引言
伺服技術(shù)是跟蹤與定位控制技術(shù)，是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分，它廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等自動化裝備中。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個行業(yè)對電伺服系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)是工業(yè)先進(jìn)國家競相努力的目標(biāo)，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
目前數(shù)字伺服驅(qū)動器基本被日本、歐美等國家壟斷。我國每年需要從國外進(jìn)口大量的此類設(shè)備用于cnc數(shù)控機(jī)床等行業(yè)，進(jìn)口驅(qū)動器價格高，維修服務(wù)不便。我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全數(shù)字式伺服驅(qū)動器約于上個世紀(jì)90年代開始規(guī)模化生產(chǎn)制造。華中數(shù)控hsv系列全數(shù)字交流伺服電機(jī)驅(qū)動單元具有良好的性能。我公司自主開發(fā)的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)調(diào)速比為1:5000。高端產(chǎn)品往往要采用國外的交流伺服系統(tǒng)，主要是國產(chǎn)伺服驅(qū)動控制器在高速和高精等控制特性方面，與日本的fanuc、三菱、松下、富士以及德國的西門子等國外先進(jìn)產(chǎn)品相比，還存在著顯著差距。
伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案
數(shù)字伺服系統(tǒng)主要由五部分組成：永磁同步電動機(jī)、電源模塊、驅(qū)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。控制電路模塊包括核心控制芯片，人機(jī)界面和通訊模塊四大部分;驅(qū)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(hù)、上電限流保護(hù)與制動電路等，數(shù)字伺服控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。
tms320f2812dsp為控制核心，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(jī)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(fā)出的svpwm信號經(jīng)送入ipm模塊，完成dc/ac逆變，驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。編碼器接口將絕對式編碼器所記錄的永磁同步電動機(jī)的磁極位置、電動機(jī)轉(zhuǎn)向和編碼器報(bào)警等信息送往dsp，同時將永磁同步電動機(jī)的位置信息送往cnc。電機(jī)相電流經(jīng)電流檢測模塊量測、濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉(zhuǎn)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(jīng)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(jī)接口，用以完成控制參數(shù)的輸入，運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)顯示。存儲器模塊用以存儲控制參數(shù)與系統(tǒng)故障信息。
伺服的核心控制芯片采用ti公司最新的電機(jī)專用控制芯片tms320f2812。與其它同類dsp相比它有以下突出性能：
采用高性能的靜態(tài)cmos技術(shù)，主頻可以達(dá)到150mips，使得指令周期縮短到6.67ns(150mhz)，并采用32位操作，從而大大提高處理能力;
低功耗，供電電壓降為1.8v(內(nèi)核)和3.3v(i/o);
片內(nèi)高達(dá)128k字的flash程序存儲器，18k的saram和4k的rom;
具有12位的a/d轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為80ns等。
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(nèi)置優(yōu)化后的柵級驅(qū)動和保護(hù)電路，以不可思議的超小型體積，輸出功率強(qiáng)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(fù)載;
內(nèi)置柵極驅(qū)動電路;
短路保護(hù);
驅(qū)動電壓欠壓保護(hù);
采用第五代低功耗igbt管芯;
超小型體積，僅重65g。
數(shù)字伺服系統(tǒng)的控制策略
數(shù)字伺服系統(tǒng)一般是由三個閉環(huán)來完成。其原理如圖2所示，第一層是位置環(huán)、第二層是速度環(huán)、第三層是電流環(huán);其中位置、速度都是外環(huán)，而電流環(huán)則是系統(tǒng)內(nèi)的內(nèi)環(huán)，它的構(gòu)成是由核心硬件以及關(guān)鍵解算軟件組成的，全數(shù)字伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心傳動部分，也是技術(shù)難度最大的部分，其最主要的特點(diǎn)就是高速、高精、功能豐富多樣。電流環(huán)是伺服系統(tǒng)的核心控制環(huán)，而保證速度精度以及力矩平穩(wěn)性的最關(guān)鍵就是數(shù)字伺服中的電流環(huán)的設(shè)計(jì)，所以一個系統(tǒng)性能是否優(yōu)秀與電流環(huán)的設(shè)計(jì)息息相關(guān)。
lem傳感器與電流采樣電路方案設(shè)計(jì)
