全數字交流伺服驅動器設計

杜仁慧，秦 雅，陶春榮，游新望

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

隨著艦載雷達技術的飛速發展，對伺服系統的跟蹤精度、轉速平穩性以及可靠性等提出了更高的要求。這就需要交流伺服驅動器具有更好的動態性能、穩態精度、通用性和易用性。交流伺服驅動器經歷了磁放大器控制、晶體管控制、集成電路控制、計算機控制的發展過程，如今已經進入了一個全新的時期，其主要標志為數字信號處理器(DSP)和智能功率模塊(IPM)的出現。這使得交流伺服驅動器的模塊化和全數字化得以實現。[1]

針對電機控制的DSP具有超強的數據處理能力和很快的數據處理速度，可用于實現交流伺服控制的復雜算法，提高系統的控制精度和可靠性。[2-4]IPM主要功能是利用脈沖寬度調制(PWM)技術將直流電逆變成控制電機的電壓和頻率可調的交流電，其內部集成了IGBT及其驅動電路，同時具有短路、過流、欠壓和過熱等保護功能，具有集成度高、保護功能完善以及可靠性好等優點。[5]本文提出了一種基于DSP和IPM的全數字交流伺服驅動器設計，其采用矢量控制算法實現了電機的位置、速度和電流全閉環控制。文中著重闡述了伺服控制單元的軟硬件設計，并給出了驅動電機運行的實驗結果。

1 伺服驅動器原理

交流伺服驅動器的原理框圖如圖1所示，主要由伺服控制單元和功率驅動單元兩大部分組成。

圖1 交流伺服驅動器原理框圖

伺服控制單元中電源轉換電路主要為驅動器中各模塊提供+5V和±15V電源。伺服控制電路主要接收電機反饋的旋變信號、三相電壓電流信號，用于電機控制。接收母線過壓欠壓信號、三相過流信號以及IPM故障信號等實現故障的檢測保護。運行閉環控制算法輸出6路PWM信號。

功率驅動單元主要對輸入的三相交流電進行整流濾波，通過智能功率模塊將直流電逆變成具有相應幅值和頻率的交流電，從而控制電機運行。檢測母線電壓信號和三相電壓電流信號，用于驅動器的控制和保護。

2 伺服控制電路硬件設計

伺服控制電路是交流伺服驅動器的核心部分，其主要有以下功能：接收指令信號和反饋信號，運行閉環伺服控制算法，產生PWM輸出信號，控制電機高性能地運行；通過對各種故障信息的實時檢測和處理，實現過壓、欠壓、過流以及IPM故障等情況下的保護。從模塊化設計的角度考慮，伺服控制電路采用了DSP+FPGA的硬件架構，其原理框圖如圖2所示。

