（电力电子与电力传动专业论文）sercos总线接口伺服驱动装置的开发与应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e r c o s ( s e r i a l r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m 、b u s i st h ei n t e m a t i o n a l s t a n d a r di e c 6 1 4 9 1 i ti sah i g hs p e e d ，s e r i a l ，r e a l - t i m ef i e l d b u si n t e r f a c eb e t w e e n d i g i t a ls e r v o sa n dm o t i o nc o n t r o ls y s t e m s t om e e tt h et e n d e n c yo f f u l ld i g i t a l i z a t i o n a n do p e ni n t e r f a c e t h es e r c o sb u st e c h n i q u ei su s e di no u rs e r v od r i v e 1 1 l e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o no f a s e r v od r i v ew i ms e r c o si n t e r f a c ei ss t u d i e di nt h i s d i s s e r t a t i o n n l em a i n w o r ki nt h i st h e s i sc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n g4 a s p e c t s ： ( 1 ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，d e c o u p l i n gc o n t r o lm e t h o d so fp e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) a n dp w mt e c h n i q u ea r ea n a l y z e d t h e n , t h eg e n e r a l d e s i g n o f s e r v od r i v ew i t hs e r c o si n t e r f a c ei sm a d eb a s e do nt h ea n a l y s i s ( 2 ) t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fs e r c o s i n t e r f a c ei nt h es e * i v od r i v ei s p r e s e n t e di nd e t a i l t h ec h i pa d m c 4 0 1i st h ec o n 缸- o lc o r eo f t h es e r c o si n t e r f a c e w h i c hi sm a i n l ym a d e u po f s e r c o n 4 1 0 b ，d e c o d ec i m u i t s ，e x t e m a lm e m o r y a n df i b e r o p t i ct r a n s c e i v e r s ( 3 ) t h ei n t e m o n n e e t i o no ft h es e r v od r i v ea n dc n ci ss t u d i e d t h es e r c o s i n t e r f a c eo fc n ci sc o n s t r u c t e db yt h es e r c o sm a s t e rc a r ds c s p 0 2 1 aw h i c hi s p r o d u c e db yi n d r a m a tc o r p o r a t i o n n 地i n t e r f a c ep r o g r a m o fs c s - p 0 2 1 ai sp r o p o s e d n ea r c h i t e c t u r eo fc n c s y s t e ma n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fm o t i o nc o n t r o lb a s e do n s e r c o sa r ed i s c u s s e d ( 4 ) t h ee x p e r i m e n ta b o u tt h ei n t e m o n n e e t i o no f t h es e r v od r i v ea n dt h ec n ci s m a d e t h