朱明星，謝清明，2

（1．北京動力機械研究所，北京100074；2．國家精密微特電機工程技術研究中心，貴州貴陽550008）

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10kW高速永磁同步電主軸驅(qū)動控制系統(tǒng)設計＊

朱明星1，謝清明1，2

（1．北京動力機械研究所，北京100074；2．國家精密微特電機工程技術研究中心，貴州貴陽550008）

摘要：介紹了一種10kW高速永磁同步電主軸驅(qū)動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用背靠背雙向PWM拓撲結(jié)構(gòu)，DSP+ CPLD為核心控制單元，通過無位置傳感器檢測技術和矢量控制算法驅(qū)動控制高速主軸電機，具有良好的動靜態(tài)速度調(diào)節(jié)性能。系統(tǒng)包括主電路、控制單元、采樣電路、驅(qū)動電路、監(jiān)控和接口電路、保護電路等。詳細介紹了硬件設計的思路和技術參數(shù)，制作了試驗樣機，并搭建了高速試驗臺，對樣機進行了試驗驗證，試驗結(jié)果證明了本系統(tǒng)良好的動靜態(tài)性能。

關鍵詞：高速永磁同步；電主軸；矢量控制；無位置傳感器

1　前言

電主軸是將電動機直接裝在主軸頭內(nèi)，減少了一般主軸需要的皮帶輪、齒輪或變速箱等機械變速機構(gòu)，提高了傳動效率，而且將松拉刀機構(gòu)與電主軸接為一體，使其結(jié)構(gòu)緊湊，實現(xiàn)了所謂的零傳動［1］，一般用于加工中心、高速銑床等機床中。近來有一個新的發(fā)展趨勢，是在電主軸中采用交流永磁同步電動機。對比交流異步電動機，它有以下優(yōu)點［2］。

（1）轉(zhuǎn)子用永磁材料制造，工作過程中轉(zhuǎn)子不發(fā)熱。而當采用交流異步電動機時，定子發(fā)熱雖可用水冷卻，但轉(zhuǎn)子發(fā)熱卻無法得到充分冷卻；

（2）功率密度更高，即可用較小的尺寸得到較大的功率和轉(zhuǎn)矩，有利于縮小電主軸的徑向尺寸。

（3）轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速嚴格與電源頻率同步，因此功率因數(shù)高，效率也高。

（4）可采用矢量控制，且電路比異步電動機簡單。

但國內(nèi)鮮有開發(fā)研制采用永磁同步電動機的電主軸的廠家，且國內(nèi)高性能數(shù)字交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)很多都依賴進口，價格高、維修困難，國內(nèi)自主研發(fā)的驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)速范圍和控制精度往往難以滿足要求。

本文介紹了一種10kW高速電主軸驅(qū)動控制系統(tǒng)，控制轉(zhuǎn)速最高可達60000r／min，采用DSP+CPLD的精密數(shù)字控制系統(tǒng)，無位置傳感器檢測技術使得系統(tǒng)更加簡單可靠，15kHz的開關頻率使得系統(tǒng)諧波更小，控制更加平穩(wěn)。背靠背雙向PWM拓撲結(jié)構(gòu)方便實現(xiàn)系統(tǒng)的四象限運行，另外系統(tǒng)還具備完善的保護功能。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2．1主電路

系統(tǒng)主電路采用交-直-交電壓型PWM雙向變流器結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)示意圖

功率開關器件選用某半導體公司的智能功率模塊（intelligent power module，簡稱IPM）。該器件是集控制、驅(qū)動、保護于一體的智能型IGBT模塊。IPM的驅(qū)動信號由中央控制器的芯片產(chǎn)生，經(jīng)過閉環(huán)計算和死區(qū)延時后，通過光耦驅(qū)動IPM進行開關變換。直流母線選用兩串五并的支撐電容組合C，使直流母線電壓平穩(wěn)，電容間用均壓電阻保證串聯(lián)電容的均衡耐壓。同時，為了實現(xiàn)快速制動和瞬時能量調(diào)節(jié)，設置了剎車電阻電路，當母線電壓高于剎車閾值時，功率開關管S閉合，系統(tǒng)將能量消耗在電阻R0上，實現(xiàn)快速能耗制動。電機側(cè)和網(wǎng)側(cè)分別串聯(lián)濾波電抗器，減小系統(tǒng)諧波和擾動。由于初上電時母線電容容量較大，為限制上電瞬間電流，在電網(wǎng)側(cè)設計預充電電路，防止瞬間能量過沖對硬件的損害。和傳統(tǒng)驅(qū)動器不同，網(wǎng)側(cè)采用三相可控變流拓撲，配合雙向PWM控制技術，可以實現(xiàn)系統(tǒng)四象限運行。

