基于可编程逻辑器件的交流伺服电机驱动保护器设计

1、第44卷2011年第10期10月MICROMOTORS 收稿日期:2011-11-24作者简介:王阿萍(1985,女,硕士研究生,主要研究方向为电机伺服控制技术。马瑞卿(1963,男,教授,博导,主要研究方向为电机驱动与控制技术、电力电子与电源变换技术等。张翔(1986,男,硕士研究生,主要研究方向为电机控制技术。邓南(1986,男,助理工程师,主要研究方向为直流电机设计。基于可编程逻辑器件的交流伺服电机驱动保护器设计王阿萍1,马瑞卿1,张翔1,邓南2(1.西北工业大学自动化学院,西安710129;2.西安微电机研究所,西安710077摘要:设计了一种全数字高可靠性交流伺服电机驱动器。该驱动器

2、以复杂可编程逻辑器件(CPLD 为控制核心,结合智能功率模块(IPM ,针对交流伺服电机的驱动与保护特点,实现了对SVPWM 信号的死区控制和系统的多种故障保护。给出了核心单元、信号检测及保护电路的设计以及关键环节的保护时序图。实验结果表明:该驱动器工作稳定、可靠,所采取的保护措施快速、有效。关键词:伺服电机;复杂可编程逻辑器;智能功率模块;功率驱动;保护技术中图分类号:TM301.2;TM359.9文献标志码:A文章编号:1001-6848(201110-0092-04Reliable Drive and Protection Technology of AC Servo Motor Bas

3、ed on CPLDWANG Aping 1,MA Ruiqing 1,ZHANG Xiang 1,DENG Nan 2(1.School of Automation ,Northwestern Polytechnical University ,Xi'an 710129,China ;2.Xi'an Micromotor Research Institute ,Xi'an 710077,China Abstract :A high reliability digital AC servo motor drive was designedFor driving and

4、protecting character-istics of AC servo motor ,the dead zone control of SVPWM and the protection of many kinds of fault were re-alized with complex programmable logic device (CPLD as the core drive unit combined with intelligent pow-er module (IPM The design of core unit ,signal testing and protecti

5、ng circuit were showedAnd the pro-tection timing diagram of key part was presentedThe experimental result of demonstrates the driver is stable and reliable and the measures of protection can work quickly and effectivelyKey words :AC servo motor ;CPLD ;IPM ;power drive ;protection technology0引言交流伺服电机

6、一般可分为同步和异步电机,目前运动控制中一般采用永磁同步电机,其功率范围大,转速与频率成正比,低速运行转矩平稳,且功率因数较高。在电动舵机及一些高频响系统中,往往需要频繁地进行正/反转,对于大功率电机就会带来较大的电压和电流冲击,因此驱动与保护就成为交流伺服驱动控制系统中最关键的部分13。复杂可编程逻辑器(CPLD 是将多个可编程阵列逻辑(PAL 器件集成到一个芯片。其集成度高、成本低,可以有效地减小系统的硬件规模。在信号采集系统中通常采用的DSP ,其外设丰富,运算能力强。但由于存在软件成分,不适合进行快速保护与信号锁定。CPLD 运行速度快,可同时处理组合和时序逻辑,其内部硬件逻辑电路可以

7、像软件一样编程和修改,设计灵活,可靠性高。本文针对大功率交流电机伺服驱动器,采用CPLD 进行驱动信号处理和故障保护功能设计,可大大提高了其可靠性46。1驱动器的组成原理驱动器先将SVPWM 信号经过调理电路转换成大功率的同步电机驱动信号,实现对电机的驱动,同时与保护信号进行逻辑综合。驱动器原理如图1所示,主要由逻辑时序单元、功率驱动部分、信号隔离和信号采集电路四部分组成。逻辑时序单元接收6路SVPWM 信号和由检测电路产生的各种逻辑保护信号,经内部逻辑时序处10期王阿萍等:基于可编程逻辑器件的交流伺服电机驱动保护器设计 理和计数,输出实际驱动和故障指示信号。功率驱动部分是将隔离电路输出的控制