圖2 伺服控制電路原理框圖

DSP芯片主要實現對電機的高性能控制，包括以下功能：

(1) 具有32位單精度浮點運算單元，能夠處理運算量較大的電機矢量控制算法以及實時性要求高的信號濾波算法等，實現對電機的高性能控制；

(2) 具有eCAN通訊模塊，能夠實現與上位機的通信，接收控制指令并發送驅動器的各種運行和故障狀態；

(3) 具有多個獨立可編程的復用通用輸入輸出接口(GPIO)，能夠實現對驅動器的IO操控；

(4) 具有12位的A/D轉換器，能夠實現模擬量輸入控制；

(5) 具有I2C總線模塊，能夠實現與E2PROM通信，存儲驅動器的控制參數以及歷史故障；

(6) 具有高分辨脈沖寬度調制(PWM)模塊，能夠方便地實現對電機的PWM控制；

(7) 具有并行總線外部接口(XINTF)，能夠實現與FPGA芯片通信，接收位置、速度和電流等狀態信息以及過壓、欠壓、過流和IPM故障等故障信息。

FPGA芯片主要實現對位置、電壓、電流和故障信號的處理，包括以下功能：

(1) 通過外設RDC模塊接收并處理電機的位置信息；

(2) 通過外設A/D模塊接收并處理電機的三相電流和三相電壓信息；

(3) 將處理好的狀態信息和故障信息統一發送至DSP芯片；

(4) 接收DSP芯片發送的PWM信號，進行互鎖后輸出；

(5) 接收母線過壓、欠壓、三相過流以及IPM故障等信號，并在故障情況下通過封鎖PWM輸出信號實施保護。

3 伺服控制軟件設計

伺服控制軟件運行于DSP芯片中，主要接收指令和反饋的狀態信息，并通過相應控制算法實現對電機的位置、速度和電流的三閉環控制。閉環控制原理框圖如圖3所示。三閉環都根據指令和反饋的誤差設計了PI控制算法，其中電流控制算法中對電機采用磁場定向矢量控制，經過Clark變換和Park變換將靜止ABC坐標系下的三相電流變換成旋轉dq坐標系下的兩相電流，采用閉環算法調節電機的dq軸電流，再分別通過Park逆變換、Clark逆變換以及PWM法調制定子三相電壓，從而達到控制電機的目的。

圖3 三閉環控制原理框圖

伺服控制的軟件主要包含主程序和中斷程序兩個部分。主程序首先進行系統初始化，配置控制芯片各功能模塊寄存器參數和系統參數，接著進行驅動器狀態自檢，判斷各個部件功能是否正常，若自檢異常則閃爍故障指示燈報警，若自檢通過便接通動力電并進入循環狀態。進入循環狀態后控制芯片首先接收控制指令，接收到運行指令后打開定時器中斷。在定時器中斷子程序中執行電機控制算法，驅動電機運行。接收到停止指令后則關閉定時器中斷，停止電機運行。在每個定時器中斷子程序運行結束后，查詢過壓、欠壓、過流等故障信號，若發現故障則立刻封鎖PWM輸出信號并閃爍故障指示燈報警，若無故障則循環等待下一個定時器中斷的到來。

定時器中斷子程序是整個伺服驅動器控制算法的核心部分，在定時器中斷子程序中完成電機位置、速度和電流控制算法。定時器中斷周期為0.1 ms，其決定了PWM輸出信號的頻率，也就是電流環的周期。進入定時器中斷子程序后，首先讀取電機的位置、速度和電流信息，接著根據不同的工作模式讀取位置、速度或電流指令并運行相應的控制算法，最后輸出控制電機的PWM信號。

4 實驗結果

所研制的交流伺服驅動器輸出功率約為6 kW。為了研究交流伺服驅動器的控制性能，適配天津東籬型號為M-407-B的伺服電機，其額定功率為5.5 kW，額定轉速為3 200 r/min。

實驗1：跟蹤額定轉速的階躍信號，實驗結果如圖4所示。

圖4 跟蹤3 200 r/min的階躍響應曲線

從圖4可以看出，M-407-B電機在跟蹤3 200 r/min的階躍信號時上升時間約為80 ms，超調量為1.5%，穩態時轉速波動峰峰值小于5 r/min。這表明所設計的驅動器具有很好的動態性能和穩態精度。

實驗2：跟蹤額定轉速的正弦信號，實驗結果如圖5所示。從圖上可以看出，電機能夠很好地跟蹤幅值為3 200 r/min，周期為1 s的速度正弦信號，跟蹤誤差的峰值小于20 r/min。這表明所設計驅動器在控制參數不變的情況下能夠驅動電機跟蹤階躍和正弦信號，具有很好的自適應性能。

圖5 跟蹤正弦信號的響應曲線

5 結束語

為了適應艦載雷達伺服系統高性能的控制要求，本文基于模塊化的思想設計了一種以數字信號處理芯片和智能功率模塊作為核心元件的交流伺服驅動器，具有結構緊湊、硬件集成化程度高、軟件控制算法先進等優點。實驗結果表明，所設計的交流伺服驅動器能夠在控制參數不變的情況下驅動電機高性能地跟蹤階躍信號和正弦信號，并且具有很好的自適應性能。