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 機電工程學院，北京 100081）

0 引言

在傳統(tǒng)的驅動系統(tǒng)中，電機和負載之間連接著減速器或齒輪箱等傳動機構進行伺服控制，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成本[1]。作為直驅技術的一個應用，直驅力矩電機能夠克服上述缺點，具有控制精度高、運行效率高、機械結構簡單、免維護、可靠性高、過載能力強、使用壽命長等優(yōu)勢。在直驅式力矩伺服系統(tǒng)中，永磁同步力矩電機正逐步取代直流力矩電機和異步力矩電機，表現(xiàn)出優(yōu)越的控制性能和更加廣闊的應用前景。

1 直驅力矩電機數(shù)學模型及矢量控制

1.1 機床用數(shù)控回轉刀架直驅力矩電機

伺服電機驅動系統(tǒng)的控制目標取決于控制對象的功能設計。該電機位于機床數(shù)控回轉刀架后端，電機轉子與主軸連接，直接帶動刀盤轉位。當電機轉到指定刀位后，發(fā)送脈沖信號，啟動鼠牙盤等壓緊裝置固定電機位置，完成換刀動作。力矩電機直驅刀架結構如圖1所示[2]。

圖1 力矩電機直驅刀架

在結構方面，電機與運動部件實現(xiàn)無傳動環(huán)節(jié)的回轉運動，相比于傳統(tǒng)的力矩電機節(jié)省了傳動機構，很大程度上縮減了總體尺寸，節(jié)省了數(shù)控機床空間。在控制方面，該回轉刀架集成了運動機構、電機、運動控制三項技術，在控制系統(tǒng)設計時，綜合平衡和優(yōu)化了直驅力矩電機的設計，相比于機械傳動刀架具有更高的控制精度和更快的響應速度。該刀塔用直驅力矩電機參數(shù)如表1所示。

表1 直驅力矩電機結構參數(shù)

1.2 永磁同步電機的數(shù)學模型

從電機本身的結構和工作原理來看，該力矩電機為永磁同步電機。依據(jù)直流電機的控制思路，需要對電機控制參數(shù)進行解耦以便達到線性化控制的目的。

由于永磁同步電機轉子磁鏈不對稱，A、B、C坐標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坐標系。在忽略磁滯、渦流損耗、轉子無阻尼繞組，并近似認為電機磁路不飽和情況下，電壓、磁鏈、電磁轉矩方程分別表示為[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為轉子磁鏈，Ld、Lq為定子繞組直、交軸電感，Rs為定子電阻，ω為轉子角速度，p=d/dt表示微分算子，Pn為電機極對數(shù)，Te為電磁轉矩，TL為負載轉矩，B為系統(tǒng)轉子粘滯摩擦系數(shù)，J為系統(tǒng)轉動慣量。

1.3 永磁同步電機的仿真分析

電機的數(shù)學模型中含有時變參數(shù)，給分析和計算帶來困難。為了通過使用數(shù)學模型描述其物理特性，依據(jù)1.2節(jié)對電機假設。并采用id=0的矢量控制算法，根據(jù)三相永磁同步電機轉子磁場定向矢量控制系統(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：調節(jié)器模塊、位置速度檢測模塊、坐標變換模塊、函數(shù)發(fā)生模塊、SVPWM發(fā)生模塊、整流和逆變模塊、電機模塊、電流采樣模塊[4,5]。如圖2為直驅力矩電機位置伺服系統(tǒng)仿真模型。

圖2 直驅力矩電機位置伺服系統(tǒng)仿真模型

該電機的基本參數(shù)為：額定功率PN=0.75kW，額定電壓UN=380V，額定電流IN=4A，額定轉速n=60r/min，定子電阻R=2.875Ω，交軸、直軸電感分別為Ld=Lq=0.056H，轉動慣量為J=4.79kg·m2，極對數(shù)為pn=33，額定轉矩Te=120N·m，轉子磁通φ0=0.00036Wb，額定頻率fN=33Hz。