i se x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es e r v od r i v e a n dt h ec n ci sf i n e t h e r e f o r e ，t h ef e a s i b i l i l yo ft h eg e n e r a ld e s i g no f t h es e r v od r i v e i sp r o v e d f i n a l l y , t h ew h o l ew o r ki ss u m m a r i z e d ，a n dt h ed i r e c t i o no f f u r t h e rr e s e a r c hi s p o i n t e d o u t k e y w o r d s ：s e r c o sb u ss e r v od r i v ef u l ld i g i t a l i z a t i o n o p e n i n t e r f a c e i i 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1绪论 1 1 1 课题的来源 本课题来源于8 6 3 计划项目“开放式体系结构智能化数控系统的工程化及产 业化”( 项目编号：8 6 3 5 1 卜8 2 0 0 0 4 ) 。 1 1 2 课题的目的及意义 伺服驱动系统是机床工作的动力装置，它在很大程度上决定了数控机床的性 能好坏，研究与开发高性能的伺服驱动系统，是现代数控机床的关键技术之一。 全数字化与接口开放化已经成为伺服驱动系统的两个重要发展趋势。一方面， 微电子技术、电力电子技术的发展，为伺服驱动系统由传统的模拟式、数模混合 式向全数字式方向发展铺平了道路。另一方面，为了满足不同伺服生产厂家的产 品互换，全数字伺服需要有一个开放式接口。国外对具有开放式接口的数字伺服 研究很多，而在我国才刚起步，与国外差距巨大。因此，加强这方面的研究，对 于提高我国的伺服驱动技术具有重大意义。 s e r c o s 总线于9 0 年代初由德国工业界提出并制订，并于1 9 9 5 年被确认为 i e c 6 1 4 9 1 国际标准，是一种用于数字伺服和运动控制系统的高速、串行、实时通 讯现场总线接口和数字交换协议。本文基于s e r c o s 总线，研究开发了一种具 有开放式接口的数字伺服驱动装置，目的在于为推动我国的伺服驱动系统向全数 字化、开放式接口发展提供理论依据和实践经验。 1 2 伺服驱动装置国内外研究概况 伺服驱动装置作为数控机床、工业机器人及其他产业机械控制的关键部件之 一，在国内外普遍受到关注。特别在2 0 世纪最后1 0 年问，随着微处理器( 特别 是数字信号处理器一d s p ) 技术、电力电子技术、网络技术、控制技术的发展，伺 服驱动装置得到了飞速发展。如果说2 0 世纪8 0 年代是交流伺服驱动装置取代直 华中科技大学硕士学位论文 流伺服驱动装置的1 0 年，那么，2 0 世纪9 0 年代则是伺服驱动装置实现全数字化 的1 0 年。 长期以来，在要求调速性能较高的场合，直流电动机一直占据主导地位。但 直流电动机却存在一些固有的缺点，如电刷、换向器易磨损，需要经常维护，换 向器会产生火花，限制了电动机的最高转速和过载能力；而且直流伺服电动机结 构复杂，制造成本高。交流电动机则没有上述缺点和限制，而且其转子惯量较直 流电机小，动态响应更好。一般来说，在同样的体积下，交流电动机的输出功率 可比直流电动机提高1 0 7 0 。此外，交流电动机容量可以制造得更大，达到更 高的电压和转速哪。正由于交流电动机的这些优势，从2 0 世纪8 0 年代起，交流 伺服系统开始逐渐并全面取代直流伺服系统。日本f a n u c 公司、三菱电机公司、 安川电机公司、德国s i e m e n s 公司、a e g 公司、力士乐i n d r a m a t 公司、美国a b 公司、g e 公司等均在1 9 8 4 年前后将交流伺服系统付诸应用。 2 0 世纪9 0 年代以来，电力电子技术、微处理器、控制理论的发展，为交流 伺服系统向全数字式发展铺平了道路。电力电子技术的发展，使得电力电子器件 从第一代( 以门极不可关断的晶闸管t h y r i s t o r 为代表) 、第二代( 以双极性全控 器件大功率晶体管b j t 为代表) 发展到了第三代( 以i g b t 为代表) 。i g b t 是一种 复合型功率器件，它集中了m o s f e t 和b j t 的优点，既具有m o s f e t 高输入阻抗、 高速开关特性，又具有b j t 大电流密度、低导通压降的特性。i g b t 电力电子器件 已发展到第三代，性能更趋优良，容量不断提高，目前单个i g b t 器件容量已达到 1 8 0 0 a 6 5 0 0 v ，已经成为伺服驱动器的首选功率开关器件，使伺服驱动器p w m 开关 频率提高到i o k h z 以上，实现了伺服驱动器的高频化，提高了系统的响应速度。 电力电子器件的应用难点在于设计合理的驱动电路和保护电路，新一代的智能功 率模块( i p m ) 集功率器件i g b t 、驱动电路、检测电路和保护电路于一体，实现 过流、短路、过热、欠压保护和软关断，模块包含三相桥逆变器，从而使装置体 积缩小，可靠性提高0 1 。