1 引言

　　數(shù)控機床要求驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)速范圍寬甘直、速度精度高、響應(yīng)速度快、加減速性能好论皆，保護功能強等。

　　本文介紹一種高性能數(shù)控機床交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)猾漫。該系統(tǒng)以智能功率模塊IPM為逆變器開關(guān)元件点晴，以MCS96系列雙單片機為主控制器，控制算法采用全數(shù)字轉(zhuǎn)差頻率式矢量控制悯周。主控制器采用雙CPU結(jié)構(gòu)粒督，一片CPU完成速度外環(huán)控制、監(jiān)控及顯示等禽翼；另一片CPU用于電機高速控制坠陈，80C196MC完成電流內(nèi)環(huán)控制。兩片CPU之間通過共享RAM進行通訊淮辕，有效地解決了一般CPU計算能力不強的問題蘸错。主回路采用由智能功率模塊IPM組成的電壓型交直交逆變器牡罚。該系統(tǒng)還具有功能齊全的檢測與保護電路等。

　　實驗表明該系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能冬溯，能夠滿足數(shù)控機床對驅(qū)動系統(tǒng)的上述要求缰伶。

　　2 主回路

　　主回路采用交直交電壓型結(jié)構(gòu)，主要由整流電路录教、濾波器及逆變電路等組成壮煎。逆變電路采用新型功率器件—智能功率模塊(Intelligent Power Module，簡稱IPM)字瘫。智能功率模塊IPM是一種先進的混合集成智能功率模塊触迄，它由高速、低耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動及過流借街、短路惦参、欠壓和過熱保護電路組成，是繼IGBT之后電力電子技術(shù)領(lǐng)域的又一革新性成果听想。由于IPM內(nèi)部采用了能連續(xù)監(jiān)測功率器件電流的IGBT芯片腥刹，實現(xiàn)了高效的過流保護和短路保護；IPM內(nèi)部還集成了過熱和欠壓保護電路汉买，大大提高了系統(tǒng)可靠性衔峰；IPM內(nèi)部還集成了絕緣柵雙極型晶體管IGBT及其驅(qū)動電路，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期蛙粘；IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都較低垫卤，減少了散熱片尺寸，降低了成本出牧。所以葫男，與IGBT相比，智能功率模塊IPM具有明顯的優(yōu)勢崔列。

　　3 控制電路

　　為了實現(xiàn)數(shù)控機床的快速實時和可靠控制梢褐，控制電路采用80C196MC-80C196KC雙單片機結(jié)構(gòu)。

　　80C196MC CPU具有較高的運算速度和較強的控制能力赵讯，它的任務(wù)是完成要求實時性高的電流內(nèi)環(huán)控制盈咳，產(chǎn)生PWM控制信號，完成保護等功能边翼。特別是80C196MC片內(nèi)含有3相波形發(fā)生器WFG(Wave Form Generator)淳某。WFG具有3個同步的PWM模塊，每個模塊包含一個相位比較寄存器徽七，一個無信號時間(dead-time)發(fā)生器和一對可編程的輸出馍上。WFG可以產(chǎn)生獨立的3對PWM波形，它們具有共同的載波頻率蛹柔、無信號時間和操作方式哑暮，一旦啟動之后签梭，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時加以干預(yù)。如采用16MHz晶振時奕碑，中心對準(zhǔn)的PWM的載波周期為0.15μs～16ms稻悴，增量為0.25μs，無信號時間的調(diào)整范圍為0.125～125μs脆号。無信號時間用來防止一對互補的PWM同時有效赫裂，以保證輸出波形不交疊。WFG大大簡化了用于產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制(PWM)波形的控制軟件和外設(shè)硬件寝话，特別適用于控制3相交流感應(yīng)電動機今燃，也可用于控制直流無刷電動機和其它需要多個PWM輸出的裝置。WFG是80C196MC/MD獨有的特色之一尊勿。80C196KC主要完成轉(zhuǎn)速控制與檢測僧凤，鍵盤中斷輸入并修改重要參數(shù)，顯示有關(guān)信息运怖，矢量變換，向80C196MC提供指令信號等功能夏伊。

　　雙單片機之間的通訊采用共享RAM方式摇展，以提高系統(tǒng)的運行速度。80C196KC將計算出的電流環(huán)所需參數(shù)溺忧，如勵磁電流咏连、轉(zhuǎn)矩電流、旋轉(zhuǎn)角速度等鲁森，傳送到共享RAM相應(yīng)單元祟滴，而80C196MC則從共享RAM中讀取這些數(shù)據(jù)。

　　4 檢測與保護電路

　　1) 電流檢測

　　由于數(shù)控機床要求較寬的調(diào)速范圍歌溉，因此垄懂，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痛垛，故采用霍爾電流互感器對輸出電流進行檢測秋衡。霍爾電流互感器的特點是體積小晚簇，響應(yīng)速度快挑卫，準(zhǔn)確度和線性度高。