電機位置控制仿真系統(tǒng)的設計采用位置環(huán)、轉速環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)控制，id=0的矢量控制策略，SVPWM脈寬調制技術。其中位置環(huán)控制器采用比例調節(jié)，轉速環(huán)和電流環(huán)調節(jié)器采用PI調節(jié)，并且PI調節(jié)器進行了積分分離、死區(qū)控制等算法改進，大大提高了控制效果[5]。仿真選取參考位置為30°時位置、速度、轉矩響應曲線，仿真結果如圖3所示。

圖3 參考位置30°時位置、速度、轉矩響應曲線

從仿真結果可以看出，位置變化按時間可以分為三個過程：0～0.04s內轉子位置以加加速的速度增加，電磁轉矩輸出最大，轉子速度呈線性增長。在0.04s～0.4s時間段內，轉子位置以減加速的速度增加，電機制動轉矩逐漸減小，轉子速度加速下降后緩慢減小。0.4s以后，轉子位置穩(wěn)定在30.2°，輸出轉矩和轉子轉速幾乎為零。由此可以看出，仿真波形和理論設計一致，基本驗證了電機所采用的控制方法的正確性。

2 電機驅動系統(tǒng)的軟硬件設計

數(shù)控回轉刀架的位置精度要求為1.05°，驅動器位置控制精度為0.55°，滿足設計要求；為了快速響應換刀指令，相鄰刀位換刀時間設計指標為不超過0.5s；驅動器具有電源過壓、電源欠壓、過溫、過流、短路等保護電路；驅動器I/O口信號輸入電平為24V，需要進行電平轉換、光耦隔離等，且設計CAN通訊接口電路進行軟件調試。

根據(jù)驅動器技術指標的要求和電機結構特點來選擇電子元器件，且所有的元器件、接插件均選用工業(yè)級器件。

2.1 電機驅動器硬件電路設計

驅動器的硬件設計主要包括控制板和功率板兩大結構。在控制板設計的過程中，考慮到可靠性、硬件外設資源、性價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架構的16位單片機XC2267。為了縮小驅動器的整體設計體積，控制板由Infineon最小系統(tǒng)板和轉接控制板組成[6]?？刂瓢謇棉D接控制板將轉子位置信號、轉速信號和定子相電流信號進行分析處理，通過轉接接口傳遞給Infineon最小系統(tǒng)板，最終產生控制驅動板的六路脈沖信號?？刂瓢褰邮镇寗影骞┙o的12V電源信號，IPM故障信號，IGBT溫度信號，輸出六路驅動信號，驅動板復位信號等，該板同時具有通訊接口電路、CAN調試接口電路、保護電路等[7]?？刂齐娐返腜CB板實物如圖4所示。

對于驅動功率板，外部輸入的三相工頻交流電首先經(jīng)過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，控制開關器件輸出直驅力矩電機需要的三相電壓，激勵三相交變電流，從而產生旋轉磁場，驅動電機轉動。A、B、C三相電流信號，整流濾波后的直流電壓信號，IGBT的過熱、過壓等故障信號通過端口傳遞給控制板，及時反饋電機的運行狀況，確保驅動系統(tǒng)的安全正常工作。驅動板電路主要包括整流濾波電路、開關電源電路、功率驅動電路以及保護電路[8]。

驅動板的實物如圖5所示。圖中只給出了驅動板正面的電路布局，功率模塊FP35R12KT和散熱板分布在電路板的背面。

該客戶端主要針對消費者進行開發(fā)，主要實現(xiàn)農產品從生產到銷售各個階段的實時溯源信息的查詢和展示工作，通過掃碼進行信息的自動查詢。主要的界面如下圖所示：

圖4 驅動器的系統(tǒng)控制板

圖5 直驅力矩電機驅動板

2.2 電機驅動系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)1.2～1.4節(jié)的控制算法對驅動系統(tǒng)的軟件進行了設計。控制系統(tǒng)采用的軟件平臺是keil uVision4和DAVE2.0，使用C語言進行編程。通過keil uVision4和DAVE2.0的配合使用，減少了用戶編寫配置文件、初始化寄存器設置等工作，使軟件開發(fā)更加方便快捷。