微处理器的发展，实时控制的工业单片机特别是d s p 在 伺服系统中的应用，把伺服系统推向了数字化的发展新阶段。d s p 是一种高速的 微处理器，其最大特点是运算速度快，比目前1 6 3 2 位微处理器和单片机的运算 速度至少快一个数量级，d s p 这种高运算速度处理能力能够满足电流环实时控制 的高要求，并且可以采用先进的现代控制策略，获得更高的控制性能。一些控制 2 华中科技大学硕士学位论文 芯片制造商还将电机控制所必需的外围电路( 如a d 转换器、位置速度检测倍频 计数器、p v m 发生器等) 与d s p 内核集成于一体，使得伺服控制回路采样时间达 到l o o u s 以内，并可由单一芯片实现自动加、减速控制、电子齿轮同步控制，以 及位置、速度、电流三环的数字化补偿控制。以上两方面不仅为交流伺服实现数 字化奠定了基础，而且使得交流伺服更趋于小型化。目前一些发达国家的伺服系 统生产厂商基本上均能够提供全数字交流伺服系统，如日本的f a n u c 公司、三菱 电机公司、安j i i 电机公司、松下公司、山洋电机公司、德国s i e m e n s 公司、力士 乐i n d r a m a t 公司、l e n z e 公司、美国a b 公司、k o l l m o r g e n 公司、r e l l i a n c e 公 司、b a l d o r 公司、p a c i f i cs c i e n t i f i c 公司等。 全数字交流伺服技术的飞速发展，使得用户根据负载状况( 如惯量、问隙、 摩擦力等) 调整参数更为方便，也省去了一些模拟回路所产生的漂移等不稳定因 素，但在发展初期，伺服接口缺乏统一标准。大多数伺服生产厂家采用脉冲口、 串行口( 如r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 等) 实现伺服驱动与控制器的互连。这两种连接方式虽 然与传统的模拟式连接方式比起来，进步了很多，但也有着很多其自身无法克服 的缺点，如：可靠性不高，连线较复杂，可连接的伺服数受控制器脉冲口、串行 口数量的限制，系统响应速度有限等“1 。而且多个厂家的产品相互之间一般不具 备可换性，用户适配较为困难，在网络技术及基于p c 机c n c 技术快速发展的情况 下，这问题尤为突出。 8 0 年代末，随着计算机、通讯和控制技术的发展，出现了现场总线技术。现 场总线是一种连接智能现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输和多 分支结构的通讯网络4 1 ，它的出现，为解决伺服接口问题提供了新思路和新方法。 目前，在国际上具有较大影响的现场总线主要有以下几种： 1 ) p r o f i b u s 总线” p r o f i b u s 总线由德国s i e m e n s 公司于1 9 8 7 年推出，是德国d i n l 9 2 4 5 国家标 准、e n 5 0 1 7 0 欧洲标准和i e c 6 1 1 5 8 国际标准，由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 、 p r o f i b u s - f m s 三个兼容部分组成。由于p r o f i b u s f 临主要用于车间级大范围和 复杂的通信任务，以及p r o f i b u s p a 主要用于过程自动化，因此在这里只考虑 p r o f i b u s - d p 。p r o f i b u s - d p 是专门为中央自动控制系统与设备级分散的i o 之间 通信设计的，主要用于设备级的高速数据传送。p r o f i b u s - d p 采用主一从方式进行 华中科技大学硕士学位论文 工作，当系统运行时，主站按顺序访问每一个从站。在一个系统中可能有多个主 站，多个主站间通过令牌传递方式来分配系统。p r o f i b u s d p 的传输介质可以是 双绞线或光纤，传输速率可达9 6 k b i t s 1 2 m b i t s 。 2 ) c a n 总线。“”1 c a n 总线由法国b o s c h 公司于1 9 9 3 年推出，是i s 0 1 1 8 9 8 国际标准。它是一 种具有高可靠性，支持分布式控制、实时控制的多主数据总线，适用于对实时性 要求较高的小型网络。c a n 总线的多个主站依据优先权进行总线访问，网络上任 意一个节点均可以在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息，而不分主从， 通讯方式灵活。c a n 总线的传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，节点数可 达1 1 0 个，传输速率为5 k b i t s l m b i t s 。 3 ) i n t e r b u s s 总线3 i n t e r b u s - s 由德国p h o e n i xc o n t a c t 公司8 0 年代推出，是德国d i n l 9 2 5 8 国 家标准、e n 5 0 2 5 4 欧洲标准和i e c 6 1 1 5 8 国际标准。