8、信号转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间,可以使其开通和关断的信号,用于驱动三相逆变桥,输出供给电机的三相交流电压。为保证系统的可靠运行,需要进行强弱电的电气隔离,本驱动器采用高速光耦对6路SVPWM 驱动信号进行隔离。信号采集电路将功率部分的高电压、大电流模拟信号经过隔离、调理、比较后输入到逻辑时序单元。 图1驱动器原理框图2硬件设计2.1功率驱动部分图2中三相桥式逆变器采用7管智能功率模块(IPM PM200RLA060。IPM 不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起,而且还包含过电流和过热等故障保护电路,当流经功率管的电流超过最大峰值电流时,功率管关断,IPM 模块过流保护,并可将保

9、护信号输出到控制部分。IPM 一般使用IGBT 作为功率开关元件,具有集成度高、可靠性好、使用方便的特点,应用越来越广泛。该模块内置三相全桥逆变器和一个刹车功率管,其耐压600V ,额定电流200A ,最大峰值电流400A ,G1 G6组成三相全桥逆变器,G7通过外接电阻R 为电机进行制动或刹车。当制动或刹车造成母线电容电压泵升时,功率管G7开通,此时母线电容C d 的能量经由R 和G7进行释放,当G7关断时,刹车电流经由D7续流。图2逆变器主功率电路示意图2.2信号采集和隔离电路为了实现电压、电流的保护,就要进行电压电流的检测;为了防止高功率电路对控制电路的干扰,必须进行必要的隔离,本系统中

10、利用霍尔电磁感应原理,对功率部分信号采取非接触式采样,并利用高速光耦对送入CPLD 的信号进行二次隔离。主电路电压检测采用霍尔效应型传感器LV25P ,该电压传感器的测量范围为10V 500V ,原边输入额定电流值为I PN =10mA ,峰值可达I P =14mA ,供电电压需要采用15V 电源供电,副边输出电流为I OUT =25mA ,由于该传感器原边没有串连电阻,因此需要计算进行电阻配合,电压检测电路如图3所示。其中R 0为原边串联电阻,主要是将被检测的电压信号转换成LEM 传感器敏感的弱电流信号,R 1的作用是通过其将副边弱电流型信号转换成弱电压型信号。此信号经过滤波和变比例后一路作

11、为母线电压反馈信号,另一路经过与欠压、过压基准比较,输出TTL 电平信号UV 和OV 。将此电平信号送CPLD 逻辑综合电路即可实现欠压、过压故障锁定保护。 图3电压检测与保护电路示意图由于该驱动器额定电流较大,并考虑到驱动电动舵机时电机始终处于频繁正/反转和大电流冲击状态,为了提高驱动的可靠性,需要监控电机的三相电流。电流检测电路原理同电压检测电路。电流传感器采用霍尼韦尔公司的CSNS200M 002S ,其额定采样电流200A ,最大采样电流400A 。隔离光耦HCPL4504是安捷伦公司生产的一种高速、高共模比的光电隔离接口芯片。具有极短的·39· 44卷寄生延时,下

12、降沿延时和上升延时典型值分别是0.2s和0.3s,保证了驱动信号的快速性,瞬时共模达15kV/s、隔离电压超过2500V,内部集成高灵敏度光传感器,并且能与TTL电平兼容,使用方便。2.3信号逻辑时序单元逻辑时序单元选用MAX器件EPM570,该芯片供电电压为3.3V。其密度高且性能优良,内置用户非易失性Flash存储器件,工作时钟频率高达300MHz,提供了功能全面的开发工具和丰富的IP核、宏功能库等。3软件设计及保护时序图本驱动器在舵机伺服系统中需要实现大功率电机的快速起动与制动,频繁的正/反转运行会造成功率部分电流冲击大、母线电压泵升高,容易引起强电对弱电信号的干扰,导致高频毛刺信号的产