直驅力矩電機驅動系統(tǒng)設計目標是能夠實現(xiàn)精確、快速的位置伺服控制，最終完成換刀動作。軟件設計中，根據(jù)系統(tǒng)需要，采用面向過程的分析方法和模塊化的設計思路。根據(jù)實現(xiàn)位置控制的過程將系統(tǒng)軟件分為以下幾個部分：初始化模塊、偏移量測量模塊、轉子位置判斷模塊、相電流采樣模塊、SVPWM模塊和CAN通訊模塊等。交流驅動系統(tǒng)的控制具有很高的實時性，要求對被控狀態(tài)量能做出快速、及時的反應。系統(tǒng)軟件結構如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件結構

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)主要完成時鐘設置和各個外設模塊的初始化，F(xiàn)OC初始化完成各環(huán)路調節(jié)器參數(shù)的設定。當中斷條件滿足時，中斷程序開始執(zhí)行。直驅力矩電機的位置矢量控制在主中斷程序中完成，通過將計算的位置誤差經(jīng)各環(huán)調節(jié)器調制最終輸出六路脈沖波，改變逆變器的輸出電壓達到控制要求。

3 電機驅動系統(tǒng)性能測試實驗

首先需要對設計的驅動器硬件電路部分進行調試，驅動板主要完成開關電源輸出電壓帶載情況下性能測試以及相電流采樣準確與否測試?？刂瓢逯饕獪y試部分芯片是否正常供電。在此基礎上設計直驅力矩電機的實驗。

3.1 實驗臺搭建

整個實驗系統(tǒng)主要由直驅力矩電機、驅動器（驅動板、控制板兩部分）、光電編碼器、CAN卡、PC機等設備連接而成。驅動器性能測試主要是驗證直驅力矩電機對給定位置信號的響應情況，需要觀察轉子位置變化情況、電機轉速的變化趨勢以及產生的電磁轉矩是否符合電機特性要求[9,10]。整個測試系統(tǒng)連接如圖7所示。

圖7 測試實驗臺

3.2 實驗結果分析

通過上述實驗測試，我們得到了在給定位置為30度時電機的位置曲線、速度曲線、轉矩曲線，如圖8所示。

圖8 參考位置為30°時的位置、轉速、轉矩響應曲線

在圖8(a)中，對比仿真同樣可以看到直驅力矩電機位置變化可以分為以下幾個區(qū)段：0～0.3s，直驅電機轉子位置從0度開始增加；0.3s時電機位置第一次到達30度的設定位置；轉子位置繼續(xù)增大，但增加很小角度后又很快回落減小，此過程時間大約0.08s，證明該系統(tǒng)的超調量比較小。在0.4s以后電機轉子位置保持在30.4度。整個位置變化過程符合設計的指標要求。因為該直驅電機轉動慣量很大，所以電機轉動到給定位置后經(jīng)歷一個波動的過程才穩(wěn)定下來也符合該控制系統(tǒng)的基本特性。

通過測試實驗進一步證明整體上該直驅力矩電機驅動系統(tǒng)設計基本合理，具有比較好的動態(tài)性能，能夠滿足系統(tǒng)的設計要求。

4 結束語

在對數(shù)控回轉刀架直驅力矩電機驅動系統(tǒng)建模仿真的基礎上，進行了基于矢量控制算法的直驅力矩電機驅動系統(tǒng)軟硬件設計和性能測試。

仿真結果表明，該系統(tǒng)所建數(shù)學模型正確，采用的矢量控制方法能夠實現(xiàn)對電機的精確控制。

驅動系統(tǒng)的硬件設計從工程應用的角度展開，分別設計了以英飛凌公司的XC2267芯片為核心的控制板和智能功率模塊FP35R12KT4為核心的驅動板，軟件編制部分采用矢量控制策略和SVPWM脈寬調制技術來產生驅動信號。

進行硬件測試和軟硬件整合完成直驅力矩電機驅動器樣機的設計，性能測試結果表明驅動系統(tǒng)的位置精度和動態(tài)響應性能符合系統(tǒng)設計的基本要求。

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