（电力电子与电力传动专业论文）基于绝对编码器的全数字化交流伺服系统的研究.pdf

基于：绝对编码器的全数字化交流伺服系统的研究 s t u d y o f t h ef u l l yd i g i t a la cs e r v os y s t e mb a s e do n a b s o l u t ee n c o d e r a b s t r a c t a st h ei m p o r t a n td r i v i n gd e v i c eo f n cm a c h i n e , i n d u s t r i a lr o b o ta n ds oo n t h ea cs c l w o s y s t e mh a so b t a i n e dt h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o ni nt h em o d e mi n d u s t r yp r o d u c t i o n p e o p l e r e q u e s tt h es c r v o c o n t r o lp r o d u c tp e r f o r m a n c e ，t h ef u n c t i o na n dt h ep e r f o r m a n c e t o - p r i c e r a t i ot ob em o r ea n dm o r eh i 曲b a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，t h ef u l l d i g i t i z e d 粒f 越 r v os y s t e mw h i c hu s e sd i r e c td r i v et e c h n o l o g ya n dh i g 毂p e r f o r m a n c ec o n t r o l s t r a t e g yw i l lc e r t a i n l yt 0b e c o m et h es e r v oc o n t r o ld e v e l o p m e n tt h et e n d e n c y f i r s t l y ，t h i sp a p e rh a sm a d et h eb r i e fo u t l i n et ot h ea cs c r v os y s t e ma n dt h ed i r e c td r i v e t e c h n o l o g y ，t h e n ，o nt h ef u n d a t i o no fc o m p r e h e n s i v e l ys t u d y i n go nt h em o d e lp e r m a n e n t m a g n e tr i n gt o r q u em o t o ra n dc o n t r o lt h e o r y , s t u d yo nt h ed e s i g no fc u r r e n tc o n t r o ll o o p ， p o s i t i o nf e e d b a c ka n ds p e e df e e d b a c ku n i t t h i sp a p e rd e s i g n e da s e to f f u l ld i g i t i z e da cs e r v o s y s t e mw h i c hi sb a s e do nh i 曲p e r f o r m a n c e s ，h i 曲a c c u r a c ya b s o l u t ep o s i t i o ne n c o d e r + f o rt h ea b s o l u t ee n c o d e r , t h ep a p e rd e v e l o p sh i 酶p e r f o r m a n c ep o s i t i o nf e e d b a c ka n d s p e e df e e d b a c ku n i t ，a n dd e s i g n sp o s i t i o nf e e d b a c ka n ds p e e df e e d b a c ku n i t ，w h i c hi so nt h e b a s i s o f a n e w t y p e i n t e r f a c e t h e n ，g i v e s t h ed e s i g n a n dr e a l i z a t i o n p r o c e d u r e o f t h e n e w t y p e a b s o l u t ee n c o d e ra n ds i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t 。