高性能数控机床交流主轴驱动系统

　　1 引言

　　数控机床要求驱动系统调速范围宽、速度精度高、响应速度快、加减速性能好，保护功能强等。

　　本文介绍一种高性能数控机床交流主轴驱动系统。该系统以智能功率模块IPM为逆变器开关元件，以MCS96系列双单片机为主控制器，控制算法采用全数字转差频率式矢量控制。主控制器采用双CPU结构，一片CPU完成速度外环控制、监控及显示等；另一片CPU用于电机高速控制，80C196MC完成电流内环控制。两片CPU之间通过共享RAM进行通讯，有效地解决了一般CPU计算能力不强的问题。主回路采用由智能功率模块IPM组成的电压型交直交逆变器。该系统还具有功能齐全的检测与保护电路等。

　　实验表明该系统具有良好的静态和动态性能，能够满足数控机床对驱动系统的上述要求。

　　2 主回路

　　主回路采用交直交电压型结构，主要由整流电路、滤波器及逆变电路等组成。逆变电路采用新型功率器件—智能功率模块(Intelligent Power Module，简称IPM)。智能功率模块IPM是一种先进的混合集成智能功率模块，它由高速、低耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及过流、短路、欠压和过热保护电路组成，是继IGBT之后电力电子技术领域的又一革新性成果。由于IPM内部采用了能连续监测功率器件电流的IGBT芯片，实现了高效的过流保护和短路保护；IPM内部还集成了过热和欠压保护电路，大大提高了系统可靠性；IPM内部还集成了绝缘栅双极型晶体管IGBT及其驱动电路，缩短了产品开发周期；IPM通态损耗和开关损耗都较低，减少了散热片尺寸，降低了成本。所以，与IGBT相比，智能功率模块IPM具有明显的优势。

　　3 控制电路

　　为了实现数控机床的快速实时和可靠控制，控制电路采用80C196MC-80C196KC双单片机结构。

　　80C196MC CPU具有较高的运算速度和较强的控制能力，它的任务是完成要求实时性高的电流内环控制，产生PWM控制信号，完成保护等功能。特别是80C196MC片内含有3相波形发生器WFG(Wave Form Generator)。WFG具有3个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较寄存器，一个无信号时间(dead-time)发生器和一对可编程的输出。WFG可以产生独立的3对PWM波形，它们具有共同的载波频率、无信号时间和操作方式，一旦启动之后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。如采用16MHz晶振时，中心对准的PWM的载波周期为0.15μs～16ms，增量为0.25μs，无信号时间的调整范围为0.125～125μs。无信号时间用来防止一对互补的PWM同时有效，以保证输出波形不交叠。WFG大大简化了用于产生同步脉宽调制(PWM)波形的控制软件和外设硬件，特别适用于控制3相交流感应电动机，也可用于控制直流无刷电动机和其它需要多个PWM输出的装置。WFG是80C196MC/MD独有的特色之一。80C196KC主要完成转速控制与检测，键盘中断输入并修改重要参数，显示有关信息，矢量变换，向80C196MC提供指令信号等功能。

　　双单片机之间的通讯采用共享RAM方式，以提高系统的运行速度。80C196KC将计算出的电流环所需参数，如励磁电流、转矩电流、旋转角速度等，传送到共享RAM相应单元，而80C196MC则从共享RAM中读取这些数据。

　　4 检测与保护电路

　　1) 电流检测

　　由于数控机床要求较宽的调速范围，因此，输出电流的频率变化范围较大，一般的电流互感器不能满足要求，故采用霍尔电流互感器对输出电流进行检测。霍尔电流互感器的特点是体积小，响应速度快，准确度和线性度高。

