數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架直驅(qū)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜 迪，童 亮，姚尚明，劉 尚

DU Di, TONG Liang, YAO Shang-ming, LIU Shang

（北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100081）

0 引言

在傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電機(jī)和負(fù)載之間連接著減速器或齒輪箱等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行伺服控制，此種方式增加了系統(tǒng)的損耗，影響控制精度，而且增加了安裝維護(hù)成本[1]。作為直驅(qū)技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用，直驅(qū)力矩電機(jī)能夠克服上述缺點(diǎn)，具有控制精度高、運(yùn)行效率高、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、免維護(hù)、可靠性高、過(guò)載能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。在直驅(qū)式力矩伺服系統(tǒng)中，永磁同步力矩電機(jī)正逐步取代直流力矩電機(jī)和異步力矩電機(jī)，表現(xiàn)出優(yōu)越的控制性能和更加廣闊的應(yīng)用前景。

1 直驅(qū)力矩電機(jī)數(shù)學(xué)模型及矢量控制

1.1 機(jī)床用數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架直驅(qū)力矩電機(jī)

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制目標(biāo)取決于控制對(duì)象的功能設(shè)計(jì)。該電機(jī)位于機(jī)床數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架后端，電機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸連接，直接帶動(dòng)刀盤(pán)轉(zhuǎn)位。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)到指定刀位后，發(fā)送脈沖信號(hào)，啟動(dòng)鼠牙盤(pán)等壓緊裝置固定電機(jī)位置，完成換刀動(dòng)作。力矩電機(jī)直驅(qū)刀架結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 力矩電機(jī)直驅(qū)刀架

在結(jié)構(gòu)方面，電機(jī)與運(yùn)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)無(wú)傳動(dòng)環(huán)節(jié)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，相比于傳統(tǒng)的力矩電機(jī)節(jié)省了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，很大程度上縮減了總體尺寸，節(jié)省了數(shù)控機(jī)床空間。在控制方面，該回轉(zhuǎn)刀架集成了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制三項(xiàng)技術(shù)，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，綜合平衡和優(yōu)化了直驅(qū)力矩電機(jī)的設(shè)計(jì)，相比于機(jī)械傳動(dòng)刀架具有更高的控制精度和更快的響應(yīng)速度。該刀塔用直驅(qū)力矩電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 直驅(qū)力矩電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

從電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和工作原理來(lái)看，該力矩電機(jī)為永磁同步電機(jī)。依據(jù)直流電機(jī)的控制思路，需要對(duì)電機(jī)控制參數(shù)進(jìn)行解耦以便達(dá)到線性化控制的目的。

由于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈不對(duì)稱，A、B、C坐標(biāo)系中的電壓方程為帶有周期性變系數(shù)的微分方程，求解比較困難，因此，一般都采用d、q坐標(biāo)系。在忽略磁滯、渦流損耗、轉(zhuǎn)子無(wú)阻尼繞組，并近似認(rèn)為電機(jī)磁路不飽和情況下，電壓、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩方程分別表示為[3]：

其中，ud、uq為定子繞組d、q軸電壓，id、iq為定子繞組d、q軸電流，ψd、ψq為d、q軸定子磁鏈，ψr為轉(zhuǎn)子磁鏈，Ld、Lq為定子繞組直、交軸電感，Rs為定子電阻，ω為轉(zhuǎn)子角速度，p=d/dt表示微分算子，Pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)，Te為電磁轉(zhuǎn)矩，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，B為系統(tǒng)轉(zhuǎn)子粘滯摩擦系數(shù)，J為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.3 永磁同步電機(jī)的仿真分析

電機(jī)的數(shù)學(xué)模型中含有時(shí)變參數(shù)，給分析和計(jì)算帶來(lái)困難。為了通過(guò)使用數(shù)學(xué)模型描述其物理特性，依據(jù)1.2節(jié)對(duì)電機(jī)假設(shè)。并采用id=0的矢量控制算法，根據(jù)三相永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)框圖組成環(huán)節(jié)，伺服系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真由以下模塊組成：調(diào)節(jié)器模塊、位置速度檢測(cè)模塊、坐標(biāo)變換模塊、函數(shù)發(fā)生模塊、SVPWM發(fā)生模塊、整流和逆變模塊、電機(jī)模塊、電流采樣模塊[4,5]。如圖2為直驅(qū)力矩電機(jī)位置伺服系統(tǒng)仿真模型。

圖2 直驅(qū)力矩電機(jī)位置伺服系統(tǒng)仿真模型

該電機(jī)的基本參數(shù)為：額定功率PN=0.75kW，額定電壓UN=380V，額定電流IN=4A，額定轉(zhuǎn)速n=60r/min，定子電阻R=2.875Ω，交軸、直軸電感分別為L(zhǎng)d=Lq=0.056H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=4.79kg·m2，極對(duì)數(shù)為pn=33，額定轉(zhuǎn)矩Te=120N·m，轉(zhuǎn)子磁通φ0=0.00036Wb，額定頻率fN=33Hz。