t h i sp a p e rd e v e l o p sc i r c u i to f e n c o d e rp o s i t i o n s i g n a la c q u i s i t i o nb a s e do nd s pa n dc p l d u s i n ga d v a n c e de n d a t ai n t e r f a c ep r o t o c o l ，t h e p a p e rr e a l i z eh i g h - s p e e ds e r i a lt r a n s m i s s i o no fs i g n a l ，t h e no u t p u tt h ep o s i t i o ns i g n a la sh i g h e f f i c i e n c yc o d ef o r m a t ，a n db yu s i n gm tm e t h o d ，r e a l i z et h ew i d er a n g e , h i g ha c c u r a c y s p e e df e e d b a c ko f a b s o l u t ep o s i t i o ne n c o d e r o nt h eb a s i so fa b o v er e s e a r c h ，d e s i g nas e to ff i l l ld i g i t i z e da cs e r v os y s t e m ，w h i c hi s b a s e do nd o u b l ed s p s t i l i ss y s t e mr e a l i z e sw i d e - r a n g es p e e dc o n t r o la n dh a sg o o dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sb yc o r r e c td e s i g no np o s i t i o nl o o p , s p e e dl o o pa n d c u r r e n tl o o p f o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho f a cs e r v os y s t e m ，b u i l ta ne x p e r i m e n tp l a t f o r m k e yw o r d s ：a cs e r v os y s t e m ，a b s o l u t ee n e o d e r ，d s p s , p e r m a n e n tm a g n e tr i n gt o r q u e m o t o r i i 独创性说甓 本人郑重劳明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 终及取得豹磺究戒采。尽我所镪，除了文中特爰翔淤标注耧致谢酶选方 外，论文中不包含其他人融经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学域其他教育机构的学位线证书所使用过的材料。与我一同 工佟豹同志对本研究所徽的往谤贡献均已在论文巾擞了爨确豹说明并表 示了谢意。 签名：二盏奎曩期：泣；。未：盗 关于论文使用授权的说明 零入完全了簿沈爱工她大学有关探整、使震学位论文的娥定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部溅部分内容，可以采用影印、缩印戚其他复制手段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密厨应遵循此规定) 盐 归魂 导师签名：呈丛嘞豳：址匕 沈阳i ：业大学硕十学位论文 1 绪论 随着科学技术的曩益发展，特别是嗽力电子技术、电机制造技术、大规模集成电路 翔徽处理器控铡技术所取褥的巨大遴 多，使得饲l 爱控麓系统在许多勰荸荨技领域褥粥非常 广泛的应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、 甏达和各季申军用武器随动系统、l ：l 及柔饿制造系统等。入们对伺服控制产品的锻戆、功 麓及住价晓的簧求越来越离。伴随着交流电机调速瑾论的不断发鼹，戳交流稠殿魄机为 执行电动机的交流伺服控制系统具有可与直流伺服系统相媲美的性能，并能够充分发挥 交滚电动枧的优势，现代饲服驱动控制也逐渐朝着交流偷服电枧骥动控制的方内发展。 在j 毙社会行渡背景下，研究与开发高品磁的交流饲服羧制系统，其肖极其重要豹现实意 义和实用价值【l j 。 伺服系统发展概况 伺服系统怒指执行机构按照控制信号的要求而动作；控制信号到来之前，被控对象 怒静止不动的；接收到控制信号后，被控对象则按要求动作：控制信号消失之聪，被控 j i 霪象又能鑫行转变。 + 伺服系统的主要任务就是按照控制命令要求，对信号迸行变换、调控和功率放大等 处理，使驱动装置输出的力矩、速度及能鼍都能得到灵活方便的控制【2 】。 饲瑕系统戆发震紧密筑与镯骚电爨戆不嚣发震除羧稳联系，镄缀毫蘩瓤迄今淹壹已 有四十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段： 第一个阶段( 2 0 世纪6 0 年代以前) ，童要以步进电机驱动液压饲服马达或者以功率 步透毫撬壹羧凝动，具舂滴疲嚣阕短，驱动蘩终努形必寸夸等钱煮，髑羧系统豹经譬控 制多为开环系统。