通用型交流伺服驅動器設計技術探討

馮兆冰 吳孔圣 王聲文 劉慶宏 王慶朋

(大連光洋科技工程有限公司，遼寧大連116600)

在數控機床應用領域，電動機驅動控制系統交流化已成為市場主流趨勢，而其中最主要的應用環節為機床進給軸傳動系統和主軸驅動系統，使用的主要執行部件有用于簡易數控車床中的主軸傳動的感應變頻電動機，用于進給軸傳動控制的永磁同步交流伺服電動機和用于加工中心等中高檔數控機床主軸驅動的異步主軸伺服電動機，其驅動系統控制器分別對應通用變頻器、交流伺服驅動器和異步主軸伺服驅動器。

目前，大多數機床應用中，至少會同時使用其中的2種，更復雜些的機床對上述3種驅動系統則同時存在應用需求。從目前交流伺服驅動器的市場情況來看，國內伺服驅動系統生產商往往每家僅能提供其中1種驅動控制器，或者不同驅動控制器分屬不同的產品系列，從而給機床用戶在選型、設計以及應用中增加很多工作量和困難，造成了不必要的浪費。而國外雖有集以上3種類型驅動控制于一體的控制器，但其價格較昂貴，不利于控制機床產品的制造成本。因此，自主研究和設計集多種類型驅動控制于一體的通用型伺服系統，具有很大必要性和實用價值。本文將在系統架構、硬件設計、算法研究以及軟件開發模型等方面，對這一課題的主要設計技術進行研究和探討。

1 結構及硬件設計

結合以往對單一類型專用型伺服驅動器產品的研發經驗，通過對3種驅動系統硬件結構的分析，不難發現，通用變頻器與同步伺服驅動器、異步主軸驅動器的硬件差別不大，而后兩者更是完全相同。下面對三者共用的通用型伺服驅動器硬件平臺的主要構成進行簡要分析和說明。

1.1 硬件架構

本文提出的通用型交流伺服系統采用共直流母線供電的模塊化結構來設計(圖1)。它主要由兩部分組成:電動機逆變模塊和電源供電模塊。

這種共直流母線結構采用電源供電集中整流和集中監控的模式，由統一的電源整流模塊來實現，各伺服逆變模塊通過并聯連接從直流母線上獲取能量。這種集中模式簡化了伺服硬件體系的結構，通過對電源的集中設計、管理和監控，提高了系統的可靠性，降低了成本。該方案是目前包括西門子等數控系統廠商在內廣泛采用的技術方案。

圖2為電動機逆變模塊的基本硬件架構，由控制器與功率級所構成，控制器以高性能數字信號處理器(DSP)為核心，功率級以高集成度的智能功率模塊(IPM)為主體，在硬件設計上力求硬件的簡單，控制功能均以軟件方式實現。以光電編碼器或旋轉變壓器為位置反饋信號傳感器，以霍爾元件作為電流反饋傳感器來檢測其中兩相實際電流，此外，實時檢測直流母線電壓來動態計算調整輸出電壓，并配合再生制動實現電動機四象限運行。所有檢測信號經由模數轉換器送入DSP中，通過高性能的控制算法綜合計算，最終由SVPWM輸出單元將功率模塊的門極驅動信號送至IPM，實現對電動機的運動控制。

1.2 控制核心器件

采用32位DSP(TMS320F2812)作為伺服控制單元的核心元件。TMS320F2812采用低功耗設計，系統時鐘頻率高達150 MHz，內部包含32×32位的硬件乘法器，改進的哈佛架構，獨立的程序和數據訪問總線，統一的內存尋址模式，可支持4 M×16位的存儲空間，并集成2個電動機控制專用外設(Event Managers，EVA，EVB)，以簡化控制系統的硬件結構。相比原來采用16位定點格式的系統，采用32位定點格式時，可顯著減弱或消除數字量化誤差導致的影響。在實際系統中，由于16位定點格式的量化誤差較大，易導致數值計算中的偽瞬態和振鈴現象，從而引起系統振動和噪音。并且，隨著系統采樣頻率的提高，16位字長的限制也會導致系統過程中有關變量、系數等的分辨率降低，從而惡化系統控制性能。而采用32位定點格式時，就可顯著減弱或消除這些現象，允許采用更高的采樣頻率，從而提高系統的帶寬，以獲得更佳的系統控制性能。

