全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器設(shè)計

杜仁慧，秦 雅，陶春榮，游新望

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

隨著艦載雷達(dá)技術(shù)的飛速發(fā)展，對伺服系統(tǒng)的跟蹤精度、轉(zhuǎn)速平穩(wěn)性以及可靠性等提出了更高的要求。這就需要交流伺服驅(qū)動器具有更好的動態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度、通用性和易用性。交流伺服驅(qū)動器經(jīng)歷了磁放大器控制、晶體管控制、集成電路控制、計算機(jī)控制的發(fā)展過程，如今已經(jīng)進(jìn)入了一個全新的時期，其主要標(biāo)志為數(shù)字信號處理器(DSP)和智能功率模塊(IPM)的出現(xiàn)。這使得交流伺服驅(qū)動器的模塊化和全數(shù)字化得以實現(xiàn)。[1]

針對電機(jī)控制的DSP具有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和很快的數(shù)據(jù)處理速度，可用于實現(xiàn)交流伺服控制的復(fù)雜算法，提高系統(tǒng)的控制精度和可靠性。[2-4]IPM主要功能是利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)將直流電逆變成控制電機(jī)的電壓和頻率可調(diào)的交流電，其內(nèi)部集成了IGBT及其驅(qū)動電路，同時具有短路、過流、欠壓和過熱等保護(hù)功能，具有集成度高、保護(hù)功能完善以及可靠性好等優(yōu)點。[5]本文提出了一種基于DSP和IPM的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器設(shè)計，其采用矢量控制算法實現(xiàn)了電機(jī)的位置、速度和電流全閉環(huán)控制。文中著重闡述了伺服控制單元的軟硬件設(shè)計，并給出了驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行的實驗結(jié)果。

1 伺服驅(qū)動器原理

交流伺服驅(qū)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(qū)動單元兩大部分組成。

圖1 交流伺服驅(qū)動器原理框圖

伺服控制單元中電源轉(zhuǎn)換電路主要為驅(qū)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(jī)反饋的旋變信號、三相電壓電流信號，用于電機(jī)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(xiàn)故障的檢測保護(hù)。運(yùn)行閉環(huán)控制算法輸出6路PWM信號。

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

2 伺服控制電路硬件設(shè)計

伺服控制電路是交流伺服驅(qū)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(yùn)行閉環(huán)伺服控制算法，產(chǎn)生PWM輸出信號，控制電機(jī)高性能地運(yùn)行；通過對各種故障信息的實時檢測和處理，實現(xiàn)過壓、欠壓、過流以及IPM故障等情況下的保護(hù)。從模塊化設(shè)計的角度考慮，伺服控制電路采用了DSP+FPGA的硬件架構(gòu)，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(xiàn)對電機(jī)的高性能控制，包括以下功能：

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

(2) 具有eCAN通訊模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機(jī)的通信，接收控制指令并發(fā)送驅(qū)動器的各種運(yùn)行和故障狀態(tài)；

(3) 具有多個獨立可編程的復(fù)用通用輸入輸出接口(GPIO)，能夠?qū)崿F(xiàn)對驅(qū)動器的IO操控；

(4) 具有12位的A/D轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬量輸入控制；

(5) 具有I2C總線模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)與E2PROM通信，存儲驅(qū)動器的控制參數(shù)以及歷史故障；

(6) 具有高分辨脈沖寬度調(diào)制(PWM)模塊，能夠方便地實現(xiàn)對電機(jī)的PWM控制；

(7) 具有并行總線外部接口(XINTF)，能夠?qū)崿F(xiàn)與FPGA芯片通信，接收位置、速度和電流等狀態(tài)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(xiàn)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(shè)RDC模塊接收并處理電機(jī)的位置信息；

(2) 通過外設(shè)A/D模塊接收并處理電機(jī)的三相電流和三相電壓信息；

(3) 將處理好的狀態(tài)信息和故障信息統(tǒng)一發(fā)送至DSP芯片；

(4) 接收DSP芯片發(fā)送的PWM信號，進(jìn)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(hù)。

3 伺服控制軟件設(shè)計

伺服控制軟件運(yùn)行于DSP芯片中，主要接收指令和反饋的狀態(tài)信息，并通過相應(yīng)控制算法實現(xiàn)對電機(jī)的位置、速度和電流的三閉環(huán)控制。閉環(huán)控制原理框圖如圖3所示。三閉環(huán)都根據(jù)指令和反饋的誤差設(shè)計了PI控制算法，其中電流控制算法中對電機(jī)采用磁場定向矢量控制，經(jīng)過Clark變換和Park變換將靜止ABC坐標(biāo)系下的三相電流變換成旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的兩相電流，采用閉環(huán)算法調(diào)節(jié)電機(jī)的dq軸電流，再分別通過Park逆變換、Clark逆變換以及PWM法調(diào)制定子三相電壓，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的。

圖3 三閉環(huán)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(jìn)行系統(tǒng)初始化，配置控制芯片各功能模塊寄存器參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)，接著進(jìn)行驅(qū)動器狀態(tài)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(jìn)入循環(huán)狀態(tài)。進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)后控制芯片首先接收控制指令，接收到運(yùn)行指令后打開定時器中斷。在定時器中斷子程序中執(zhí)行電機(jī)控制算法，驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行。接收到停止指令后則關(guān)閉定時器中斷，停止電機(jī)運(yùn)行。在每個定時器中斷子程序運(yùn)行結(jié)束后，查詢過壓、欠壓、過流等故障信號，若發(fā)現(xiàn)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(huán)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(qū)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(jī)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(huán)的周期。進(jìn)入定時器中斷子程序后，首先讀取電機(jī)的位置、速度和電流信息，接著根據(jù)不同的工作模式讀取位置、速度或電流指令并運(yùn)行相應(yīng)的控制算法，最后輸出控制電機(jī)的PWM信號。

4 實驗結(jié)果

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

實驗1：跟蹤額定轉(zhuǎn)速的階躍信號，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 跟蹤3 200 r/min的階躍響應(yīng)曲線

從圖4可以看出，M-407-B電機(jī)在跟蹤3 200 r/min的階躍信號時上升時間約為80 ms，超調(diào)量為1.5%，穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速波動峰峰值小于5 r/min。這表明所設(shè)計的驅(qū)動器具有很好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。

實驗2：跟蹤額定轉(zhuǎn)速的正弦信號，實驗結(jié)果如圖5所示。從圖上可以看出，電機(jī)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(shè)計驅(qū)動器在控制參數(shù)不變的情況下能夠驅(qū)動電機(jī)跟蹤階躍和正弦信號，具有很好的自適應(yīng)性能。

圖5 跟蹤正弦信號的響應(yīng)曲線

5 結(jié)束語

為了適應(yīng)艦載雷達(dá)伺服系統(tǒng)高性能的控制要求，本文基于模塊化的思想設(shè)計了一種以數(shù)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(qū)動器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、硬件集成化程度高、軟件控制算法先進(jìn)等優(yōu)點。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的交流伺服驅(qū)動器能夠在控制參數(shù)不變的情況下驅(qū)動電機(jī)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(yīng)性能。