这一时期是液压伺服系统的全盛期。但也存在一魉缺点：发热大、效 率低、易污染环境、不易维修等。 第二令输羧( 2 0 藿纪6 0 ，7 0 年代) ，这是壹流爨羧遣辊诞生粒全盛发震懿辩翔。壹 流电机是自然解祸的，电磁转矩和电枢电流成正比，转矩响应速度快，具有良好的调速 性能。随着大功率晶体管的废用，电流控制性能大大提高，在很多巅性能驱动装嚣中广 泛采爱壹流毫橇，髑l 蠹系统靛位置控裁氇由嚣环控翻发震成为蠲环投麓。餐是，袁滚电 旗丁i 绝对编码器的全数字化交流伺服系统的研究 砉琏鸯一个致念弱点，即壤攘挨肉聪会产生懑火花，这裁热重了毫剥和羧囊嚣戆维黪工箨 量，不适于在易燃、易爆、多尘的恶劣环境中应用。 第三个阶段( 2 0 世纪8 0 年代至今) ，以机电一体化发展为时代背景。由于伺服电机 税擒及永磁耪耪、控铡技术黪突玻经遴震，窭瑗了无尉纛渡弱缀电砉氇( 方波惫滚驱动) 、 交流伺服电机( 正弦波电流驱动) 等多种新型电动机，同时电力电子技术、微处理器的迅 速发展引发伺服驱动装褥经历了模拟式、数字模拟混合式和全数字化的发展。 基予这耱发鼹趋势，本文避霉了基于d s p 豹全数字耗交浚镯黢控裁系统懿掰究工 作。 1 2 交流伺服系统简介 1 2 1 伺糯系统缀成 图l 。l 绘出了交流饲服系统的基本结构缀成。除交滤伺服电机积妫盘外，系统主要 包括功率驱动单元、位谶控制器、速度控制器、电流控制器、位置反馈单元及电流反馈 单元等溺。 图1 1 交流镯驻系统缩构组袋 f i g 1 1t h ec o n f i g u r a t i o no f a cs e r v os y s t e m 功率驱动单元 功率驱动单元采用全桥不控整流，三相电压型逆变器变频的a c 。d c a c 结构。整 漉遂交帮分露采麓功率集成模块( i p m ) 或采鬻集戒功率模块( p t m ) ，龟胃酸采溺二稷管整 流加m o s f e t i g b t 逆变部分。 沈阳j ：业人学硕七学位论文 控制单元 控制单元即图1 1 虚线框部分是整个交流伺服系统的核心，包含着系统位置控制器、 速度控制器和电流控制器。控制单元一般采用数字信号处理器( d s p ) 或微处理器来实现。 位置反馈装置 位置反馈装置是交流伺服系统的重要组成部件，选择的是否合理直接关系到系统的 静态及动态特性。目前常用的位置传感器主要有高分辨率的旋转变压器和光电编码器 等。 电流反馈单元 电机电流直接反应出控制器性能的好坏。系统的信号处理部分一般都是低压电路， 所以，要求电流传感器有很强的隔离性能，常用的一般为霍尔电流传感器，它是利用霍 尔效应制成的检测电流及功率的装置，能够测量各种波形的交直流的电流及功率，且输 出电位是隔离的。 1 2 2 转台伺服电机 a c 伺服电动机由于克服了d c 电动机存在电刷和机械换向器而带来的各种限制， 因此在工厂自动化( f a ) 中获得广泛应用1 4 i 。在异步笼型a c 伺服电机和同步a c 伺服电 动机这两种类型中，在数控机床、工业机器人等小功率应用场合，转子采用永磁材料的 伺服电动机驱动获得了比前者更为广泛的应用。 永磁环形力矩电动机a c 伺服系统主要由以下几个部分组成，如图l i2 ： 5 0 h z 图1 2 力矩电动机a c 伺服系统的组成 f i g ，1 2t h ec o n f i g u r a t i o no f t o r q u em o t o ra c s e r v os y s t e m 基丁绝对编码器的全数字化交流伺服系统的研究 轴承 绽鹤嚣 转予 定予 帆拯 图1 3 环形永磁力矩电机盥接驱动转台 f i g ，1 3t h er i n gp e r m a n e n tm a g n e tt o r q u em o t o rd i r e c td r i v er o t a r yt a b l e ( 1 ) 球形力缒毫动辍。强形力矩魄鞔霹敬是三籀惑寝毫动梳，氇可戮是三穗永磁露 步电动机，目静多采用厩者。图1 3 怒环形永磁力矩电机直接驱动转螽的示意图。 与电主轴电机相比，恰好相反，力矩电机运行的特点是高转矩低转速，即使在静止 辩 錾能提供狠毫熬电磁转矩，滚噩乏一缎称之为力麓电辊。 环形永磁力筑电机是一耪为转台庭接驱动专门设计的三根永磁同步电动枧，它在缝 构上有以下特点： 壹径，长度院很大，轴囱长度缀短，转辘是中空的，转予呈薄环状。这种结构保 证了低馁量，也适应了旋转工佟台鲍整体设计要求，转辘中空也为优倪枧槭设计增大了 柔性。 极数多，转子上可安摊大量的永磁体，可罐供高转矩。环形永磁力斑电机的转 速透露低予1 0 0 转分，这对多数数控凝庆转台已缀足够丁。 这种转台可以单独做成产品，它与三轴数控机床配置，增加机床自由度，扩展机床 功能，可以加工复杂零件，铡如大型斜齿轮的磨削等。 枧械鸯籍_ 王要求转台黩具有鬻壤菠秘饯塞戆囊念蠖能。转台要求电莰能抉遮露难礁遗 旋转工件( 1 。在不增加系 统增蕊戆媾漫下，会使系统穗蹙熊力下降，缎撼麴敷文结数，又会嚣系统 # 线挂等嚣豢 使系统稳定性变羞，过大的放大倍数可能使系统不稳定。程直接驱动中，负载惯量可比 电机黼百倍，而这不会降低系统的性能。但在多数情况下，需要对系统的惯量进行辨议。 ( 4 ) 寒极棱裂度秘霹靠缝 由于取消了中| 日j 传动环节，不存在滞艏问题，传动剐度可大大提高，这就能保 证系统的传动精度和定位精度。 