EEPROM中读出控制参数、数码管显示初始信息。初始化完成后,主程序循环执行LED显示、键盘处理和参数计算与保存。
    PWM中断程序是整个伺服控制程序的核心,实现转子磁极位置精定位,SVPWM控制信号的生成以及速度环和电流环控制,在PWM中断到来时,首先读取编码信号,进行角度和速度计算,接着进行电流采样并执行clark和park变换,然后进行PI调节、反park变换,最后进入空间矢量模块,产生SVPWM信号。功率模块保护中断用于监视IPM故障信号,一旦检测到报警信号,立即关断PWM信号。编码器零脉冲捕获中断程序通过对光电编码器零脉冲的捕获,完成电机转子的精确定位。
        
        

    4. 实验结果及分析
    本文设计了以CMC+FPGA为控制核心的全数字交流永磁同步伺服系统,系统具有软启动、过流、过压、欠压、过热、过速、位置超差、编码器故障检测以及IPM故障等保护功能。试验电机主要参数为功率2kW,电机额定转速3000r/min,实验平台如图6所示,转速与q轴电流波形如图7所示。
        
             
    5. 结语
    本文提出的基于CMC和FPGA的伺服驱动系统方案,充分利用了CMC芯片的外设资源,功率电路使用IPM以简化外围电路,整个驱动器具有紧凑的结构。实验结果该系统具有较快的动态响应和较高的控制精度,同时具有很高的性价比。
参考文献
[1]CMC-V3芯片数据手册(第一版). 浙江大学;浙江中控研究院有限公司.
[2]陈伯时. 电力拖动自动控制系统[M]. 北京:机械工业出版社, 2003.
[3]赵云. 交流电机高速化驱动关键控制技术研究[D]. 武汉:华中科技大学博士学位论文, 2012
[4]唐任远. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京:机械工业出版社, 2000.
[5]李永东. 交流电机数字控制系统[M]. 北京:机械工业出版社, 2002.
    致谢
    感谢基金项目:“基于CMC的装备数控系统的研制与应用”国家高技术研究发展计划(863计划),课题编号:2012AA041706,对本文的支持。
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