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引言 伺服技術是跟蹤與定位控制技術，是機電一體化技術的重要組成部分，它廣泛地應用于數控機床、工業機器人等自動化裝備中。隨著現代工業生產規模的不斷擴大，各個行業對電伺服系統的需求日益增大，并對其性能提出了更高的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驅動系統是工業先進國家竟相努力的目標，有著十分重要的現實意義。 目前數字伺服驅動器基本被日本、歐美等國家壟斷。我國每年需要從國外進口大量的此類設備用于CNC數控機床等行業，進口驅動器價格高，維修服務不便。我國具有自主知識產權的全數字式伺服驅動器于20世紀90年代開始規�；a制造。華中數控HSV系列全數字交流伺服電機驅動單元具有良好的性能。我公司自主開發的全數字交流伺服系統調速比為1:5000。 伺服控制系統硬件設計 數字伺服系統主要由五部分組成：永磁同步電動機，電源模塊，驅動與逆變電路模塊，速度與位置檢測電路模塊以及控制電路模塊�？刂齐娐纺K包括核心控制芯片,人機界面和通訊模塊四部分;驅動與逆變電路模塊包括逆變器主電路，電壓/電流采樣電路，過壓/欠壓保護、上電限流保護與制動電路等，伺服的核心控制芯片采用TI公司最新的電機專用控制芯片TMS320F2812。 以TMS320F2812 DSP為控制核心(見圖 1)，接收來自CNC、編碼器接口、電流檢測模塊和故障信號處理模塊的信息，完成對永磁同步電機控制和故障處理。光電隔離模塊作為電子電路與功率主電路的接口，將DSP發出的SVPWM 信號經送入IPM模塊，完成DC/AC逆變，驅動電動機旋轉。編碼器接口將絕對式編碼器所記錄的永磁同步電動機的磁極位置、電動機轉向和編碼器報警等信息送往DSP，同時將永磁同步電動機的位置信息送往CNC。電機相電流經電流檢測模塊量測、濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉化為0~3V的電壓信號送入DSP的A/D引腳。功率主電路的過壓、欠壓、短路、電源掉電和IPM故障等信號經故障檢測模塊檢測與處理后，送入DSP的I/O端口。鍵盤與顯示模塊是控制器的人機接口，用以完成控制參數的輸入，運行狀態與運行參數顯示。存儲器模塊用以存儲控制參數與系統故障信息。 
逆變電路使用的是三菱公司的IPM模塊，該智能功率模塊采用第5 代IGBT 工藝，內置優化后的柵級驅動和保護電路，以超小型體積，輸出功率強勁的三相波形。它具有以下突出性能：完整的功率輸出電路，直接連接負載;內置柵極驅動電路;短路保護;驅動電壓欠壓保護;采用第五代低功耗IGBT 管芯;超小型體積，僅重65 克。 數字伺服系統的控制策略 數字伺服系統一般是由三個閉環來完成，其原理如圖2所示，第一層是位置環、第二層是速度環、第三層是電流環;其中位置、速度都是外環，而電流環則是系統內的內環，它的構成是由核心硬件以及關鍵解算軟件組成的，全數字伺服系統是數控機床的核心傳動部分，也是技術難度最大的部分，其最主要的特點就是高速、高精、功能豐富多樣。電流環是伺服系統的核心控制環，而保證速度精度以及力矩平穩性的最關鍵就是數字伺服中的電流環的設計，所以一個系統性能是否優秀與電流環的設計息息相關。
LEM傳感器與電流采樣電路 因為采樣的精度和速度直接導致整個電流環的運算精度，從而直接對系統的性能產生非常重大的影響。而在電量參數測量領域內，萊姆(LEM)公司的霍爾電流傳感器由于其穩定可靠的產品性能成為本系統設計的首選，LTS25-NP傳感器采用的是單電源供電，相對于采用雙電源供電的傳感器, 萊姆傳感器在外圍的硬件電路設計上更加簡單，不需要增加電壓抬升電路從而減少電源對系統的干擾。此款傳感器另一優點是溫漂小，精度高;而且內置采樣電阻，其輸出端是電壓型輸出，避免了因增加外接采樣電阻以及運放后進入DSP使精度有所降低。 該傳感器有正極(+5)、測量端(OUT)及地(0)三個引腳，如圖3所示。該款傳感器是閉環霍爾電流傳感器，使用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測電流的模塊化產品。為防止干擾，在霍爾傳感器的供電電源端和地端單獨并接一只1μF的退耦濾波電容。