i n t e r b u s s 总线定位较低，其 协议较为简单，帧较短，数据传输无仲裁。i n t e r b u s s 的传输介质可以是双绞线 或光纤，节点数可达2 5 6 个，传输速率为5 0 0 k b i t s 。作为一种传感器执行器层 次的现场总线，它在制造业和机器加工行业得到了较多的应用。 4 ) s e r c o s 总线” s e r c o s 总线由德国机床协会和德国电力电子协会于1 9 8 7 年联合推出，是 i e c 6 1 4 9 1 国际标准。s e r c o s 总线采用光纤作为传输介质，分主站和从站，主站与 从站连成环状。一个光纤环中，可连接的从站数多达2 5 4 个。它的传输速率为 2 m b i t s 、4 m b i t s 、8 m b i t s 或1 6 m b i t s ，与所用的控制芯片有关。虽然s e r c o s 总线开始是为c n c 与数字伺服接口而开发，但迄今已被广泛应用于通用运动控制 器与数字伺服之间的接口。 从以上可以看出，虽然以上4 种现场总线都是国际标准，都具有开放性，但 相比之下，s e r c o s 总线在传输速率、传输介质等方面具有较大优势，同时，由于 s e r c o s 总线原本是为c n c 与数字伺服接口而开发，因此它更适合于多轴联动控制。 s e r c o s 总线的这些特点，使得它在数控加工中心、数控机床、精密齿轮加工 机械、印刷机械、装配线和装配机器人等运动控制系统中获得了广泛应用。”“。 例如，瑞士维发( w i f a g ) 公司生产的3 7 0 高速多色无轴印刷机具有2 l 世纪先进 4 华中科技大学硕士学位论文 水平，其重要特征之一是采用s e r c o s 总线技术实现了8 个印刷辊之间的无轴同步 传动和5 个印刷装置之间的协调控制，不仅节省了系统连线，而且极大的提高了 系统精度。美国h e r s h e y 巧克力公司将s e r c o s 总线技术用于包装生产线，不仅简 化了生产线的安装，大大的降低了成本，而且使系统的重新配置变得十分方便、 灵活。目前，很多厂商如西门子、伦茨等公司的伺服系统都具有s e r c o s 总线接口。 力士乐i n d r a m a t 公司在1 9 9 9 年之所以占据北美伺服驱动市场1 0 5 的份额、位 居第一位，方面是该公司在应用工程、销售、服务及用户支持方面的加强，另 一个主要因素是承诺开放式结构一s e r c o s 。 我国在2 0 世纪8 0 年代初期通过引进、消化、吸收国外技术，又在国家“七 五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技项目攻关，取得了很大 成果。例如江苏曙光光学电子仪器厂引进西门子技术生产的7 s c 6 1 0 伺服驱动 器，配套兰州电机厂引进西门子技术生产的永磁交流伺服电机；冶金工业部自动 化研究院生产的m c 系列交流伺服驱动器等。在国家不断组织科技攻关的同时， 些高科技公司也为我国伺服驱动技术注入了新的活力。例如北京中宝伦自动化技 术有限公司以市场为导向，不断开发新产品，1 9 9 4 年开发成功p d c 系列直流伺服 系统，扭矩从1 n m 至4 4 1 n m ，采用i p m 、p 嘲控制，调制频率达到1 5 k h z 。1 9 9 7 年 底又开发成功p a c 系列交流伺服系统，与兰州电机厂引进德国s i e m e n s 公司l f t 5 系列的9 4 个规格的无刷交流伺服电机相配套。华中数控公司、珠峰数控公司、航 天数控公司、中科院电工所等单位通过实施国家科技项目攻关，已能够向各机床 制造厂配套自身数控系统所需要的伺服系统。目前，国内全数字式伺服驱动器产 品较少，较有影响的是由华中理工大学电力系许强等研制的全数字伺服驱动系列， 范围覆盖5 n m 2 7 n m 。系统硬件以d s p 和f p g a 为控制核心，具有体积小、成本低、 性能优异等特点。 迄今，我国还没有出现带s e r c o s 总线接口的数字伺服驱动器产品。虽然近 几年来我国已经开始了基于s e r c o s 总线运动控制系统方面的研究，例如，清华 大学计算机技术应用系王文新、孙发杰等将s e r c o s 总线技术用于标准化机器人 控制器，提高了机器人控制器的精度和开放性，取得了良好效果；北京航天航空 大学机械工程及自动化学院的郇极等开发的基于s e r c o s 总线技术c h 2 0 1 0 s 数 控系统，硬件结构十分简单，但具有很强的控制功能和灵活性；可以控制1 5 0 华中科技大学硕士学位论文 个伺服电机和4 0 3 2 0 个v o 点，可以快速完成系统的扩充、裁减或部件替换； 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院的康存锋、陈卫福等人也开发了基于 s e r c o s 总线的开放式数控系统啪1 ”。但是，他们并没有自主开发s e r c o s 主站 卡和s e r c o s 总线接口伺服驱动器，而是直接购买了国外产品。 同国外相比，我国对全数字、开放式接口伺服驱动装置的研究尚处于起步阶 段。因此，加强这方面的研究与开发非常必要。 1 3 本论文的主要研究内容 本文在总结国内外现有研究成果的基础上，针对伺服驱动装置全数字化、开 放式接口的发展趋势，对相关问题做了研究。