　　2) 转速采样

　　由于数控机床要求转速控制精度较高，一般的测速部件难以满足要求，为此采用1024高分辨率的光电脉冲编码器，以实现高速定位、高速攻丝、轮廓控制等功能。

　　3) 保护功能

　　智能功率模块IPM具有性能优良的内置保护电路，以避免因系统失灵或过应力而使功率器件损坏。

　　如果IPM模块的一种保护电路动作，IGBT栅驱动单元就会关断驱动脉冲，并输出一个故障信号。IPM模块的内部保护功能有以下几种。

　　1) 控制电源电压锁定(UV)IPM内部控制电路由15V直流电源供电，如果由于某种原因这一电源电压低于规定的欠压动作值(UV)，该功率器件将被关断并输出一个故障信号；只有当电源电压超过欠压复位值(UVr)时电路才能恢复正常工作。如果干扰信号持续时间小于规定的tDUV，欠压保护电路将不予理睬，控制电路正常工作，这样可以有效地避免干扰信号对电路正常工作的影响。在UV和UVr之间应设有一定的差值，这样可以避免欠压保护电路频繁切换，保证电路的正常运行。

　　2) 过热保护(OT)IPM内部装有温度传感器，用于检测功率器件的工作温度。如果传感器检测到基板温度超出过热动作值(OT)，IPM内部控制电路将截止下桥臂器件的栅驱动，使控制输入信号无效，同时给出下桥臂故障信号，直到温度恢复正常，从而保护了功率器件。

　　当温度回落到过热复位值(OTr)以下，并且控制输入为高电平(关断状态)时，功率器件将接受下一个低电平(开通状态)输入信号且恢复正常工作。

　　同样，为避免过热保护频繁动作，在过热动作值OT与过热复位值OTr之间也设有20℃的差值。

　　3) 过流保护(OC)IPM采用带电流传感器的IGBT，用来测量功率器件的工作电流，如果流过IGBT的电流超出过流动作值(OC)的时间大于toff(OC)，IGBT将被关断。对超过OC数值但时间小于toff(OC)的电流脉冲，过流保护电路将不予理睬。当检测出过电流时，IPM内部控制电路将IGBT软关断，同时输出一个故障信号。软关断能够控制关断大电流时所产生的浪涌电压，从而避免浪涌电压过高，有效地保障了IPM的安全。

　　4) 短路保护(SC)如果负载发生短路或系统控制器发生故障，从而导致上下桥臂直接导通，使流经IGBT的电流超过短路保护动作值(SC)，IPM内置短路保护电路将启动软关断，关断IGBT，并输出一个故障信号。由于第三代IPM采用了实时电流控制电路(RTC)，它直接监测IGBT末级驱动电路电流，将SC检测和关断之间的响应时间减小到不足0.1μs，从而大大减小了短路电流幅值、功率应力和电压峰值，有效地保障了IPM的安全。

　　为了保证系统安全可靠地运行，除了IPM的自保护功能之外，系统中还设有过流、短路、交/直流过压、欠压、缺相和快熔保护等各项保护措施。

　　5 控制算法

　　针对数控机床高精度要求，控制算法采用转差频率式矢量控制。矢量控制是把交流电动机模拟直流电动机来控制，通过坐标变换把交流电动机定子电流矢量分解成按转子磁场定向的两个直流分量，并对这两个分量进行控制，从而获得与直流电动机相同的调速性能。

　　在转差频率式矢量控制算法中，要用到电动机参数，如果给定参数与实际值不符，转矩或转子磁通就不等于它们的指令值。在这里转子时间常数的误差至关重要，它直接影响矢量控制的动静态特性，因此需要对转子时间常数进行适当补偿。在负载一定的情况下，电动机运行于最佳状态，则认为实现了准磁场定向控制。采用的方法是选取电动机实际旋转角速度与给定角速度之间的误差绝对值作为目标函数，进行转子时间常数的自寻优。即当电流稳定运行时，选取适当的转子时间常数使这个误差绝对值最小。设转速环每1ms采样一次，并把每163次采样点作为一组数据，这样163次采样大约需要4s的时间。每次时间常数自寻优以后，让电动机运转4s，然后继续采样寻优。

　　由于篇幅所限，“交流电动机矢量变换控制原理”在此不再赘述，请参见有关参考文献。

　　6 结束语

　　该系统采用了双CPU结构的控制电路，一片CPU用于速度外环控制，另一片CPU用于电流内环控制；逆变电路采用智能功率模块；控制算法采用转差频率式矢量控制，励磁电流和转矩电流能够独立控制。在实验中选用数控机床用交流主轴变频电机，额定功率11kW，基速1500r/min。实验结果表明，电机运转平稳，低速特性好，定子电流接近正弦波，该系统很好地满足了数控机床对驱动系统的要求。

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