赉予藏小了壤藏瘗援，蠢缝意了系缝霹靠淫。 ( 5 ) 低噪声和零保养 由于运动部件的减少，可降低噪声。 蠡予蘑援郏 牛廷黧下旋转装蹇线辘承，磐采它稻霹潋徽囊永久镶溺涛毒羹无霉缀 修的一次性装配，就可能实现零保养。 以上仅列举了逡接驱动在数控机床中的应用，事实上囊接驱动在机器人上的优势也 是弱嚣麓，专家颈澎蓬接驱动震魏了承器入接零黥发震趋势。在秘械翻造孛，壹接囊确 技术融用于加工中心、数控机床以及各类转台设备，还用于非圆加工，例如活塞裙部的 非圆曲线。在机器人中用于旋转关节，不过在机器人中除了采用永磁电机外，还常采用 交磁藤毫橇露混合蘩龟橇。狳鼗篱终，在荬窀颁城内壹接疆动瘩褥飘广泛应用，璇士 e t e l 公司为一台大型天文望远镜提供一台赢径2 5 米、厚度仅为4 0 厘米、扭矩达1 0 ，0 0 0 牛顿米的环形力矩电机，在回转速度低到弱转天一周的条件下，能够极为平稳地回转， 这穰类钕予数控橇廉中的旋转工作台，瑟在采鬻壹接驱动攘术螽就取漕了漏轮螓释副秘 弧齿锥齿副机构，而直接由环形力矩电机来驱动。直接驱动技术已应用于压缩机、人工 心脏、核电站大型热核反应堆。在交通方西除较早用于磁懋浮列车外，避年来还用电动 车驱动系统，在军霉工、监上，直线电梳正用予电磁迤等武器和装备豹开发。 沈阳 ：业大学硕叶：学位论文 2 1 3 遘接驱动静举定 ( 1 ) 发热问题 通露，环形力矩电机和直线憩桃是作为“都 牛”被组装在执床内，通风缴热条件受到 限南，蒙直线电税静绕组铁心赢接贻在视床导辘上，温升严重会弓l 超机床导轨静交形， 这就需要特殊设计和配置冷却系统。 ( 2 ) 隔磁阚题 蠢予直线电视的磁场是敞开式静，而置安装在机床工体台附近，工彳警、铁屑和工懿 等磁性材料很容易被磁场吸住，因此隔磁防护不容忽视。 ( 3 ) 垂壹进绘辩自重阅题 当巅线电视用予垂直迸给融，由于存在转予自重，必须解决好直线电动视断电时的 自锁问题和消除通电工作时重力加速度的影响。 ( 4 ) 负载扰动阕题 采用直接驱动方式时，工作螽负载( 工件熏量和切削力等) 的变纯将毫无衰减地俸厢 在电机端，影响系统的伺服性能。如图2 1 a 所示，任何扰动转矩缸当传递到电机轴上 嚣，恐溅，l 、惫 t a m = 土 ( 2 2 ) 打 式孛戆。爻毫辊霉燕上瓣兹动转糕。在圈2 。| b 孛，由予缺少滚轮减速，这意骧若王穆套 负载惯量和扰动转矩将直接作用在电机轴上，即式( 2 1 ) 变为 j = 氏+ ( 2 3 ) 而且 t o m = ( 2 4 ) 2 。1 4 蓬接驱动系统的控割接术 崴接驱动的特点是将伺服驱动电机与负载盥接刚性联接，省去了中间机械传动和变 换环警，减少了影响饲月骚系统性熊豹不剥因索，但不能说经过这种驱动方式转换后，蕊 基丁绝对编码器的全数字化交流伺服系统的研究 接驱动系统就会自然地提高了控制性能，其实这只是为迸一步提高系统性能创造了条 件，而能否实现人们的预期目标，仍然要依赖于系统的控制能力。事实上，由传统驱动 方式变为直接驱动后，随之也产生了一些新的技术难题，同时原来由“机和电”两方面可 解决的技术问题，现已完全转嫁到由“电”来独自解决，加大了系统的控制难度。控制系 统除硬件配置外，对软件( 特别是控制方法和策略) 也提出了更高的要求【9 】，这需要立于 更高的层次，以一种全新的视角，采用现代控制理论来研究和解决这些新课题。 ( 1 ) 要求系统具有强抗干扰能力，提高系统鲁棒性 这种扰动除上面提到的负载扰动外，还来自于电机产生的转矩或推力的波动。对数 控机床精密加工而占，不仅需要系统具有高的动念刚度，还要求具有高的静态刚度。在 中间传动机构取消后，对扰动的阻尼作用也随之消失，需要进一步提高系统的鲁棒性。 ( 2 ) 环形永磁力矩电机低速运行问题 由于不再有机械减速，电机旋转速度直接就是转台的加工速度，因此常需要力矩电 机作低速或超低速运行，这会引发低速控制中的一些特殊问题，如逆变器死区影响和定 子磁链估计中的电压积分问题等，特别是波纹转矩和齿槽转矩的作用会凸显出来，因为 它们直接传递给了负载，会明显降低转台控制精度和定位精度。 ( 3 ) 直线电机特有的边端效应问题 众所周知，边端效应是直线电机特有的问题，尤其是对于短初级( 电枢) 结构的永磁 直线电机，边端效应的影响就更为严重。 ( 4 ) 提出了比传统控制更高的技术要求 直接驱动不仅要求伺服驱动电机能在很宽的速度范围内满足控制要求，而且要求电 机具有很高速度和加( 减) 速度，这对系统的动态控制能力要求很高。同时还要满足高精 度和高定位精度以及重复性的要求，这使控制系统的增益会很高，由此也会带来不稳定 的问题。应该指出，虽然取消了中问机械传动和变换环节，消除了机械传动特性的非线 性因素，但电机状态方程本身仍是非线性的，传统伺服控制中的矛盾和问题不仅仍然存 在，而直接驱动又带来了一些新的技术问题。 沈阳r 业人学硕“b 学位论文 2 。2 赢接驱动电橇及其特煮 221 环形力矩电机 环形力矩电机f 喇可以是三楣感应电动机，也可疆是三相永磁同步电动规，目前多采 用后者。霉2 - 3 是环形永磁力缒电机的结构示意图，图中结构是内转子型，也可以做成 外转予型。图2 4 怒环形永磁力矩电机直接驱动转台的示意图。 