高性能高精度力矩电机伺服控制系统设计

电路、滤波电路、 逆变电路、 缓冲电路和制动电路 构成，并在主回路中加入了软启动电路， 以减小启 动过程中对驱动器的冲击。 系统辅助电源采用反激 式开关电源，主要供电包括 6 路开关管的驱动电源， DSP，IO 口控制芯片电源及编码器电源等 。
图4
功率驱动单元主电路图
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高月波等： 高性能高精度力矩电机伺服控制系统设计
功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输 入的三相电进行整流， 得到相应的直流电； 因整流 电路输出的整流电压是脉动的直流电压， 采用电容 器 C L 吸收、抑制电压波动，同时为电机提供必要的 无功功率。逆变部分功率驱动采用高速光耦隔离接 口， 驱 动 桥 选 用 IR 公 司 的 IRCS2277S 全 桥， IRCS2277S 集成了功率电路短路、 过流以及浮动电 源欠压保护等完全保护功能， 提高了系统的可靠性 和安全性，芯片内部集成了互相独立的三相半桥驱 动电路，可对上下桥臂提供死区时间， 可直接驱动 IGBT。IRCS2277S 的自举技术使得整个电路采用一 个 电 源 工 作。 功 率 模 块 选 用 Infineon 公 司 的 FS150R12KT3 系列 1200V IGBT 功率模块。主要功率 元器件规格如表 1 所示。
· 55·
表1 序号 1 2 3 4
功率元器件规格表 规格 1200V /150A 2200V /150A 820 μF /450V /105℃ 0. 4mH /80A /380V
图 7 所示为给定转速为 150 r / min 时，电机速度 响应波形。
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精度。 3 ） 极好的伺服性能。 由于直接驱动具有高动态 和静态负载刚性， 伺服环 （ 速度环、 位置环 ） 可有较 高的闭环带宽。 高带宽使系统有较快的响应速度和 抗负载扰动能力。 4 ） 简化机械设计， 免维护驱动。 电机上没有损 耗件或维护件。
图2 力矩电机伺服控制系统构成框图
伺服控制单元包括位置控 制 器、 速 度 控 制 器、 转矩 和 电 流 控 制 器 等。 硬 件 上 采 用 TMS320F2812 DSP 作为主控芯片， 利用其控制精度高、 硬件简单 及可靠性高等优点来设计力矩电机全数字交流伺服 系统。 通讯接口单元采用 RS232 通讯接口， 根据特定 的通讯协议接受上位机指令， 并根据要求传送参数， 可实现上位机对伺服驱动器的实时监控和在线调试 。 传感器是交流伺服系统的重要组成部分， 作为 交流电机伺服系统， 为了实现优越的伺服性能， 其 传感器应能准确的反映系统的运行状态。 在本次设 计中根据精度需要， 采用海德汉公司 RON886 增量 式编码 器 安 装 在 力 矩 电 机 轴 上， 编 码 器 系 统 精 度 ± 1″，线数 为 36000 线 / 转， 编 码 器 输 出 信 号 包 括 1Vpp 正弦增量信号 A、B 和参考点信号 R， 其中 A、 B 信号相位差为 90° 电子角， 且 1Vpp 的输出信号可 以在后续电子设备进行细分， 以达到更高分辨率。 DSP 通过判断 A、 B 的相位和个数可以得到电机的 转向和速度； R 信号作为电机零点 index 信号使用。 电流信号检测要求至少采样两相电流， 由于负 载的对称性， 故采样 i a 和 i c 两相电流， 另一相电流 由这两相电流和求反获得。 采样电流采用霍尔传感 器并经模拟电路处理为 0 ～ 3 V 的电压范围内。 系统设置了过压保护、 欠压保护、 IGBT 故障保
［2 ］
电动机，带有空心轴转子和 22 对磁极。完整的电机 组装是由定子、 转子、 冷却外壳、 轴承、 位置编码 器构成，如图 1 所示，力矩电机的优势在于： 1 ） 采用直接驱动， 无需减速机构， 具有高动态 性能和高可靠性，为负载提供了大转矩。 2 ） 零间隙、 高定位精度。 因为直接驱动没有中 间机械传动环节， 无传动间隙， 所以提高了设备的
Highprecision Servo Control System Design for Torque Motor
GAO Yuebo1 ，WANG Mianhua1 ，ZHAN Guoping2 ，WU Weian2 （ 1. Electrical and Control College，Xian University of Science and Technology，Xi'an 710054 ，China； 2. Shenzhen Han's Motor Science and Technology Co． LTD，Shenzhen 518057 ，China） Abstract： Largetorque torque motors are key basic components of the highgrade CNC machine tools． The performance of servo control system will directly affect the performance of the electrical and mechanical equipment． The control characteristics of largetorque torque motors were briefly introduced firstly． Then the composition of control unit used F2812 DSP as a control chip and the power drive circuit design of alldigital servo driver based on largetorque torque motor was detailed description． Actual operation results that， the servo system was reasonable designed and reliable，achieving the requirement of highperformance and accuracy． Key words： torque motor； servo system； control unit； power driver； DSP 对力矩电机的具体特点， 采用相对先进的、 复杂的 而且更有效的控制算法。 本文将以力矩电机为控制 对象，详细介绍其伺服驱动系统的控制单元和功率 变换电路设计。