1.3 功率主電路

優秀的功率主回路設計是打造一款高性能交流伺服驅動器產品的重要基礎保證。功率主回路的設計主體為IPM，它把功率器件與起控制作用的邏輯電路、驅動電路、保護電路和檢測電路組裝在一起，主要完成信號放大，功率放大和各種保護(包括過電流保護、短路保護、超溫保護及欠壓保護)功能等。此部分電路的電氣特點為高壓大電流，除了在電子電氣原理上要滿足設計要求，還要重點關注其電磁兼容性(EMC)設計，對元器件的布局布線要求較高，特別是面對大功率設計時，功率主回路EMC設計不達標，往往是產品樣機調試階段出現的一些莫名其妙問題的根本原因。

1.4 電流檢測電路

電流控制是伺服控制的核心控制環節，高精度電流采樣技術是高精度電流控制的基礎保證。

為提高電流環的指標，傳感器至關重要，本文采用全球電量傳感器的知名制造者瑞士LEM公司的閉環電流型傳感器，具有頻帶寬、總體精度良好、響應時間短、溫度漂移低、線性度優秀、插入損耗小等優點。采用TI公司的16位高精度，高帶寬的AD轉換器作為模數轉換器件，保證了電流檢測的精度。

1.5 可靠性設計

可靠性是交流伺服驅動器必須保證的基本指標要求，本文從以下幾個方面實現電磁兼容及可靠性設計:

(1)在電氣結構設計方面避免強弱電交叉。母線高壓供電回路，電動機高壓驅動回路和弱電系統控制回路相互隔離，沒有交叉混合的地方，使布局達到最優。

(2)PCB板卡級強弱電隔離。針對電路板電壓等級的分布，在設計階段就給予充分考慮，使強弱電部分進行區域分離布線，對于IPM橋臂的供電特殊性，在板卡設計時，采用切割槽將其在空間上進行隔離，充分考慮爬電距離。

(3)IPM硬軟件多重保護。在伺服驅動器的硬件設計中充分地應用了IPM的報警信號，將報警信號送給系統中的兩個主要核心芯片DSP和自主研發的專用芯片，其具備高速實時處理功能，在50 ns之內就可以封鎖電動機控制信號，而作為核心算法的DSP芯片在接到信號后，也可以相應進行處理，雙重的保護，使得伺服驅動器在正常運行過程中，即使遇到各種原因導致的短路，都可以進行實時保護，保證硬件電路不受損壞。

(4)專用芯片上集成，簡化系統連接和結構設計。

(5)嵌入式軟件可靠性設計。采用多級軟件狗，異常處理，故障處理，完備的功率保護中斷，冗余代碼設計等以提高軟件可靠性。

(6)嚴格的器件篩選。重視對元器件供應方的考核，注意優選信譽好、質量可靠的供貨商。對于關鍵元件，即使成本高，價格貴，也堅持采用。更換供應商需經過嚴格的審核程序，較好地保證了原材料的采購與供應。

(7)高效的熱設計體系。對風冷散熱器而言就是要與周圍的空氣進行熱交換，在散熱片材質和空氣成分確定后，導熱系數為一個固定值，機箱內空間有限，因此為提高散熱效果，通用型交流伺服系統的散熱器將風扇和散熱器葉片外置，使散熱片和空氣的接觸面積大大增加，實現了優良的散熱效果。在實際應用時，配合機床電氣柜設計，采用前后貫通式安裝，在電氣柜背面形成一個密閉的風道，這樣做可以大大加熱量輻射空間，降低風阻，讓循環風將產生的熱量實時帶走。

2 控制算法研究

本文首先對通用變頻器、異步伺服驅動器和永磁同步伺服驅動器的電動機控制算法的構成、主要技術點等進行了分析，在此基礎上展開了對控制算法整合的初步研究，提出了一種合理的通用型交流伺服控制算法架構。