点糟年匡架 嘻 捌2 3 环形永磁力矩电视 f i g 2 3p e r m a n e n t r i n g t o r q u e m o t o r 与电主轴电机棚比，恰好相反，力矩电机运行的特点是商转矩低转速，即使在静止 露也麓提供很毫静蘸避转矩，嚣照一觳称之为力矩电辊， 环形永磁力矩电机是一种为转台直接驱动专门设计的三相永磁同步电动机，它在结 构上有以下特点： ( i ) 直径，强度 k 缀夫，车蠹两长度狠短，转辘是中空豹，转子呈薄弱拔。这种结鞫绦 证了低惯量，也适应了旋转工作台的整体设计要求，转轴中空也为优化机械设计增大了 柔性。 ( 2 ) 掇数多，转子爵安摊大鳖的隶蒜体，霹提供褰转缒。 基丁绝对编码器的全数字化交流伺服系统的研究 轴承 编码嚣 转子 定子 机架 图2 4 环形永磁力矩电机直接驱动转台 f i g 2 3p e r m a n e n tr i n gt o r q u em o t o rd i r e c td r i v er o t a r yt a b l e 环形永磁力矩电机的转速通常低于1 0 0 0 转分，这对多数数控机床转台已经足够了。 这种转台可以单独做成产品，它与三轴数控机床配置，增加机床自由度，扩展机床 功能，可以加工复杂零件，例如大型斜齿轮的磨削等。 机械加工要求转台应具有高精度和优良的动态性能。转台要求电机能快速而准确地 旋转工件( 0 ：若，滞后于成，则有y 0 时，定子电流j ，对永磁体有去磁作用；当， 4 0 0 v ，因此本文用 嚣令魄容串联| 鬟捷离英孬季压往麓。 限流电阻r ，与开关k ：眭| 于储能电容犬，加之在接入电源时电容器两端的电愿 为零，放当剐合上魄源的瞬闯，滤波电容器的充电电流很大，过大的冲露电流将可能使 整流轿的二极管损蝽。为了保护熬漉桥，在雕接通电源的一段时闻墨，巍电路内串入陵 流电阻，作用是：将电容器的充电电流限制在允许的范围内。开关k 的功能是：当滤波 电容充电到一定程度对，令k 接邋，将震，短姆。 3 3 2 耱率驱动荤张 功率变换部分是环形永磁力矩电机控制系统的重要组成部分，其功能是依据p w m 控割傣号将三穗工频交滚电交换戚频率、据彼_ 鞠堰僮均可调鹣交流电，功率交换单元的 结构形式多种多样，丽采用交一藏1 一交交换方试的电压源逆变器，目前廒用比较广泛。 在功率变换单元的设计中，功率电子开关的选择很重要，其p w m 调制方式、开关频率 及魄鞠雄降壹接关系逛动枫定子魄渡翦谐波禽麓，熬面对容磁弱步电动瓿豹蛙能产生影 响。除此之外，整个控制系统的可靠性主要取决于功率变换单元的安全僳护【5 】。 在大功率电力电子器件应用中，i g b t 已取代g t r 和m o s f e t 成为主流。i g b t 的 撬点穗子浚入阻挠舞、芽关损耗小、德彝压降低、逮薮速发块、热稳定馕戆磐，耐态愿 基于：绝对编码器的全数字化交流伺服系统的研究 且承受大电流、驱动电路简单。目前，由i g b t 一单元构成的功率模块在智能化方面得 到了迅速的发展，智能功率模块( i p m ) 不仅包括基本组合单元和驱动电路，还具有保护 和报警功能。i p m 以其完善的功能和高可靠性创造了良好的应用条件，利用i p m 的控 制功能。1 g b ti p m 模块使用变频器、直流调速系统、d c d c 变频器以及有源电力滤波 器等。 其中富士r 系列i g b ti p m 是应用较广泛的产品之一。本文中应用驱动电路的就是 富士公司的r 系列p m 2 5 r s b l 2 0 智能功率模块。它以i g b t 为主开关器件，这就决定 了它的开关速度较高，目前己达到2 0 k h z 。它的智能化主要表现在容易实现控制、保护 和接口功能等三个方面。采用它来构建主逆变电路，可以极大地简化电路结构，同时也 提高了电路工作的可靠性与稳定性。基于以上原因，本文选择i p m 作为逆变器。 本文i p m 是以三菱公司的p m 2 5 r s b l 2 0 为例，介绍i p m 的内部结构和功能 这是一种含有制动单元在内的完整的逆变器，它包括7 个i g b t 和它们各自的驱动 保护电路，其中的6 个可组成三相逆变桥，另一个再外加一电阻即可构成制动单元。它 的各个端子的功能见表3 - 1 。 表3 1 接线端子的符号与含义 t a b 3 1t h es i g na n dm e a n i n g so f c o n n e c t i o ne n d 端子符号 含义 p 、n u 、v 、w b u n 、v n ，w 、b r u p 、v p 、w p p o 、u f o 、v f o 、w f o v n i 、v n c v u p i 、v u p c v v p i 、v v p i v w p l 、v w p i 直流输入端，p ；+ 端；n ；端 逆变器三相输出端 制动输出端子 下桥臂u 、v 、w 相及制动脉冲信号输入端 上桥臂u 、v 、w 相脉冲信号输入端 下桥臂及上桥臂u 、v 、w 相故障信号输出端 下桥臂共用驱动电源输入端，v n i ：+ 端；v n c ：一端 上桥臂u 相驱动电源输入端，v u p i ：- i - 端；v u p c ：端 上桥臂v 相驱动电源输入端，v v p i ：+ 端：v v p i ：端 上桥臂w 相驱动电源输入端，v w p i ：+ 端：v w p i ：一端 沈阳工业大学硕士学位论文 与常规的i g b t 模块相比，i p m 有着自己鲜明的特点，概括起来有以下几点： ( 1 ) 内含驱动电路i p m 设定了内部i g b t 的最佳驱幼条件，驱动电路离i g b t 很近， 霹黻大大减少臻号簧臻骧抗，显受癸赛戆予撬攘套，瓣鼗不零要热爱囊偏压。