0
引
言
近年来， 直接驱动技术因其 传 动 系 统 刚 性 好， 无传动间隙、 无磨损和可靠性高等诸多优点， 在航 空制造业和高速加工中心设备等领域的应用越来越 广泛。直接驱动技术最典型的应用就是电主轴、 力 矩电机和直线电机
［1 ］
1
力矩电机特性及数学模型
本文选用的力矩电机为无框架式水冷永磁同步
。
“旋转电动机 + 直接驱动电机伺服系统与传统的 减速机构” 驱动方式相比，虽然消除了中间传动机构 所带来的弹性变形、 间隙、 摩擦等因素对系统精度 的影响，但也使各种干扰不经过任何中间环节的衰 减直接 传 到 电 机 上， 增 加 了 电 气 电 子 控 制 上 的 难 度
{u
u d = Ri d + pψ d － ωψ q
q
{ψ
= Ri q + pψ q － ωψ q ψd = Ld id + ψf
q
（ 1） （ 2） （ 3） （ 4）
= L源自文库 iq
T em
3 = P n［ ψf iq + （ Ld － Lq ） id iq ］ 2 J dω T em － T L = P n dt
· 54· 护、电机过热保护、 编码器故 障 保 护、 超 速 保 护、 位置超差保护等电路， 故障信号经逻辑电路后可直 接封锁开关脉冲， 同时通过 DSP 的 I / O 口输入， 通 过软件检测实现系统的保护。
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q 轴系下， 把 d 变换把定子三相电流变换到旋转的 d轴放在转子磁链 Ψ f 处， 其中 d 轴电流控制磁通，q 轴电流控制电磁转矩，然后独立控制这两个量。由 q 轴电流 i q 来控制电磁转矩，从而达到控制电机力矩、 转速的目的。 在伺服控制系统中， 使用事件管理器 控制逆变器，并通过正交编码电路接口检测电机的 位置和速度信号， 采用 F2812 处理器的 AD 单元检 测电流信号， 再经过数字滤波和定标处理， 为电流 环节提供电流反馈信息。
3
控制单元构成
控制单元是整个交流伺服系统的核心， 实现系
统位置、速度、 转矩和电流控制， 其基本结构如图 3 所示。 控制系统采用 i d = 0 的空间矢量控制方式， 按照产生相同的旋转磁场这一等效原则， 利用坐标
图3
基于 TMS320F2812 的伺服系统控制单元结构框图
4
功率变换电路设计
功率变换单元主电路如图 4 所示， 主要由整流
q 坐标系下的定 式中，u d 、u q 、i d 、 i q 、 ψ d 、 ψ q 为 d子电压、电流、磁链分量； ψ f 为转子永磁磁链； L d 、 L q 为 dq 坐标系下的定子绕组电感分量； R 为定子绕 组相电阻； ω 为转子电角速度； p 为微分算子； P n 为电机的极对数； J 为电机的转动惯量。
2
伺服控制系统的构成
力矩电机伺服控制系统的构成如图 2 所示。 系
统主要由伺服控制单元、 功率变换电路单元、 通讯 接口单元、力矩电机及相应的反馈器件等组成
［4 ］
。
图1
力矩电机结构示意图
力矩电机驱动系统 由 于 是 电 动 机 直 接 驱 动 负 载，来自外界的扰动都直接作用在电机上， 其控制 性能易受到转矩扰动和参数变化的影响， 而且大功 率的力矩电机通常会产生较大的转矩波动， 引起伺 服系统的控制性能严重下降。 由于直接驱动电机的 特殊性，在电机的设计过程中不可能完全消除转矩 的波动，因此其控制方法主要集中在抵消电机非线 性、抑制转矩波动以及提高系统鲁棒性等方面 。 为了便于分析， 在建立力矩电机数学模型时常 忽略一些影响较小的参数，作如下假设： 1 ） 忽略电动机铁心的饱和； 2 ） 不计电动机中的涡流和磁滞损耗 ； 3 ） 定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆 是按正弦分布的，即忽略磁场中的所有空间谐波； 4 ） 各相绕组对称， 即各相绕组的匝数和电阻相 同，各相轴线相互位移同样的电角度 。 q 坐标 可以得到力矩电机在两相旋转坐标系 （ d系） 下的数学模型，分别为定子电压、定子磁链、 电 ［3 ］ 磁转矩和运动方程 ：
。力矩电机在控制上对系统的刚性、 抗干扰能
力和鲁棒性等方面提出了更高的要求， 所以必须针
10-08 收稿日期： 2011基金项目： 高档数控机床与基础制造装备科技重大专项 （ 2009ZX04010 － 033 ） 作者简介： 高月波（ 1986 ） ，男，硕士研究生，研究方向为电机驱动控制技术 。 王勉华（ 1953 ） ，男，硕士，教授，研究方向为电机驱动控制 。
文章简要介绍了大扭矩力矩电机的基本控制特性 ，着重介绍了一种基于大扭矩力矩电机的全数字伺服驱动器的控制 单元构成和功率电路设计 ， 其中采用 F2812 DSP 作为控制芯片。 实际运行结果表明， 伺服系统设计合理， 性能可 靠，达到了高性能、高精度的要求。 关键词： 力矩电机； 伺服系统； 控制单元； 功率驱动； DSP 中图分类号： TM359. 6 ； TP273 文献标志码： A 文章编号： 1001-6848 （ 2012 ） 02-0052-04
第 45 卷 2012 年
第2 期 2月
M ICROM OTORS
Vol. 45． No. 2 Feb. 2012
高性能高精度力矩电机伺服控制系统设计
1 1 2 2 高月波 ，王勉华 ，张国平 ，吴卫安
（ 1. 西安科技大学 电气与控制工程学院 ，西安 710054 ； 2. 深圳市大族电机科技有限公司 ，广东 深圳 518057 ） 摘 要： 大扭矩力矩电机是高档数控机床的关键基础部件 ，其伺服系统控制性能优劣直接影响机电设备的控制质量 。