2.1 通用變頻器控制算法

通用變頻器的算法結構比較簡單，采用開環標量控制，通過軟件預設的V/F曲線控制電動機運行，適用于簡單的動力傳動控制。其算法框圖如圖3所示。

2.2 異步伺服電動機控制算法

目前，異步電動機主流的高性能矢量控制算法主要有直接轉矩控制(DTC)和磁場定向控制(FOC)，綜合考慮數控機床應用中對主軸傳動的要求和技術實現的復雜度，本文采用間接轉子磁場定向的矢量控制方案，其框圖如圖4所示。

該系統采用轉子磁場定向的控制策略，根據轉子磁場的位置和兩相反饋電流，通過坐標變換和PI調節器，實現對電動機定子電流瞬態轉矩分量和磁場分量的直接控制，從而獲得非常精確高效的控制性能。

異步電動機的轉子磁場角速度與其轉子的機械角速度不等，對于沒有安裝可測量轉子磁場傳感器的電動機，無法直接獲取控制算法所必須的磁場位置，因此，必須加入轉子磁鏈觀測器。最基本的電流模型觀測器(Current Model)可以根據dq軸系的電流分量ids，iqs和轉子機械角速度ωm計算出轉子磁場位置θe。

電流模型主要是依據異步電動機在轉子磁場定向時的數學模型建立。在dq軸系中:

式中:imR為轉子磁化電流分量;ωs為轉子磁鏈當前角速度的標幺值;ωr為轉子當前角速度;ωb為轉子角速度標幺值計算基值;TR為轉子時間常數，該參數值的精確性，是電流模型準確運算的基礎保證。

為對上述兩式進行離散化處理，假設采樣周期為Ts，且 iqs(k+1)≈iqs(k)，并令

則有

通過數字迭代運算得到 ωs后，就可以根據下面的積分公式計算出轉子磁鏈的位置:

式中，第一項是轉子磁鏈角的累計值，第二項是采樣周期Ts時間內轉子磁鏈角的增量。

該模塊計算需要轉子的阻抗參數，所以，轉子參數是否準確，是影響控制系統性能的關鍵因素。

2.3 永磁同步伺服電動機控制算法

圖5為永磁同步伺服電動機的矢量控制算法框圖，與異步伺服算法框圖比較不難發現，兩者結構相似，只是少了轉子磁鏈觀測器部分和勵磁磁鏈發生器，磁場的位置可由電動機軸端的傳感器直接測量。而其他主要控制算法，包括速度控制器、dq軸電流控制器、矢量坐標變換、SVPWM生成與輸出等算法實現完全相同，其中矢量坐標變換是由CLARKE變換和PARK變換及其逆變換構成。

(1)CLARKE 變換，即(a，b，c)→(α，β)

根據三相電流矢量和為0的特點可得坐標轉換公式:

(2)PARK 變換，即(α，β)→(d，q)

經推導，其坐標變換公式如下:

式中，θ即轉子磁場的位置角θe。

PARK逆變換可從上式反推得到:

綜上所述，在電動機的磁場定向矢量控制算法設計方面，除了個別算法模塊不同以外，其余部分兩者完全相同，因此完全可以將永磁同步電動機和異步電動機得控制算法在軟件架構上合二為一。另外，只需增加變頻控制的V/F曲線規劃模塊，即可通過靈活的參數配置選擇，實現伺服控制軟件在產品應用中的通用性。

2.4 通用型交流伺服控制算法架構

實際應用中，考慮到在控制性能上，V/F控制與矢量控制存在較大差距，前者基本可由后者替代，因此，本文設計的通用型交流伺服驅動器中并未包括V/F算法模塊，其架構如圖8所示，主要包含3個部分:(1)伺服控制器;(2)解耦控制器;(3)電流控制SVPWM變流器。電流控制回路采用在靜止兩軸坐標系的數字電流控制法，并加入反電動勢補償策略，以提高電流回路的帶寬。解耦控制回路采用間接式前饋轉子磁場定向控制策略。伺服控制回路則包含速度(與位置)控制器。