主要内容包括： 1 ) 分析了p m s m 的数学模型、矢量控制方法及实时p w m 技术，在此基础 上，确定了s e r c o s 总线接口伺服驱动装置的总体设计方案，介绍了系统硬件和 软件； 2 ) 在介绍s e r c o s 总线基本原理、s e r c o n 4 1 0 b 控制芯片的基础上，完成 了伺服驱动装置s e r c o s 总线接口设计； 3 ) 编制了s e r c o s 主站卡s c s p 0 2 i a f w ( i n d r a m m 公司生产) 的接口程 序，实现了与i n d r a m a t 公司生产的带s e r c o s 总线接口驱动控制器e c o d m v e 0 3 d k c 0 2 3 1 0 0 7 - f w 的互连。 4 ) 把s e r c o s 主站卡s c s p 0 2 i a f w 与研制的s e r c o s 总线接口伺服驱 动装置互连，取得了阶段性成果。 华中科技大学硕士学位论文 2 s e r c o s 总线接口伺服驱动装置总体设计 永磁同步电动机( p m s m ) ，气隙磁通小，具有电枢电感小，齿槽效应小的优点， 电动机的凸极效应弱，矢量控制容易，在伺服系统中获得了广泛应用。 2 1 三相永磁同步电动机的数学模型与控制方法3 l 1 3 2 - 3 3 1 。 2 1 1 三相永磁同步电动机的数学模型 三相永磁同步电动机采用三相交流供电，数学模型与普通同步电机相似，比 直流电机复杂的多，是一个多变量、非线性、强耦合的控制对象，为简化分析， 作如下假设： 1 ) 饱和效应忽略不计； 2 ) 感应反电势呈正弦分布； 3 ) 磁滞和涡流损耗忽略不计； 4 ) 不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。 图2 一l 给出了三相永磁同步电动机的结构模型。a 、b 、c 为定子上的三个线 圈绕组，各绕组的位置在空间上相差1 2 0 。将旋转坐标系的d 轴固定在转子磁 链甲，的方向上，建立随转子一起旋转的d - q 坐标系。图2 2 为p m s m 在d - q 坐标 系上的稳态矢量圈( 忽略定子电阻) 。 c 图1 - ip m s m 结构模型 图2 - 2p m s m 的矢量图 泌 华中科技大学硕士学位论文 对静止坐标系上的电枢电压瞬时值“。、“。和电枢电流瞬时值j 。、i 6 、i 。 进行旋转变换，可得由坐标系上电压瞬时值、“。和电枢电流瞬时值i q 。 芝=；f-“s”in岛o。一co。；s。(。o见a-一2：r。，3，)，一c。o；s。(。o吃a+2：jr。，3，)，j1l i 。u 。ai l cj 阡q 篇“c o s 岈( o 口- 2 ：1 ：棚3 ) ，二搿戮 1 叫， l ，rj 式中，o 。表示a 相绕组轴线相对d 轴的电角度。 由上面的假设，在随转子旋转的由坐标系上可得三相永磁同步伺服电动机 的电压方程式： 一5 心+ 鹏+ c o e t i j 4 ( 2 - - 2 ) b d = r o i d + 矿警d 一，q 式中，= l q i q ，匕= l d i a + ，、“。为由坐标系上的电枢电压分量。 为由坐标系上的电枢电流分量；厶、三，为由坐标系上的等效电感； 匕、 叩。为由坐标系上的定子磁链分量；r 。和c o 。分别为电枢绕组电阻和d q 坐标系的 旋转角频率：甲，为永久磁铁对应的转子磁链；p = ，为微分算子。三相永磁 同步伺服电动机的输出电磁转矩为 c 。= 吾以p 吒，i q + ( 三d 三，) 】( 2 - - 3 ) 而三相永磁同步伺服电动机的机械运动方程式为 乙= 瓦+ 占。+ j d r o 。，出( 2 - - 4 ) 式中，h 。是三相永磁同步伺服电动机的极对数；正，是负载转矩；b 是运动阻 尼系数；国。是机械旋转角频率；，是电动机与负载的转动惯量之和。 由坐标系的旋转角频率和电动机转子的机械旋转角频率的关系为 吐=npto(2-5) 由式( 2 2 ) ( 2 4 ) ，三相永磁同步伺服电动机的状态方程式为 华中科技大学硕士学位论文 p i l l i 等磊r l n p 巍l 附i 嘲l ( 2 _ 6 ) l gl = | - ”， 一。 g一甲，q0qh g l ” 【。j i o ”，甲，t ， b ，j i m ，j 【一瓦- ，j 状态方程。它包含了机械角频率。和由坐标系电枢电流i d 、的乘积项。由于存 在这一耦合作用，状态变量，i 。、缈，不能独立调节。因此，需要解决，i 。之间 如果三相永磁同步伺服电动机转子为圆筒型结构，即电动机气隙磁场分布均 匀，电动机感应反电势呈正弦波分布，那么，l 。= l = l 。成立，此时，三相永磁 甜i = r , f l 。o 荔一劾0 份k u d l ，爿o l i l ( 2 - - s z ， p i i - i 一”p 国。 一也工。 一n p 矿，。i qi + i “q 。i 7 h ji o y ，叩【国，j 【一瓦，j 电磁转矩为：z _ = n p 甲，f 。( 2 - - 8 ) 由式( 2 8 ) 可以看出，电磁转矩仅与交轴电流分量成正比，比例系数为 常数，只要控制f 。就可以线性的控制转矩，获得与直流电机相同的控制性能。 