因?yàn)椴蓸拥木群退俣戎苯訉?dǎo)致整個電流環(huán)的運(yùn)算精度，從而直接對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生非常重大的影響。而在電量參數(shù)測量領(lǐng)域內(nèi)，作為首屈一指的領(lǐng)導(dǎo)廠商萊姆(lem)公司的霍爾電流傳感器由于其穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品性能成為本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。型號為lts25-np。此款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(見圖3)，萊姆傳感器在外圍的硬件電路設(shè)計(jì)上更加簡單，不需要增加電壓抬升電路(雙電源供電的傳感器必須增加電壓抬升電路使負(fù)電壓轉(zhuǎn)換為正電壓后才能進(jìn)入dsp)從而減少電源對系統(tǒng)的干擾。此款傳感器另一優(yōu)點(diǎn)是溫漂小，精度高;而且內(nèi)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(yùn)放后進(jìn)入dsp使精度有所降低。
lts25-np型傳感器的具體特點(diǎn)和性能參數(shù)如下：
原邊額定電流有效值ipn：25a;
原邊電流測量范圍ip：0～±80a;
供電電壓：+5v;
輸出電壓vout：2.5±0.625v;
轉(zhuǎn)換率kn=np：ns為：1：2000;
總精度：±0.2%;
線性度：小于0.1%;
反應(yīng)時間：小于500ns。
該傳感器有正極(+5)、測量端(out)及地(0)三個管腳，如圖3所示。其工作原理如下：該款傳感器是閉環(huán)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(chǎn)品，其工作原理是霍爾磁平衡式的(或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式)。當(dāng)電流流過一根長的直導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導(dǎo)線的電流的大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線性關(guān)系，因此，可以用測得的輸出信號，直接反應(yīng)導(dǎo)線中電流的大小。為防止干擾，在霍爾傳感器的供電電源端和地端單獨(dú)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(jī)的三相定子電流經(jīng)傳感器后進(jìn)入dsp轉(zhuǎn)換成是數(shù)字形式并進(jìn)行一系列的變換，由于本系統(tǒng)是三相平衡系統(tǒng)：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(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，定子電流檢測的精度和實(shí)時性是整個矢量控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵，因此本系統(tǒng)采用lts25-np型傳感器來檢測電流。
在本系統(tǒng)中，由兩個lem模塊檢測a相和b相的電流。在實(shí)際調(diào)試中，由于經(jīng)過傳感器出來的電流信號有高次偕波及其它干擾信號，因此必需要設(shè)計(jì)濾波器把高次偕波及其它干擾信號抑制掉。結(jié)合實(shí)際情況考慮，本文設(shè)計(jì)了帶有電壓跟隨的二階低通濾波器的電流檢測電路，具體原理圖如圖4所示。
在開關(guān)模式控制下，相電流信號含有需要濾出的高次諧波。設(shè)計(jì)中，首先利用pspice軟件對濾波器進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)[2]，經(jīng)過仿真驗(yàn)證后，確定采用二階的巴特沃斯濾波器結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)利用電流傳感器檢測電流，經(jīng)濾波、幅度變換、零位偏移、限幅，轉(zhuǎn)化為0～3v的電壓信號送入dsp的a/d引腳。
圖4中的二階巴特沃斯濾波器(虛線框內(nèi)所示)的幅頻特性曲線如圖5所示，通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，截至頻率為300hz，衰減斜率為-40db/dec。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，pwm頻率為15khz，死區(qū)時間為3μs，電流環(huán)采樣周期為67μs，速度環(huán)采樣周期為0.67ms，速度環(huán)的輸出限幅值為額定電流的1.5倍，電流環(huán)的輸出限幅為額定電壓的1.2倍。實(shí)驗(yàn)控制一臺8極的永磁同步電動機(jī)電機(jī)，其參數(shù)為：額定功率：1.88kw，額定轉(zhuǎn)速：2500r/min，額定電流：7.5a，額定轉(zhuǎn)矩：7.5nm，額定電壓：220v。電機(jī)分別在10r/min、200r/min、1000r /min、2000r/min且速度調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為：kpv=0.5，kiv=0.02;電流調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為：kpi=0.2，kii=0.02時的起動—停止過程的轉(zhuǎn)速曲線分別如圖6～9所示。
從圖6～9所示的實(shí)驗(yàn)波形可看出當(dāng)電機(jī)空載運(yùn)行時，系統(tǒng)運(yùn)行在速度電流閉環(huán)狀態(tài)下，可迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，超調(diào)及穩(wěn)態(tài)誤差都很小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有良好的動靜態(tài)性能。
結(jié)語
在本系統(tǒng)應(yīng)用中，lem傳感器能正確的測量電機(jī)電流，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)輸出量，各方面性能指標(biāo)都能滿足本系統(tǒng)的要求，是一款非常不錯的產(chǎn)品。綜上所述，采用霍爾電流傳感器(lem模塊)采樣電流，線性度好、功耗小，溫度穩(wěn)定性好，精度普遍較高，是較為理想的電流傳感器。在本系統(tǒng)研發(fā)的過程中，非常多謝該公司的工程師周到的服務(wù)和技術(shù)支持。希望以后lem電子公司能提供更多的產(chǎn)品和更好的技術(shù)支持，一起為我國的高端伺服控制產(chǎn)業(yè)取得更大的發(fā)展而努力。