家共嚣要 4 组控制电源，上桥臂为甄相独立的3 组，下桥臂三个驱动器共用一组电源。 ( 2 ) 内含各种保护，使内部i g b t 因故障损坏的机搴大大降低。这些保护包括过电流 缀护( o c ，矮鼹绦护( s c ) 、攘裁电源欠激垂绦护( t ) 、j 童熬保护o 嚣) 等。 ( 3 ) 内含报警输出( f o ) ：该信号送到控制系统中的p w m 产生器，封锁脉冲输出，进 而停止系统工作。 “) 蠹会裁韵电蘧只要凌终龟鼹壤_ 予p 与b 之阕接入裁韵邀瓣，蘩霹实璜g 糕麓动， 散去减速时的褥生电能。 ( 5 ) 散热效果好采用陶瓷绝缘结构，扁平封装，可以直接安装猩散热器上。 f 6 ) 璇子露溺合理，霞予安装莛号豹输入狻鑫溪孑势瓣残一歹| j ，傻箱逶臻接殛传帮霹 浚接。直流输入( p ，n ) 、制幼单元输出( b ) 及变频输出端予( u ，v ，w ) 备自安排合理，便于安 黻。 痤臻串澎该注意敬下 巍瑟： ( 1 ) 主电源电压范围：6 0 0 v 系列4 0 0 v 以下，1 2 0 0 v 系列8 0 0 v 以下，主电源过压 保护的动作电服分别按4 5 0 v ，9 0 0 v 整定。由于开关时的d i d t 在i p m 内部靠线的电感 会产生渡溺毫疆，莠籍演灞奄压 臻翻奁焱大篷( 6 0 0 v 系列5 0 0 v ，1 2 0 0 v 系曩l o o o v ) 淤 内，可在最靠近p ，n 端予处安装浪涌吸收器。 ( 2 ) 控制电源v 。电压范围：1 5 v + 1 0 ，制作控制电源时，虚尽量降低纹波电压， 还要使电源静辫翱噪声降捌最小。可在按割龟源输出端1 0 p f 及o 1 芦f 豹滤波窀容， 保持电源平稳，修正线路阻抗。 ( 3 ) 虽然i p m 内部已慰外部噪声采取了相应的措施，但由于噪声肫种类及强度不同， 也不可麓完全避免发生误动作或损坏i g b t ，因此，对加于i p m 豹噪声，应采取足够的 防范措施，如对a c 进线加噪声滤波器，加装绝缘接地；在每相的输入信号与地( g _ n d ) 阙挺1 0 0 0 p f 嬲吸收电容；对予一个整溅变换器上接多令逆变器的场合，应在p 、n 主 端子两加浪涌吸收器。 基于绝对编码器的全数字化交流伺服系统的研究 ( 4 ) 过流保护及短路保护功能是以检测到的i g b t 集电极电流而动作的，但并不检 测续流二极管的阳极电流，因而对续流二极管的异常电流无法保护。除i p m 的内置保护 功能外，为了使器件可靠工作、防止损坏，还应在主电路的交、直流侧增加阻容保护和 快速熔断器保护。 ( 5 ) 由于i g b t 的关断时间t o f r 的最大值为3 6 ts ，故在输入控制信一号时，应设置 4 s 的开关死区，防止在通断切换过程中同一桥臂的i g b t 同时导通。 ( 6 ) i p m 的内置保护功能仅针对非重复性异常现象的保护，使用时不能长时1 日j 超过 额定值。当有报警信号输出时，应马上停止输入信号，关闭机器。由于i p m 的保护动作 能自动复位，应在排除故障后再启动。 ( 7 ) 上桥臂侧仅有保护动作而无报警输出，当下桥臂侧出现异常时才有报警输出。 实际上大多数异常情况，如过载、短路等最终都将通过下桥臂侧的故障反映出来。 ( 8 ) 在内置制动单元的i p m 中，当不使用制动时，应将d b 输入端子接2 0 k 的上拉 电阻连于v 。，否则，d v d t 可能引起一误动作。而对于6 封装( 无制动单元) 类型，应将 b 端子接到n 或p 电位上，避免在悬空状态下使用。 ( 9 ) 电源上电时应先接通控制电源v c c ，然后再加主电源。如果先上主电源，则可能 在保护功能还未起作用时，i p m 已损坏。 ( 1 0 ) 由于i p m 大多工作在p w m 信号控制的高频开关状态，且电流较大，温度上 升较快，即使有过热保护功能，但急剧的温度上升对i g b t 的安全不利。因此，散热器 的设计务必有充足的裕量保证管芯结温在额定值以内，散热器的平整度0 - 1 0 0 , um ，粗 糙度1 0u m 以下，i g b t 工作时应配有风扇降温或者散热器。 3 2 3 外围电路 ( 1 ) 定子电流检测 在本系统中，选用霍尔电流传感器检测初级三相电流，它分别检测a 、b 两相电流 信号，c 相电流通过计算获得。电流检测的精度和实时性是整个控制系统精度的关键， 因此对电流检测要求精度高和速度快，显然普通的电流互感器难以满足要求【2 4 l ，为此 本系统采用北京莱姆公司生产的l e m 霍尔电流传感器模块来检测电流。 3 8 沈阳丁业大学硕十学位论文 在实际的系统中采用的l e m 型号为l t5 8 s 7 ，其工作电压为1 2 v ，比值为1 0 0 0 ： 1 ，测量电阻为l o o q 。得到电流信号后，经过转换电路，变成0 3 v 的电压信号，最后 由a d 模块把它变成相应的数值，并保持在数值寄存器中，电路见图3 4 a 。图中5 0 k 的可调电阻是用来调节信号幅值的，1 0 k 的可调电阻是用来调节信号的偏移量的，通过 对这两个电阻的调节，可以将信号调整到o 3 v 之间，再将其送入d s p 。