p m s m 作为伺服驱动时，通常实行= 0 的解耦控制。实现；0 的解耦控制， 1 ) 电压前馈解耦控制。如果引入。i 。以及国，的状态反馈，则 严刮叫脾l i q ( 2 9 ) i u 口= “；棚p _ l 口i d 。 式中，“：、“：表示d 、q 轴非耦合部分的电压。 ， 二： = 【i 乡- 。r ，o 甲i ，l o ，一”p 、= f 。i l o 二： + 。一u , 瓦i l ，o ( 2 - - 1 0 ) 9 华中科技大学硕士学位论文 耻一警+ 等 1 式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 均为线性状态方程。当按式( 2 - - 9 ) 选取电压指令u 。、 “。，令”：= 0 就能得到= 0 的控制。但电压前馈控制未引入电流反馈闭环，且需 要知道电机参数的先验知识，控制性能较差，在实际应用中较少采用。 2 ) 电流反馈跟踪控制。将指令电流囊f ：与反馈电流，f 。比较，其差值经电 流调节器g ，作用，强制i d 、i 跟踪指令电流囊f ：，这就是电流反馈跟踪控制。它。 包括a c 法和d c 法两种。电流反馈跟踪控制是一种不完全解耦控制方法，其电流 误差用较大的电流调节器增益来弥补。 电流反馈解耦控制虽然是一种近似的解耦控制方案，得到的是近似的线性化 解耦模型，却是行之有效的方法，只要采用比较好的处理方式，该方法不仅能够 获得快速高精度的力矩控制，而且控制电路简单，实现方便，且使三相永磁同步 伺服电动机在动、静态均能得到近似解耦控制。本系统中采用这种解耦控制方法。 2 2p w m 技术 精确的电流控制是实现高性能交流伺服系统的关键。数字式p w m 是数字电流 环的重要环节。电流控制器依靠p w m 技术将输出的电压指令信号转变为三相p w m 信号，分别驱动逆变器的三个桥臂，从而控制电机三相定子电流，实现电机电流 跟踪指令电流值。数字式p w m 常用的有以下几种： 1 ) 滞环法 由三个独立的滞环电流比较器组成，当各相电流误差超过误差带时改变该相 上下桥臂功率器件的开关状态，强制该相电流处在给定的误差带内，从而实现电 流的跟随。滞环法的优点是结构简单，动态响应速度很快，电流控制具有很强的 鲁棒性；缺点是开关频率不固定，电流纹波较大，可能存在极限环，三相滞环相 互独立，无零矢量控制策略，电流误差不能严格控制，误差最大可达到滞环宽度 的2 倍。 2 ) 次谐波法 次谐波p w m 又称三角波调制法，它属于载波调制，将采样值与载波信号相比 华中科技大学硕士学位论文 较而得到脉冲的前沿和后沿。根据载波和采样的不同，分为单边调制、双边对称 调制及双边不对称调制。次谐波法对各相指令电压信号分别进行调制，公用一个 载波信号，非常适用于交流式电流调节器，其输出的三相电压指令直接被调制成 三路p w m 信号，分别驱动逆变器的三个桥臂。规则采样法的主要优点是开关频率 恒等于三角形载波频率，电流纹波小，实现很容易电流纹波较小，开关频率等于 载波频率，被广泛应用于数字式电流环中。缺点是谐波失真和和电压利用率不如 空间矢量调制法。 图2 3 双边不对称调制原理图 图2 3 是规则采样法的双边不对称调制原理图，以一相为例，三角波的幅 值为v ，v 为欲转换成p 雕波的电压，采样点发生在三角载波的峰值时刻，从正 峰值到负峰值的时间间隔称为负半周，从负峰值到正峰值的时间间隔称为正半周， 它们组成一个完整的p 删周期。在负半周和正半周内，v 近似地由采样值v k ：和v 。 代替，这两个电压与三角载波的交点，表示p 删波改变状态的时刻，可由下式计 算 t k = ( i - 形v m ， 刈+ ”形) ； m “ ，负半周 ，正半周( 2 一1 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 由于双边不对称调制在一个p w m 周期内对电流采样两次，在性能上更接近自 然采样，而双边对称调制及单边调制在一个p w m 周期内支队电流采样一次，生成 的p 1 v m 脉冲的双沿位于采样点同侧，误差较大，因此，本系统采用双边不对称调 制法生成p w m 波。 3 ) 空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 平衡三相交流电压在静止坐标系里可以用一个恒定的空间矢量来代替，它的 幅值等于三相电压幅值，但以一定速度在空间旋转，空间矢量脉宽调制的原理是， 在每一个p w m 周期，用若干个开关电压矢量逼近给定的参考空间电压矢量。 空间矢量调制法不仅可以调节p w m 周期，还可以调节零电压矢量作用时间， 通过改变零电压矢量作用时间比例可以减少谐波，因此，它的逆变器电压利用率 比规则采样法高，但其算法较复杂，运算量大。 2 3s e r c o s 总线接口伺服驱动装置总体设计 新一代微处理器特别是数字信号处理器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的 出现，为实现高性能的软件伺服奠定了基础。美国a n a l o gd e v i c e 公司推出的 a d m c 4 0 1 芯片具有相当快的数字运算能力和丰富的电机控制外设，本系统选用它 作为核心控制器件来组成控制回路，用单片d s p 完成包括电流环在内的所有控制 功能。