2．2控制單元

控制系統(tǒng)采用雙CPU結(jié)構(gòu)，分別控制電機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)。采用32位微處理器TMS320F2812作為主CPU，與可編程外圍器件EPM7192SQI160構(gòu)成核心控制單元，主要承擔電動機轉(zhuǎn)速計算、速度及位置的PID調(diào)節(jié)、矢量變換計算等任務。從CPU采用TMS320F2812，主要實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)可控升壓整流、面板監(jiān)控管理、對外接口通訊及指示等功能。雙CPU之間通過CAN總線進行串行通信，通信波特率為1MHz，保證一定范圍內(nèi)的遠程監(jiān)控。速度及位置檢測電路、數(shù)字及脈沖量輸入電路、邏輯譯碼電路和功率模塊的死區(qū)補償電路均采用大規(guī)模邏輯門陣集成電路，提高了系統(tǒng)的可靠性?？刂齐娫床捎米灾髟O計760V轉(zhuǎn)13．8V電源模塊，電源模塊和功率電路集成設計，保證了結(jié)構(gòu)和性能的優(yōu)化。

2．3采樣電路

采樣電路主要有以下幾部分。

（1）轉(zhuǎn)速及位置檢測。由于數(shù)控機床要求轉(zhuǎn)速控制精度較高，為此系統(tǒng)采用速度閉環(huán)控制策略。傳統(tǒng)的機械式傳感器存在機械安裝困難、增加電機軸向長度和轉(zhuǎn)動慣量等問題，故本系統(tǒng)采用無位置傳感器算法，通過檢測到的電機電流估算電機反電勢，最終通過計算角度來確定電機轉(zhuǎn)速和位置。給定速度與反饋速度的誤差通過PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩電流值后來實現(xiàn)速度閉環(huán)控制。

（2）電壓采樣。由于要通過可控升壓整流維持直流母線電壓，故需要對直流電壓和三相電壓進行采樣。該電路對電網(wǎng)三相電壓和電機調(diào)速電壓進行采樣，將三相電通過分壓電路、濾波電路、射隨電路等環(huán)節(jié)后將電網(wǎng)相位變成數(shù)字信號，同時將電壓幅值變成模擬量傳輸給中央控制器。直流母線電壓采樣通過電阻分壓并配合差分運放來完成。

（3）電流檢測。由于數(shù)控機床要求較寬的調(diào)速范圍，電動機運行速度要求從幾十轉(zhuǎn)至幾萬轉(zhuǎn)。因此，輸出電流的頻率變化范圍較大，一般的電流互感器不能滿足要求。本系統(tǒng)采用磁平衡式霍爾電流互感器對電機電流和電網(wǎng)電流進行檢測。LAH100-P型霍爾電流互感器的測量精度和線性度較高，響應速度快，電隔離性能好，可以檢測直流、交流、脈沖及各種不規(guī)則波形的電流、電壓，頻率范圍高達100kHz。由于電機三相繞組采用Y型接法，故有三相電機電流ia+ib+ic＝0，故只須檢測任意兩相電流便可知道三相電流值。電流采樣電路如圖2所示。

圖2　電機電流采樣電路

（4）溫度采樣。溫度采樣通過熱電偶實現(xiàn)，溫度信號進行調(diào)理后傳遞至中央控制器，中央控制器根據(jù)溫度值判斷發(fā)出警告或故障。

2．4驅(qū)動電路設計

F2812的EVA模塊輸出的三對互補PWM信號經(jīng)過高速光耦HCNW 4506隔離后到達IPM的PWM輸入引腳，對IPM內(nèi)部的IGBT的開通與關斷進行控制。驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3　驅(qū)動電路

2．5監(jiān)控和接口電路

系統(tǒng)自帶監(jiān)控電路，采用工業(yè)級高分辨率觸摸屏作為人機界面，觀測直觀、操作方便，有良好的用戶體驗。為了方便系統(tǒng)調(diào)試，系統(tǒng)還設計了對外的接口電路，主要包括CAN和RS485接口。用戶可以根據(jù)自己的需求外擴監(jiān)控和操作界面。同時，為了保證緊急狀態(tài)下的可靠停機，系統(tǒng)還設計硬件急停和保護電路。