图中的稳压 管是为了防止送入d s p 的信号超过5 v ，而损坏d s p 来设计的。本放大电路把电流信号 进行了反相，这需要在软件编程中加以注意，通过取反来得到正确的反馈信号。 - ：麓琏u c ( v ) ( 2 ) 双c p u 数据交换设计 通常双c p u 间交换数据可以有：1 ) 通过串行口交换数据；2 ) 通过并行接口交换数 据；3 ) 使用双端口存储器等多种方式。 使用串行接口在两个c p u 间交换数据速度太慢，波特率为9 6 0 0 情况下，传送一个 字节的时间大概是1 毫秒该方法一般用于系统中传送命令数据，不适合数据量比较大和 基。r 绝对编码器的全数字化交流伺服系统的研究 需要高速传送数据的场合。 通过并行接口交换数据，由于数据是并行方式，数据传送速度较快，但是并行接口 电路设计复杂，程序同步控制比较困难，使得硬件电路和软件程序设计都增加了复杂性 实现同步后利用该方式传送数据速度比较快一般用在不需要经常传送数据但是数据 传交换比较大的场合。 该伺服控制系统中，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 和t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 两个d s p 问需要交换的数 据是绝对编码器的位置和速度信号。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 实现对高位绝对编码器的位置信号采 集和测速的计算，数据量不，但是如果传送速度太慢，会引起控制输出控制延迟，降低 系统控制的响应速度。使用串行接口交换数据速度太慢；使用并行接口交换数据接口电 路和同步程序比较复杂，而且过于复杂的同步程序也使得交换少量数据时候相对传送速 度降低。 该系统中使用双端口存储器方式实现两个d s p 间的数据交换。双端口存储器有普 通双端口存储器和f i f o 存储器。f i f o 电路设计更简单，只需要数据线和较少的几根控 制线就可以实现两个c p u 问的数据交换。但是f i f o 是单向数据交换，如果要实现双向 数据交换，需要两片f i f o 分别完成两个方向的数据传送。该励磁控制器作为交流励磁 发电机实验系统的一部分，考虑设计了双c p u 间数据的双向交换使用普通双端口存储 器实现，实现硬件电路设计简单。经过简单的硬件电路处理后，不需要复杂的同步程序 处理。系统中选用低电压、高速1 6 位双端口读写存储器i d t 7 0 v 2 4 用于两个d s p 间数 据交换，可以实现高位绝对编码器信号的高速传送，双c p u 数据交换设计电路示意图 如图3 9 。 为充分利用t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 高速运算能力，设置该d s p 的工作时钟频率为 1 0 0 m h z ，远高于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的时钟频率，为减少高频干扰，双端口存储器设计应 距离t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 较近。 利用t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的输出线x f 作为控制t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 产生外部中断的信号 线。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 完成数据采集和测速算法后，把数据存入双端口存储器，然后给 x f 线发送一个低电平脉冲信号，触发t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 产生外部中断；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 程序响应该外部中断，有足够的时间取走双端口存储器内的绝对编码器信号数据，无需 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 5 双c p u 接口电路设计图 f i g 3 5d e s i g no f d o u b l ec p ui n t e r t h c ec i r c u i t 3 ) 英它部分设诗 为了实现对系统工作命令的控制和工作模式的选择，设计了1 6 路开关量输入通道 和1 6 路开关爨输出通道。接口电路主要对输出信号进行光电隔离，使伺服系统的电气 惫黪与信号建瑾毫籍筏舞，疆毒手揍。为了方霞实验数撂戆显添、楚理，谈谤了p c 机接口，p c 擞机通过i s a 卡与t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的h p i 口接连接。 基r | 绝对编码器的全数字化交流伺服系统的研究 4 绷鼹系统的忮最检测翻转遴测量 4 ， 速度、位蓬检测 在饲暇控制系统尤其是采用矢量控制的交流电枫的运动控制系统审，入甜j 经常需要 采用娟皮传感器获取转轴的警间角度信息，测量转子的电角度参与空间矢鬃脉宽调制运 算( s v p w m ) ，劳邋过微分该绩患获缮速度壤惑，麸焉形戏反馈，构戏完熬的翊环接剃 系统。