为了简化硬件，提高可靠性，本系统应用现场可编程门阵列p p g a 构成保护 电路。i p m 模块集功率器件i g b t 、驱动电路、监测电路和保护电路于一体，在高 性能交流伺服领域得到了广泛应用，本系统采用它构成功率电路部分。著名厂商 s t 公司已经取得了s e r c o s 接口硬件的生产允许，生产出的控制芯片s e r c o n 4 1 0 b 和s e r c o n 8 1 6 供c n c 和伺服生产厂家使用。本系统选择s e r c o n 4 i o b 构成s e r c o s 接口。下面从硬件和软件两方面详细介绍s e r c o s 总线接口伺服驱动装置的总体设 计。 2 3 1 硬件设计 s e r c o s 总线接口伺服驱动装置的硬件结构框图如图2 4 所示，系统硬件结 构由功率部分和控制部分两部分组成。 华中科技大学硕士学位论文 三相电源 单相电源 图2 4 伺服驱动装置硬件框图 1 ) 功率部分 功率部分主要包括三相全波整流桥、滤波、软启动、制动回路和i 蹦模块等 几部分，其中三相整流桥将三相交流电压整流为直流，经过电容器滤波平滑后提 供给i p m 模块；为了防止功率部分初始上电时，在滤波电容c 上产生的冲击大电 流，在直流母线上加入了软启动电路。起初k l 开路，c 经电阻r l 充电，有效地 限制充电电流，待直流母线电压升至一定值时k 1 闭合，r l 被短路，于是c 再充 电至正常电压值：在直流母线上还连接着由电阻r 2 和功率开关v l 组成的能耗制 动电路。当电机制动时系统机械运动部分的动能通过i p m 模块桥臂的反并联二极 管，以电能的形式对直流母线的电容c 充电，由于电容的容量有限，直流母线上 的电压将不断升高，首先使三相整流桥进入截至状态，如果不加以限制的话，将 会危及功率部分电路器件的安全，通过检测直流母线电压，当超过设定的上限值 时，使开关v l 导通，c 上的部分储能将通过电阻r 消耗，使直流母线电压下降； 华中科技大学硕士学位论文 i p m 模块选用三菱的p m 3 0 c s j 0 6 0 ，在p w m 控制信号的驱动下，i p m 模块将输入的 赢流电变成电压与频率可调的交流电，输入到伺服电动机的电枢绕组中，简化了 硬件设计同时提高了可靠性；开关电源部分为系统提供所有的低压直流电源，包 括一组+ 5 v ，供给数字集成电路，两组1 2 v 供给控制部分的模拟电路，四组+ 1 5 v 供给i p m 模块驱动电路，其中三组供给上桥臂，一组供给三个下桥臂。这种开关 电源不仅在体积、重量、效率、抗干扰等能力比线性稳压电源更优良，而且能适 应输入电压在很宽范围内变化。 2 ) 控制部分 控制部分主要由a d m c 4 0 1 最小系统、f p g a 和s e r c o s 总线接口几部分构成。 ( 1 ) a d m c 4 0 1 最小系统 a d m c 4 0 1 最小系统主要由a d 牝4 0 芯片、外接程序存储器e 2 p r o ma t l 7 c 1 2 8 、 数据存储器e 2 p r o ma t 9 3 c 4 6 、晶振、复位电路组成。 a d m c 4 0 1 是美国a n a l o gd e v i c e s 公司推出的专用于电机控制的d s p 芯片。它 将数字信号处理的高速运算能力与面向电机的高效控制能力集于一体，并且具有 故障监测和通讯功能，便于实现各种复杂的控制策略。a d m c 4 0 1 主要有以下几个 特点1 ： 具有2 6 m i p s 定点d s p 内核，单指令执行周期为3 8 5 n s ： 采用改进哈佛结构，有独立的程序存储器和数据存储器( 2 k x2 4 b i t 片内程 序r a m ，2 k 2 4 b i t r o m ，1 k x1 6 b i t 片内数据r a m ) ，1 4 为地址总线和2 4 位数据总线 供外部存储器扩展用； 三个独立计算单元：算术逻辑单元( a l u ) 、乘法器累加器( m a u ) 和桶型移 位器单元( s h i f e r ) 。 两个独立的数据地址发生器。 具有归零循环指令、条件转移执行指令、多功能指令。能响应各种内核中断、 电机控制外设中断及其它中断，内核中断包括串行口s p o r t o 接收和发送中断、串 行口s p o r t i 接收和发送中断、内部定时器超时中断、2 个软件中断、r e s e t 中断、 p o w e r d o w n 中断和外设( i r q 2 ) 中断。电机控制外设中断及其它中断包括p w m s y n c 中断、a d c 转换结束中断、编码器循环超时中断、5 个p i o 中断、时间定时器中断、 编码器计数错误中断和p w m 中断。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 丰富的专门为电机控制设计的片内外设 a 高精度多通道a o 转换模块：a d 转换器分辨率为1 2 位，支持同时采样和 顺序采样，转换时间小于2 u s ； b 三相1 6 位p w m 发生器：开关频率、死区时间、最小脉宽可编程，能产生6 路p w m 输出，支持对称、非对称规则采样p w m ； c 编码器接口单元( e i u ) ：具有四路输入信号( e i a 、e i b 、e i z 及e i s ) ，可编 ， 程噪声滤波电路，具有计数错误监测功能。 