伺服控制器包含速度控制器與位置控制器，位置回路可根據應用需求通過伺服參數配置來選擇是否啟用，其目的在于根據位置誤差信號經補償器產生適當的速度命令，最終消除位置誤差。

速度控制器采用比例積分控制器(PI－Controller)或積分比例控制器(IP－Controller)。位置控制器則采用比例控制器。

交流永磁同步伺服電動機的的解耦控制器包含了初始轉子角度計算與估測器、同步電氣角度計算器和同步電動機弱磁控制器等。

交流異步電動機的解耦控制器則包含了勵磁磁鏈發生器、轉子磁鏈觀測器和異步電動機弱磁控制器等。

3 軟件開發模型

伺服驅動軟件的體系結構采用基于模塊化設計的層次結構。層次系統組織成1個層次結構，每一層為上層服務，并作為下層客戶。每一層最多只影響兩層，同時只要給相鄰層提供相同的接口，允許每層用不同的方法實現。

每一層的實現采用模塊化設計。模塊是1個泛稱，可以把1個函數、1個文件或1個對象等都稱為1個模塊。模塊化的程序設計中，模塊化主要是用來表明這樣一種狀況:1個模塊應該能完成1個獨立的功能或1組相關的功能，模塊對外的接口除了成員變量和成員函數外，不能有跨模塊的全局或靜態變量存在。也就是說，模塊內部不能用到別的模塊引用的全局或靜態變量。

圖9為伺服驅動軟件開發模型。在伺服軟件開發模型中，最底層為硬件平臺，軟件部分從下向上可以分為4層:

(1)調度層(虛擬層)

在嚴格的層次結構意義上講，它不應當單獨屬于一層。因為它可能會跟算法模型中的任何一層都會交互。但為了描述方便，本規范將之作為虛擬層單獨列出。該層決定了軟件任務的調度方式，在伺服驅動軟件中，比較可行的實現方式有:①基于中斷機制任務調度的方式，如DSP/BIOS，前后臺系統等;②基于搶先式任務調度的方式，如各種RTOS等。

(2)驅動層

所有硬件相關的模塊都在該層，它們負責實現模塊算法層與硬件外設的交互。并且，驅動層還包括一些虛擬的驅動模塊，如各種通信接口模塊等，可將它們看作虛擬外設處理。

驅動層模塊編碼建議使用C語言，效率敏感的模塊可編寫CcA。

(3)算法層

算法層由與硬件無關的軟件功能模塊組成。每一個模塊完成一項獨立功能，模塊完成后作為一個獨立的對象提供給上面的應用層組合使用。該層所有的模塊編碼必須使用標準C語言，對于效率敏感的模塊建議進行手工匯編優化，而源文件不作修改，以保證模塊的可復用性、可移植性和可維護性。

(4)應用層

應用層是整個軟件的系統框架，它通過組合調用算法層的各種模塊搭建而成。幾個不同的具體應用可能會調用相同的算法模塊。

考慮到應用層對于靈活性和可維護性的要求，應用層編碼必須使用標準C語言。

通過以上方法，清晰明確地區分算法模塊(硬件無關)驅動模塊(硬件相關)可以增強軟件的可移植性，包括從調試系統到最終產品的移植和不同DSP芯片之間的移植。在移植過程中，只需要修改硬件有關的驅動模塊，從而使調試時間和風險最小化。同時也有助于實現伺服驅動軟件設計的規范化、高效化，實現軟件的可復用性、兼容性、可預測性和可擴展性，并能系統地進行軟件的可靠性工程，提高軟件設計人員的團隊合作效率和研究目標的專業化、深入化。

4 結語

綜上所述，無論是從各驅動器的硬件結構，還是從控制算法角度來分析，通用型驅動器的設計均存在可行性和方便性。同時，再輔以規范、合理的軟件設計架構，必能成功地設計出優秀的通用型驅動產品，從而將大大降低機床用進給系統和主軸系統的硬件成本、設計成本和人力成本。同時也有助于驅動器研發廠商減少項目開發及維護成本，避免人力資源的浪費。

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