13、生,增加了系统的虚警率。为实现系统可靠保护,降低系统虚警率,在CPLD保护程序中引入时序保护的概念,即通过对电压、电流保护信号进行硬件和软件数字双重滤波,滤除其高频干扰信号,以实现对保护信号的可靠采样,将滤波后的保护信号与SVP-WM信号进行逻辑综合,控制功率管的开通或关断,以抑制电压、电流冲击。CPLD是驱动器的逻辑综合核心,用于实现逻辑合成、故障保护以及与外部通信等功能。为了实现快速保护,保护电路既可采用硬件保护,也可通过CPLD实现对功率电路的快速封锁。本驱动器的过流保护采用双重保护。第一道保护在PCB安装时根据设计值进行固定;第二道保护由IPM功率模块内部过流电路来进行,大小可参考IP

14、M定额参数。根据IPM模块的额定电流,将相电流保护值设定在200A,保护时间越长,对电机的性能影响越大,同时由于IGBT的最大开关频率为20kHz,在尽量不对电机性能造成过大影响,且同时满足IGBT开关频率的前提下,关断保护时间设定为5s。3.1相电流保护电机三相绕组采用“星形”联接时三相电流之和为零,因此只需采样两相电流即可。如果A相电流为I a,B相电流为I b,C相电流为I c,则I c=I aIb。为了方便保护,减少A/D采用的数目,将三相交流电流合成为一相直流电流I PBH,I PBH=(I a+Ib +Ic/2,通过运算放大器可以轻易实现该功能。图4是相电流保护时序图。FOC表示相

15、电流信号,I PBH为相电流保护信号。正常工作时FOC为“低”电平,当出现故障超过限幅200A时为“高”电平。此时FOC为“高”电平,即从t1时刻开始持续时间均超过1s,至t2时刻,相电流保护信号输出持续50s的“高”电平;从t4时刻到t5时刻持续时间小于1s的,认为是毛刺信号,不进行保护 。图4相电流保护时序图3.2IPM保护IPM保护可以实现过流、过温、短路保护。如果IPM模块任一种保护电路动作,IGBT栅极驱动单元就会关断门极电流并输出一个故障信号。图5是IPM内置的过流及短路保护图,IOC为过流限流值,SC为短路保护限值,FO为故障输出信号。若流过IGBT的电流值超过过流动作电流,经的

16、延迟后发生过流保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号,其故障输出信号持续时间为1.8ms;其短路保护原理同过流保护。在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装一个温度传感器,当IPM温度传感器测出其基板的温度超过温度值时,发生过温保护,封锁门极驱动电路,输出故障信号 。图5IPM过流及短路保护时序图3.3过压保护图6是母线电压过压保护时序图,OV表示过压信号,VBOBH是OV的滤波信号,G7是功率管Q7的控制信号。系统正常工作时,OV信号为“低”电平,即母线电压不高于260V;当过压时,功率管·49·10期王阿萍等:基于可编程逻辑器件的交流伺服电机驱动保护器设计Q7导通,电压从电阻R

17、 释放掉。为了排除毛刺信号出现对系统稳定性造成的影响,当OV 信号时间长度小于1s 时即为毛刺信号,可忽略此类信号。如图6中时序图中t 4到t 5时刻所示。当OV 为“高”电平即t 1时刻开始,经过1s 排除毛刺信号可能性,t 2时刻后母线过电压保护信号输出“高”电平,为减少毛刺信号引起波动至少持续5s 至t 3时刻变为“低”电平。若OV 信号持续为“高”电平,且持续时间长于50s ,则VBOBH 信号输出也为“高”电平,并延迟OV 信号变为“高”电平1s 后也变为“高”电平。如图6中t 6到t 7时刻所示。G7的开通关断情况,即其输出信号电平与VBOBH 信号反相。在过压状态下,功率开关管Q

