千瓦級機電伺服控制驅(qū)動器研制

龍海峰 姜迪開 劉俊琴 林強強

摘要： 本文介紹了一種千瓦級伺服控制驅(qū)動器功能組成以及控制方法，分析了主要電路結(jié)構(gòu)，通過相關(guān)特性試驗，證明了該控制驅(qū)動器具備良好的性能和較高的可靠性，探討了千瓦級控制驅(qū)動器產(chǎn)品在機電伺服控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】千瓦級 機電伺服 控制驅(qū)動器

1 概述

隨著電力電子技術(shù)及控制技術(shù)的高速發(fā)展，機電伺服產(chǎn)品以其結(jié)構(gòu)組成簡單、加工裝配容易、制造維修方便等優(yōu)點越來越受到各方用戶的青睞。如今，工業(yè)伺服領(lǐng)域大量應(yīng)用各種永磁直流電機，而千瓦級直流有刷電機在伺服領(lǐng)域更是得到廣泛重用。因此，研制一款性能優(yōu)良、可靠性高的千瓦級有刷電機伺服控制驅(qū)動器是該類機電伺服產(chǎn)品研發(fā)過程中十分重要的課題。本文介紹的伺服控制驅(qū)動器具有以下特點：

（1）充分發(fā)掘了控制芯片潛能，使一臺控制驅(qū)動器同時操控兩臺千瓦級有刷電機。在保證產(chǎn)品性能的基礎(chǔ)上，減小了產(chǎn)品的空間體積。

（2）采用基于M57962L的IGBT驅(qū)動保護電路，有效避免了功率器件的損壞，大幅提升了產(chǎn)品的可靠性。

（3）突破傳統(tǒng)方式，采用更加可靠的軟件控制策略，進一步提高了產(chǎn)品的性能和使用壽命。

2 硬件設(shè)計

2.1 控制方式

針對有刷電機的控制方式大致有以下三種：采用專用集成電路控制芯片、基于常規(guī)單片機、利用高性能的數(shù)字信號處理器（DSP）。利用專用集成電路控制芯片組建的控制系統(tǒng)簡單、成本低廉，但是由于集成電路控制芯片在硬件上完成了從位置檢測、譯碼，到脈寬調(diào)制輸出的所有工作，系統(tǒng)功能不能進一步擴展，限制了專用集成電路控制芯片在一些特定場合的應(yīng)用。大部分情況下，單片機發(fā)揮了作用，但是基于一般單片機的有刷電機控制系統(tǒng)無論是處理速度及精度上都難以和高性能的數(shù)字信號處理器相比。DSP的快速運算能力能夠使數(shù)字控制系統(tǒng)實時地進行運算，其結(jié)構(gòu)能夠使控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更加復雜的控制算法，形成全數(shù)字式的有刷電機伺服控制系統(tǒng)。為了提高控制驅(qū)動器的性能，本產(chǎn)品采用電機控制專用DSP芯片TMS320FL2407A。

2.2 硬件組成

電機控制驅(qū)動器主要由三大部分組成，即電源變換板、控制電路板和功率板。

電源變換板主要由士15V和+5V電源變換模塊以及外圍電壓轉(zhuǎn)換器組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖l所示。

控制板主要由看門狗電路、電源管理芯片變換電路、DSP外圍電路、SRAM電路、CPLD電路、A/D變換電路、D/A變換電路、信號放大電路等組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，

功率板主要由功率電路、電源變換電路、光電隔離電路、吸收保護電路和電流采樣電路組成。功率器件選用IGBT模塊（F4-150R12KS4），并配以專用驅(qū)動芯片M57962L，緩沖吸收保護電路采用RCD電路。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 過流保護設(shè)計

對功率器件采用的過流保護可分為軟件過流保護和硬件過流保護兩種。軟件過流保護實現(xiàn)方便，但要經(jīng)過信號的A/D采集、轉(zhuǎn)換、中斷響應(yīng)和軟件處理等，所需時間相對較長。特別是在環(huán)境比較惡劣的情況下，當電流上升很快時，往往出現(xiàn)保護失敗的現(xiàn)象?；陔娏鹘刂关摲答伒谋Ｗo是硬件上常用的過流保護方法，但是單純地依據(jù)電流來判斷功率器件的工作狀態(tài)也不是十分到位，依然會出現(xiàn)一些應(yīng)對不及時地情況。

針對以上問題，本產(chǎn)品在功率電路設(shè)計上選用了IGBT專用驅(qū)動芯片M57962L，它集成了驅(qū)動、光電隔離和過流保護等功能，所采取的過流保護是基于V。。管壓降的過流保護法。這種過流保護法是根據(jù)功率器件在某一溫度下管壓降V_ce與電流I_c的對應(yīng)關(guān)系確定保護門限值，從而實現(xiàn)過流保護功能的。它具有極高的響應(yīng)速度，且可根據(jù)功率管的實時工作狀態(tài)實現(xiàn)電流保護，相對于以往的保護方式更有效。具體電路實現(xiàn)如圖4所示。

3 軟件設(shè)計及控制策略

DSP的軟件主要包括主程序、零位采集程序和電機控制的定時器中斷程序三部分。主程序負責完成DSP系統(tǒng)參數(shù)的初始化、控制參數(shù)的初始化、循環(huán)等待以及對看門狗置位；零位采集程序主要完成零位偏差值的采集；用于電機控制的定時器中斷程序又包含以下程序模塊，即位置閉環(huán)控制模塊、電流閉環(huán)控制模塊、PWM波發(fā)生模塊、信號采集/處理/發(fā)送模塊。本系統(tǒng)充分利用TMS320LF2407A強大的中斷處理能力來處理位置捕獲、電流采樣、PWM波形產(chǎn)生以及閉環(huán)算法等。

4 試驗及結(jié)論

為了考核該千瓦級控制驅(qū)動器的性能，對其進行系統(tǒng)帶載的位置跟隨、頻率特性及暫態(tài)特性試驗考核，其指標全部滿足系統(tǒng)要求。

綜上所述，該有刷電機控制驅(qū)動器已經(jīng)實現(xiàn)了既定的功能，性能指標也較好地滿足要求，在工程化產(chǎn)品研制中需在干擾的處理方面和性能優(yōu)化上作進一步研究。本產(chǎn)品通用性較強，可擴展應(yīng)用到相關(guān)工業(yè)伺服領(lǐng)域，市場開發(fā)潛力巨大。

參考文獻

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[2]徐德淦，電機學[M].機械工業(yè)出版社.2004.