電機(jī)位置控制仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用位置環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)控制，id=0的矢量控制策略，SVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)。其中位置環(huán)控制器采用比例調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)，并且PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行了積分分離、死區(qū)控制等算法改進(jìn)，大大提高了控制效果[5]。仿真選取參考位置為30°時(shí)位置、速度、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 參考位置30°時(shí)位置、速度、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

從仿真結(jié)果可以看出，位置變化按時(shí)間可以分為三個(gè)過(guò)程：0～0.04s內(nèi)轉(zhuǎn)子位置以加加速的速度增加，電磁轉(zhuǎn)矩輸出最大，轉(zhuǎn)子速度呈線性增長(zhǎng)。在0.04s～0.4s時(shí)間段內(nèi)，轉(zhuǎn)子位置以減加速的速度增加，電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸減小，轉(zhuǎn)子速度加速下降后緩慢減小。0.4s以后，轉(zhuǎn)子位置穩(wěn)定在30.2°，輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速幾乎為零。由此可以看出，仿真波形和理論設(shè)計(jì)一致，基本驗(yàn)證了電機(jī)所采用的控制方法的正確性。

2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架的位置精度要求為1.05°，驅(qū)動(dòng)器位置控制精度為0.55°，滿足設(shè)計(jì)要求；為了快速響應(yīng)換刀指令，相鄰刀位換刀時(shí)間設(shè)計(jì)指標(biāo)為不超過(guò)0.5s；驅(qū)動(dòng)器具有電源過(guò)壓、電源欠壓、過(guò)溫、過(guò)流、短路等保護(hù)電路；驅(qū)動(dòng)器I/O口信號(hào)輸入電平為24V，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、光耦隔離等，且設(shè)計(jì)CAN通訊接口電路進(jìn)行軟件調(diào)試。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)器技術(shù)指標(biāo)的要求和電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)選擇電子元器件，且所有的元器件、接插件均選用工業(yè)級(jí)器件。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器硬件電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)主要包括控制板和功率板兩大結(jié)構(gòu)。在控制板設(shè)計(jì)的過(guò)程中，考慮到可靠性、硬件外設(shè)資源、性價(jià)比以及配套的功率模塊等因素，最終選擇了英飛凌成熟的C166架構(gòu)的16位單片機(jī)XC2267。為了縮小驅(qū)動(dòng)器的整體設(shè)計(jì)體積，控制板由Infineon最小系統(tǒng)板和轉(zhuǎn)接控制板組成[6]?？刂瓢謇棉D(zhuǎn)接控制板將轉(zhuǎn)子位置信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)和定子相電流信號(hào)進(jìn)行分析處理，通過(guò)轉(zhuǎn)接接口傳遞給Infineon最小系統(tǒng)板，最終產(chǎn)生控制驅(qū)動(dòng)板的六路脈沖信號(hào)?？刂瓢褰邮镇?qū)動(dòng)板供給的12V電源信號(hào)，IPM故障信號(hào)，IGBT溫度信號(hào)，輸出六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)板復(fù)位信號(hào)等，該板同時(shí)具有通訊接口電路、CAN調(diào)試接口電路、保護(hù)電路等[7]?？刂齐娐返腜CB板實(shí)物如圖4所示。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)功率板，外部輸入的三相工頻交流電首先經(jīng)過(guò)由三相不可控整流橋和電容電阻組成的整流濾波電路，得到平滑的直流電輸送到逆變器模塊。功率逆變器接收控制板輸出的六路PWM信號(hào)，控制開(kāi)關(guān)器件輸出直驅(qū)力矩電機(jī)需要的三相電壓，激勵(lì)三相交變電流，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。A、B、C三相電流信號(hào)，整流濾波后的直流電壓信號(hào)，IGBT的過(guò)熱、過(guò)壓等故障信號(hào)通過(guò)端口傳遞給控制板，及時(shí)反饋電機(jī)的運(yùn)行狀況，確保驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全正常工作。驅(qū)動(dòng)板電路主要包括整流濾波電路、開(kāi)關(guān)電源電路、功率驅(qū)動(dòng)電路以及保護(hù)電路[8]。

驅(qū)動(dòng)板的實(shí)物如圖5所示。圖中只給出了驅(qū)動(dòng)板正面的電路布局，功率模塊FP35R12KT和散熱板分布在電路板的背面。

該客戶端主要針對(duì)消費(fèi)者進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)到銷售各個(gè)階段的實(shí)時(shí)溯源信息的查詢和展示工作，通過(guò)掃碼進(jìn)行信息的自動(dòng)查詢。主要的界面如下圖所示：