18、1Q6仍然工作。 图6母线电压过压保护信号时序图4实验结果 4.1堵转试验系统母线电压为190V ,电机在起动时利用外力使电机堵转持续10s ,其间保护信号和电压电流信号如下图7所示。横坐标为时间轴,其中通道1为输出的保护信号(低电平保护,纵坐标轴一格对应2V ;通道2为A 相电流,纵坐标轴一格对应80A ;通道3为母线电流,纵坐标轴一格对应80A ;通道4为母线电压,其中纵坐标轴一格对应60V。 图7堵转起动电压、电流和保护信号波形由图7可以看出,电机堵转时,相电流出现明显的过流故障,母线电流、电压显现一种非正常运行时的波动,同时通道1保护信号出现频繁的保护信号,在保护信号的作用下,系统不断

19、的进行判断保护,10s 堵转试验后,检查功率驱动器,没有发现损坏功率器件和其他辅助元件。4.2程序“跑飞”试验直流母线电压为190V ,电机空载起动,速度升到高速状态时,通过测功机给电机加载,在这个过程中,随机地将仿真器断开(或者刷新仿真器,此时,驱动器程序会“跑飞”。加载过程中驱动器由于DSP 程序短时跑飞而导致电流变化率过大,实验波形如图8所示。横坐标为时间轴,通道1为输出的保护信号(低电平保护,纵坐标一格对应2V ;通道2为A 相电流,纵坐标一格对应80V ;通道3为母线电流,纵坐标一格对应80V ;通道4为母线电压通道,纵坐标一格对应150V 。由图8可以看出,在刷新仿真器的同时,由于

20、程序处于一种跑飞状态,母线电压、电流以及相电流出现异常现行,并且当相电流信号出现显著的过流故障时,保护信号立即起作用,在保护信号的作用下,控制器能将电压电流信号控制在保护范围内,当程序进入正常轨道时,电流电压信号又归到正常状态。可以看出,功率驱动器能够自行保护。图87000r /min 刷新仿真器时电压、电流和保护信号波形5结语论文给出了一种大功率电机驱动器的驱动与保护方案,核心器件采用CPLD 及智能功率模块,其成本低,运行速度快、且有可以像软件一样编程的和修改的硬件功能。其保护功能强大,可对电流实现实时监测和有效的保护措施,既可克服干扰毛刺的误动作,又可实现了驱动器的安全稳定运行,该驱动方

21、法成功应用于某型电力作动系统中,在多种故障情况下都能可靠、正常的工作,大大提高了系统的安全性,取得了较好的应用效果。(下转第103页·59·10期杨乐等:自适应OFDM应用研究功率为100mw,只有发送节点的服务速率大于2bit/(sec/Hz时,才认为节点工作正常。可用信道数都为2个。表1算法性能对比发送节点数(个1030本文提出的算法网络容量(bit/(sec/Hz固定传输功率算法网络容量(bit/(sec/Hz由仿真结果可以看出,本文算法的网络容量大约是固定传输功率算法的1.5倍,正常工作节点个数约为2倍,发射总功率减少一半。4结论本文研究了自适应OFDM在分布式认知

22、无线电场景中的应用,在研究固定传输功率信道选择博弈论模型的基础上,提出一种自适应信道及功率分配的模型。通过仿真,本文算法相对于固定传输功率算法方法在接入节点较少的情况下性能优势主要体现为更小的节点发射总功率;在接入节点相对较多的情况下,不论是网络容量还是正常工作节点个数、发射总功率,性能都有较大幅度的提升。参考文献1JMitolaCognitive radio:Making Software Radios More PersonalJIEEE PersCommun,1999,6(4:13182JMitola,David Chester,Shinichiro Haruyama,et alGlob

23、alizationof Software RadioJIEEE Communication Magazine,2008(23CYWong,RSCheng,KB LetaiefMultiuser OFDM withAdaptive Subcarrier,Bit and Power AllocationJIEEE Journal onSelected Areas of Comm,2009,17(104任光亮,张辉,常义林基于虚载波的OFDM系统信噪比盲估计方法J西安电子科技大学学报:自然科学版,2002(25JNeel,JHReed,RPGillesConvergence of Cognitive Ra-dio NetworksCWireless Communications and Networking Confer-ence,20046Webb,WT,Steele,RVariable rate QAM for Mobile RadioCommunicationsJ,IEEE Transactions on,1995,43(7:2223檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