a d m c 4 0 1 作为伺服装置控制部分核心器件，主要完成电流环、速度环和位置环 计算、s e r c o s 接1 2 管理等功能。系统程序保存在一片串行e 2 p r o ma t l 7 c 1 2 8 中， 上电时由a d m c 4 0 1 通过s p o r t l 自动将程序引导并装载到片内程序r a m 中，装载结 束后，程序从地址o x 0 0 6 0 处开始执行；控制系统的参数保存在一片串行的 e 2 p r o m 9 3 c 4 6 中，它既能读写又具有非易失性，方便参数的修改和存储。 ( 2 ) f p g a 现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，不仅集成度高、 工作速度快，基本逻辑单元功能特强，而且具有现场可重复编程的优点，在数字 技术领域获得了广泛应用。目前，f p g a 产品有多种，它们不仅在基本单元的规模、 单元的逻辑功能、i 0 的结构和性能、连线的机制以及工作参数等均各不相同，且 在可编程特性和编程技术等方面大相径庭。本系统采用a c t e l 公司生产的f p g a ， 芯片型号为为a 4 2 m x 0 9 ，它具有9 0 0 0 门密度，1 0 4 个i o ，5 1 6 个触发器，其中包 括3 4 8 个专用触发器啡1 。在系统中，f p g a 主要完成以下功能： 复位信号与f p g a 相连，复位时由f p g a 封锁桥臂驱动信号的输出，保证功 。 率器件处于关闭状态。 初始上电时，编码器将u 、v 、w 信号传送给f p g a ，由f p g a 确定磁极的初始 位置，并供a d m c 4 0 1 查询，这是磁场定向控制策略中极重要的一步。 功率部分传送过来的系统过压、欠压、过热、制动异常、i p m 损坏、电机 过温、码盘断线等故障信号送至f p g a 进行锁存。在出现任一种故障时， f p g a 立 即封锁桥臂驱动信号的输出，故障信号也供a d m c 4 0 1 查询，以便判断是否由故障 存在，当发现存在故障时，a d m c 4 0 1 转向故障处理。 ( 3 ) s e r c o s 总线接口 s e r c o s 总线接口主要由s e r c o s 总线控制芯片s e r c o n 4 l o b 、g a l l 6 v 8 、存储器 华中科技大学硕士学位论文 c y 7 c 1 9 9 和光纤收发器等几部分构成。s e r c o s 总线接口的设计将在第三章中详细 介绍。 2 3 2 软件设计 由2 2 2 节可知，电流反馈解耦控制虽然是一种近似的解耦控制方案，但却 是行之有效的方法，本系统采用电流反馈解耦控制方式，如图2 5 所示。 型三月救 图2 - 5 电流反馈解耦控制 伺服装置的系统软件由主程序和中断服务程序两部分构成。其中，主程序的 功能是完成系统初始化，初始化结束后，循环等待中断发生：中断服务程序的功 能包括两部分：( i ) 响应由p 啊d s y n c 信号产生的定时中断；( 2 ) 响应由控制芯片 s e r c o n 4 1 0 3 产生的中断。 1 ) 主程序 主程序的流程图如图2 - 6 所示。系统初始化部分包括设置中断模式、初始化 特殊寄存器( 如看门狗定时器、控制寄存器等) 、初始化s e r c o n 4 1 0 b 芯片及初始 化数据变量。随后，读取转子磁极初始位置，这是磁场定向控制策略实施的基础。 在进入循环等待之前，需要检测是否存在故障( 如主电路过压、欠压、i p m 损坏 等) ，如果发现故障，则转入故障处理；如一切正常则进入循环等待状态，等待中 断事件的发生。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 6主程序框图 2 ) 中断服务程序 如前所述，中断服务程序的功能包括两部分：( 1 ) 响应由p 删s y n c 信号产生 的定时中断；( 2 ) 响应由控制芯片s e r c o n 4 1 0 b 产生的中断。下面将说明第一部分 功能，第二部分功能在第三章中详细介绍。 a d m c 4 0 1 的p w m 发生器支持两种模式：单刷新模式和双刷新模式。本系统中 采用双刷新模式，由于采用双刷新模式，在每个三角波调制周期内，将产生两个 p 删s y n c 同步信号，因此，在每个调制周期内，将产生两次p w m s y n c 中断。调制 周期可以通过寄存器p i b t t m 进行设定，本程序中将p w m t m 设为o x 0 5 1 0 ，这样，每 5 0 u s 将产生一次p 州s y n c 定时中断。p 删s y n c 中断服务流程图如图2 7 所示。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 图2 7 p w m s y n c 中断服务流程圈 由流程图可知，进入中断服务程序后，首先判断电流零偏值是否已知。若未 知，则进行电流零点自检。由于霍尔式电流传感器存在零偏现象，即使电流为零 时，也会输出一个失调电压值，一般为几个毫伏，最大可达1 0 2 0 毫伏，如果不 对其进行补偿，则会影响空载、