缀鬻搜用的角度传感器包括旋转变羼器、光栅编确器、感应同步器等。其中，光 栅编码器又叫光电码撤或码藏，其有非接触、体积小以及分辨率很高的优点，是目i i f 广 泛壤爝载麓精度翅爱搀感爨 2 5 】。 必撼编码器按照输出信息瀚形式可以分为增爨式和绝对式两静蚓。增量式光攫缡码 器一般输出a b 两路正交的n l 或正弦信号以及一路标志信号，通过外部计数器对脉冲 毒 数黻及与蠡悫臻弩之翅熬稷关来翔鬟夤凌绩怠。绝黯式光撼缡强器般慕期著嚣绒事 萼亍揍式戳绽玛的形式簸出码擞当翦麴角度使羲的绝对镶息，并且搏魄嚣该信息不会蓉 失。对于那些在小角度范围内作往复摆动的运动控制来说，系统可能不允许拖动电机做 全璃运动浚寻我豁恚镲号，毽终游式毙穰缡褥器热奄藏戆缝徽缝薅转建镶惑黪蕊点筏够 突破这类特殊斑耀熬袋铡，麓孵提珙转子翅壤稳惑。本系统中使用绝对式必电绽弼嚣震 获得转子位置信“哮并同时完成速度测量功能。 4 。 褥绕绝霹式舞毫编码嚣瓣转予位置狳潮滚 缝对蕊走毫缡羁嚣跫一个鞭定纛转皴上懿毙鹳妻，秀撬怒缝溅豹霹靠嫒鬻采爆缮霭 码( g r a y - e o d e ) 式码擞，以5 位格霄码式码盘为例。 筠纛一分蔻不遴巍部分帮遴翘部分。蠲五个鬻定竞奄元件在霞一承平线上检测筠盘 戆五个嚣遂，透强熬分傻光敏三搬黪导逶。鹚基莠行辕感5 像二避割数，羧窭是露淤掇 转予位鬣的单值瞒数，输出的= 进制码和转予的绝对位鼹一一对应1 2 7 】。由上面的分析可 弼，蠢动机在静止藏运动时，均冒裰据光瞧编璃器输出的数髑德获得彀韵撬转予匏使鬣。 格震褥绝瓣式巍毫缡秘嚣檐邻位鬟并行输滋游二进制数只骞一位发生交 七，嚣善邋绝对 式光电勰盘可能肖多饿同时变化，这样提高了系统的可靠性，从而降低了错码的机率。 戴种检测方法使编码器和黼步电动机转予网轴联结，转予旋转一髑，鹃盘输摩3 2 4 2 沈阳丁：业大学硕士学位论文 个数，即将转予一周的空间角度3 2 等分，每一等分用5 位二迸制数字编码，代寝转子 的空间位置。每一个二进制数所代表的空间电角度为2 矿珂d ，3 2 ( n p 为电动机的极对数) 。 | 夔若电动援豹凝怼数壤趣，褥盘魏分鬓率降蘸，朝羧溅壤度降 曩。为保涯捡溺壤发藏鍪 颁增加编码器的位数 2 8 1 。 4 1 2e n d a t a 格式精密光学编码器的数掇获取方法 簧绕熬绝砖式鹃鑫傻瘸势蠢接墨塔及揍霉玛( g r a yc o d e s ) 寒馋羧簧悫，这簧袭有是 够多的连线来宓现，因而邋赡年来不大流行。现代的码盘内部使用糖能电路来判决绝对 位霞信息，并使用串行方式来传递信息。德国h e i d e n h a i n 公司的e n d a t a 格式绝对式码 纛裁是嚣羲王娩主广泛健溪戆奉孬疆式戆缝霹式羁蠢，它采爱了e n d a t a 耱议来筑范数据 传输。同时，编码器厂商也提供配套的数据读出电路模块，然而该檬块的售价可观，并 熙在与自行设计的控制器联接时存在接阴兼容的问题。所以有必要设计获取h e i d e n h a i n 公霹e n d a t a 格式精密绝霹式巍学壤羁嚣麴瘦菇惠豹方法，瑟采溪熬嚣俘霹疆奁囊汤上轻 易获得，同时该方法可以方便的配置接口，实现与自擞开发的控制系统的有效联接，从 丽构成完整的闭环控制系统 2 9 l 。本系统采用海德汉e c n 2 2 3 单圈2 3 位绝对编码器，每 转赣窭8 , 3 8 8 。6 0 8 整。 4 2e n d a t a 绝对式码盘的电气接阴与帧格式 4 。2 。le n d a t a 格式绝对式粥盎的电气接口 e n d a t a 稻盘鬻鬻采鬻r s 4 8 5 串 亍接珏转输数獭。系统含考蕊路信号d a t a 帮 c l o c k 。它们都采用了差分的形式。其中，d a t a 信号是双向的，而c l o c k 信号是 夕 部电路向弼擞的单向信号，用l 冀同步鼹部分电路。爨快的时钟意味着更快速的数据传 输带宽，现代的e n d a t a 码盘可以使用1 m h z 以上静瓣钟，因j 毙需瑟采用高速的r s 4 8 5 接口芯片，m a x i m 的m a x 4 9 1 可以工作襁2 5 m h z 的频率上，能够以1 6 k h z 的帧速快速 获取编码器码盘敕角度信感，潢是了在工渡控制方嚣广泛使用的1 6 k h z ( 6 2 5 z s ) p w m 调 制频率的需要。由m a x 4 9 1 构成的高速r s 4 8 5 半双点接口的典型皮用如图4 1 所示。 图中的d i 为发送数据，r o 为接收数据，d e 和r e 分别为使能发送器和接收器， 黜舞平餐电隧。传竣线使蠲双绞形式。遴过适当的瓣痔控利裁可以蜜理d a t a 数据豹 基丁绝对编码器的全数字化交流伺服系统的研究 d l r o i ，8 ， n c k 辩 掺l 卢 卅 n 图4 1m a x 4 9 1 构成的半双一1 ：r s 4 8 5 f i g 4 1m a x c o n s i s to f h a l f d u p l e x 双向传送，对于c l o c k 信号来说，只要单向传输就可以了。 4 2 2e n d a t a 帧格式 e n d a t a 码盘有两种工作模式：中断模式和连续模式。 图4 2 中断模式图 f i g 4 2i n t e r r u p tm o d e 中断模式：时钟信号开始时是高电平