圖4 驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)控制板

圖5 直驅(qū)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)板

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)1.2～1.4節(jié)的控制算法對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)采用的軟件平臺(tái)是keil uVision4和DAVE2.0，使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。通過(guò)keil uVision4和DAVE2.0的配合使用，減少了用戶編寫(xiě)配置文件、初始化寄存器設(shè)置等工作，使軟件開(kāi)發(fā)更加方便快捷。

直驅(qū)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)精確、快速的位置伺服控制，最終完成換刀動(dòng)作。軟件設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)需要，采用面向過(guò)程的分析方法和模塊化的設(shè)計(jì)思路。根據(jù)實(shí)現(xiàn)位置控制的過(guò)程將系統(tǒng)軟件分為以下幾個(gè)部分：初始化模塊、偏移量測(cè)量模塊、轉(zhuǎn)子位置判斷模塊、相電流采樣模塊、SVPWM模塊和CAN通訊模塊等。交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制具有很高的實(shí)時(shí)性，要求對(duì)被控狀態(tài)量能做出快速、及時(shí)的反應(yīng)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中，初始化程序分為主初始化子函數(shù)和FOC參數(shù)初始化兩部分。主初始化子函數(shù)主要完成時(shí)鐘設(shè)置和各個(gè)外設(shè)模塊的初始化，F(xiàn)OC初始化完成各環(huán)路調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)定。當(dāng)中斷條件滿足時(shí)，中斷程序開(kāi)始執(zhí)行。直驅(qū)力矩電機(jī)的位置矢量控制在主中斷程序中完成，通過(guò)將計(jì)算的位置誤差經(jīng)各環(huán)調(diào)節(jié)器調(diào)制最終輸出六路脈沖波，改變逆變器的輸出電壓達(dá)到控制要求。

3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)

首先需要對(duì)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器硬件電路部分進(jìn)行調(diào)試，驅(qū)動(dòng)板主要完成開(kāi)關(guān)電源輸出電壓帶載情況下性能測(cè)試以及相電流采樣準(zhǔn)確與否測(cè)試?？刂瓢逯饕獪y(cè)試部分芯片是否正常供電。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)直驅(qū)力矩電機(jī)的實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由直驅(qū)力矩電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器（驅(qū)動(dòng)板、控制板兩部分）、光電編碼器、CAN卡、PC機(jī)等設(shè)備連接而成。驅(qū)動(dòng)器性能測(cè)試主要是驗(yàn)證直驅(qū)力矩電機(jī)對(duì)給定位置信號(hào)的響應(yīng)情況，需要觀察轉(zhuǎn)子位置變化情況、電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)以及產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩是否符合電機(jī)特性要求[9,10]。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)連接如圖7所示。

圖7 測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試，我們得到了在給定位置為30度時(shí)電機(jī)的位置曲線、速度曲線、轉(zhuǎn)矩曲線，如圖8所示。

圖8 參考位置為30°時(shí)的位置、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

在圖8(a)中，對(duì)比仿真同樣可以看到直驅(qū)力矩電機(jī)位置變化可以分為以下幾個(gè)區(qū)段：0～0.3s，直驅(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置從0度開(kāi)始增加；0.3s時(shí)電機(jī)位置第一次到達(dá)30度的設(shè)定位置；轉(zhuǎn)子位置繼續(xù)增大，但增加很小角度后又很快回落減小，此過(guò)程時(shí)間大約0.08s，證明該系統(tǒng)的超調(diào)量比較小。在0.4s以后電機(jī)轉(zhuǎn)子位置保持在30.4度。整個(gè)位置變化過(guò)程符合設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。因?yàn)樵撝彬?qū)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，所以電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到給定位置后經(jīng)歷一個(gè)波動(dòng)的過(guò)程才穩(wěn)定下來(lái)也符合該控制系統(tǒng)的基本特性。

通過(guò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明整體上該直驅(qū)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本合理，具有比較好的動(dòng)態(tài)性能，能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)數(shù)控回轉(zhuǎn)刀架直驅(qū)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)建模仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于矢量控制算法的直驅(qū)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和性能測(cè)試。

仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)所建數(shù)學(xué)模型正確，采用的矢量控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)從工程應(yīng)用的角度展開(kāi)，分別設(shè)計(jì)了以英飛凌公司的XC2267芯片為核心的控制板和智能功率模塊FP35R12KT4為核心的驅(qū)動(dòng)板，軟件編制部分采用矢量控制策略和SVPWM脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

進(jìn)行硬件測(cè)試和軟硬件整合完成直驅(qū)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器樣機(jī)的設(shè)計(jì)，性能測(cè)試結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求。

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