電流檢測電路是把永磁同步電機的三相定子電流經傳感器后進入DSP轉換成是數字形式并進行一系列的變換,由于本系統是三相平衡系統：Ia+Ib+Ic=0;因此只需要檢測其中兩相電流，就可以得到三相電流。由永磁同步電機的數學模型可知，定子電流檢測的精度和實時性是整個矢量控制系統精度的關鍵，因此本系統采用LTS25-NP型傳感器來檢測電流。 在本系統中，由兩個LEM模塊檢測A相和B 相的電流。在實際調試中，由于經過傳感器出來的電流信號有高次諧波及其它干擾信號，因此必需設計濾波器把高次諧波及其它干擾信號抑制掉。結合實際情況考慮，設計了帶有電壓跟隨的二階低通濾波器的電流檢測電路，具體電路如圖4所示。
在開關模式控制下，相電流信號含有需要濾出的高次諧波。設計中，首先利用PSpice軟件對濾波器進行虛擬設計，經過仿真驗證后，確定采用二階的巴特沃斯濾波器結構，系統利用電流傳感器檢測電流，經濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉化為0~3V的電壓信號送入DSP的A/D引腳。 實驗結果 實驗中，PWM頻率為15kHz，死區時間為3μs，電流環采樣周期為67μs，速度環采樣周期為0.67ms，速度環的輸出限幅值為額定電流的1.5倍，電流環的輸出限幅為額定電壓的1.2倍。實驗控制一臺8極的永磁同步電動機電機，其參數為:額定功率1.88kW，額定轉速 2500r/min，額定電流7.5A，額定轉矩7.5 Nm，額定電壓220V。電機分別在200rpm、2000rpm 且速度調節器參數設置為：kpv=0.5，kiv=0.02;電流調節器參數設置為：kpi=0.2，kii=0.02時的起動—停止過程的轉速曲線分別如圖5和圖6所示。 從圖所示的實驗波形可看出當電機空載運行時，系統運行在速度電流閉環狀態下,可迅速達到穩態，超調及穩態誤差都很小，實驗結果表明本系統設計合理，具有良好的動靜態性能。 結語 在本系統應用中，LEM傳感器能正確的測量電機電流，并轉換成相應輸出量，各方面性能指標都能滿足本系統的要求。所設計的伺服驅動控制器在數控加工中心進行機械加工測試，得到了微米級加工精度的良好結果。 參考文獻： [1] 秦憶等. 現代交流伺服系統[M]. 武漢: 華中理工大學出版社, 1995 [2] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統[M]. 北京: 機械工業出版社, 2005 [3] 陳堅. 電力電子學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002 [4] 蘇奎峰, 呂強等. TMS320F2812原理與開發[M], 北京: 電子工業出版社, 2005 [5] 張占松, 蔡宣三. 開關電源的原理與設計(修訂版)[M].北京：電子工業出版社，2004 [6] 張劍, 潘月斗, 許鎮琳等. 數控機床伺服系統高精度位置檢測研究與實現[J]. 制造業自動化，2004(10) [7] LEM. LTS 25-NP系列電流傳感器DATASHEET [Z]. 北京萊姆電子有限公司 [8] LEM. LTSR 25-NP系列電流傳感器DATASHEET [Z]. 北京萊姆電子有限公司 作者：暨綿浩 廣州數控設備有限公司 來源:電子產品世界 2010-03-09 |