2．6保護電路

為使系統(tǒng)能夠安全可靠工作，采用了過流、直流過壓、直流欠壓、交流欠壓、缺相、器件過熱、上電及斷電等多級保護，并有故障代碼顯示及記憶功能。其中過流保護不僅利用IPM智能模塊本身所具有的短路過流保護功能，本文還利用F2812的功率驅(qū)動中斷輸入引腳PDPINTA構(gòu)成保護電路。當電流、電壓采樣信號大于門檻值時，PDPINTA有效，從而使PWM輸出引腳置為高阻態(tài)，封鎖PWM信號的輸出，達到保護系統(tǒng)的目的。

3　控制策略

針對電主軸高轉(zhuǎn)速、高精度的特點，提出了一種適用于電主軸用高速永磁同步起動發(fā)電機驅(qū)動控制方法，該方法采用速度外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)矢量控制。同時，提出了一種改進的基于反電勢開環(huán)估計的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速檢測方法，實現(xiàn)了高速電機的無傳感器矢量控制。為了解決低速啟動情況下，給予反電勢開環(huán)估計方法的準確度大大降低的問題，在電機啟動過程中，在低速段采用基于電流控制的開環(huán)變頻調(diào)速，中、高速段采用無傳感器矢量控制方法。其控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。實驗結(jié)果驗證了提出方法的有效性。

圖4　電主軸驅(qū)動控制系統(tǒng)原理圖

4　試驗驗證

基于上述設計完成試驗樣機一臺，并搭建了10kW高速試驗臺對樣機性能進行了試驗驗證。高速臺由高速電主軸、驅(qū)動控制器、潤滑系統(tǒng)、以及上位機組成。其中，高速電主軸采用永磁同步電機，60000rpm時，該電機的相反電勢峰值約為300V；潤滑系統(tǒng)的作用是為電主軸的前、后軸承進行潤滑和散熱；上位機通過kvaser監(jiān)控界面與控制器通信，實現(xiàn)控制指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)回傳。高速臺試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　高速臺試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于試驗系統(tǒng)完成了高速臺電機的55000rpm轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速跟隨性好，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速波動小于0．3%，試驗波形如圖6和圖7所示，試驗驗證了驅(qū)動控制器良好的動靜態(tài)性能。

圖6　轉(zhuǎn)速為55000rpm時電機轉(zhuǎn)速跟蹤曲線

圖7　轉(zhuǎn)速為55000rpm時電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)波動

5　結(jié)束語

本文中介紹了一種10kW高速同步電主軸驅(qū)動控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的設計思路和參數(shù)進行了詳細介紹，充分運用了先進的微處理器技術、電力電子變換技術、無位置傳感器檢測技術、電機矢量控制技術，能夠使電機在整個調(diào)速范圍內(nèi)平滑穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)，且噪聲低，穩(wěn)態(tài)波動小。搭建了高速電主軸試驗臺，對樣機進行了驅(qū)動控制試驗，試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)實現(xiàn)了高精度的轉(zhuǎn)速跟蹤控制，具有良好的動靜態(tài)性能。

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Design of 10kW high speed permanent magnet synchronous motor drive control system

ZHU Ming-xing1，XIE Qing-ming1，2

（1．Beijing Power Machinery Research Institute，Beijing100074，China；2．National Engineering Research Centerfor Precision Micromotor，Guiyang550008，China）

Key words：high speed permanent magnet synchronous motor；electric spindle；vector control；position sensorless control

Abstract：A 10kW high speed permanent magnet synchronous motor drive control system is presented．The system has back -to -back double PWM topology structure and has good dynamic and static performance of speed adjustment．It drives and controls the high speed spindle motor using“DSP + CPLD”as its core control unit through the sensorless algorithm．The system comprises a main circuit，a control unit，a sampling circuit，a monitoring and interface circuit，a protection circuit etc．The hardware design ideas and technical parameters are introduced in detail，and accordingly which the test prototype is designed and manufactured，and a high speed testing table is built．The prototype tests and experimental results show that the system has well dynamic and static performance．

中圖分類號：TM341

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2016）02—0018—04

基金項目：＊國家國際科技合作專項（2013DFA70650）

作者簡介：

朱明星，男，河南開封人，碩士，主要研究方向為電力電子變換與控制。

謝清明，男，黑龍江人，研究員，主要研究方向為自動化與電機控制。

收稿日期：2016-02-16