　　2) 轉(zhuǎn)速采樣

　　由于數(shù)控機床要求轉(zhuǎn)速控制精度較高食召，一般的測速部件難以滿足要求贩普，為此采用1024高分辨率的光電脈沖編碼器，以實現(xiàn)高速定位付杰、高速攻絲研脸、輪廓控制等功能叨连。

　　3) 保護功能

　　智能功率模塊IPM具有性能優(yōu)良的內(nèi)置保護電路，以避免因系統(tǒng)失靈或過應(yīng)力而使功率器件損壞口愁。

　　如果IPM模塊的一種保護電路動作耿逐，IGBT柵驅(qū)動單元就會關(guān)斷驅(qū)動脈沖，并輸出一個故障信號鸿挠。IPM模塊的內(nèi)部保護功能有以下幾種醇舶。

　　1) 控制電源電壓鎖定(UV)IPM內(nèi)部控制電路由15V直流電源供電，如果由于某種原因這一電源電壓低于規(guī)定的欠壓動作值(UV)宋梧，該功率器件將被關(guān)斷并輸出一個故障信號匣沼；只有當(dāng)電源電壓超過欠壓復(fù)位值(UVr)時電路才能恢復(fù)正常工作。如果干擾信號持續(xù)時間小于規(guī)定的tDUV捂龄，欠壓保護電路將不予理睬释涛，控制電路正常工作，這樣可以有效地避免干擾信號對電路正常工作的影響倦沧。在UV和UVr之間應(yīng)設(shè)有一定的差值唇撬，這樣可以避免欠壓保護電路頻繁切換，保證電路的正常運行展融。

　　2) 過熱保護(OT)IPM內(nèi)部裝有溫度傳感器窖认，用于檢測功率器件的工作溫度。如果傳感器檢測到基板溫度超出過熱動作值(OT)告希，IPM內(nèi)部控制電路將截止下橋臂器件的柵驅(qū)動扑浸，使控制輸入信號無效，同時給出下橋臂故障信號燕偶，直到溫度恢復(fù)正常喝噪，從而保護了功率器件。

　　當(dāng)溫度回落到過熱復(fù)位值(OTr)以下摆螟，并且控制輸入為高電平(關(guān)斷狀態(tài))時期第，功率器件將接受下一個低電平(開通狀態(tài))輸入信號且恢復(fù)正常工作。

　　同樣蒜恶，為避免過熱保護頻繁動作绅鉴，在過熱動作值OT與過熱復(fù)位值OTr之間也設(shè)有20℃的差值。

　　3) 過流保護(OC)IPM采用帶電流傳感器的IGBT厉源，用來測量功率器件的工作電流既蛙，如果流過IGBT的電流超出過流動作值(OC)的時間大于toff(OC)，IGBT將被關(guān)斷豆蝠。對超過OC數(shù)值但時間小于toff(OC)的電流脈沖蓖社，過流保護電路將不予理睬。當(dāng)檢測出過電流時赛羡，IPM內(nèi)部控制電路將IGBT軟關(guān)斷衍止，同時輸出一個故障信號哗蛋。軟關(guān)斷能夠控制關(guān)斷大電流時所產(chǎn)生的浪涌電壓，從而避免浪涌電壓過高园担，有效地保障了IPM的安全届谈。

　　4) 短路保護(SC)如果負(fù)載發(fā)生短路或系統(tǒng)控制器發(fā)生故障，從而導(dǎo)致上下橋臂直接導(dǎo)通弯汰，使流經(jīng)IGBT的電流超過短路保護動作值(SC)艰山，IPM內(nèi)置短路保護電路將啟動軟關(guān)斷，關(guān)斷IGBT咏闪，并輸出一個故障信號曙搬。由于第三代IPM采用了實時電流控制電路(RTC)，它直接監(jiān)測IGBT末級驅(qū)動電路電流鸽嫂，將SC檢測和關(guān)斷之間的響應(yīng)時間減小到不足0.1μs纵装，從而大大減小了短路電流幅值、功率應(yīng)力和電壓峰值据某，有效地保障了IPM的安全橡娄。

　　為了保證系統(tǒng)安全可靠地運行，除了IPM的自保護功能之外癣籽，系統(tǒng)中還設(shè)有過流挽唉、短路、交/直流過壓才避、欠壓咱茂、缺相和快熔保護等各項保護措施掰废。

　　5 控制算法

　　針對數(shù)控機床高精度要求棕优，控制算法采用轉(zhuǎn)差頻率式矢量控制。矢量控制是把交流電動機模擬直流電動機來控制敢添，通過坐標(biāo)變換把交流電動機定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個直流分量佣虑，并對這兩個分量進行控制，從而獲得與直流電動機相同的調(diào)速性能季训。

　　在轉(zhuǎn)差頻率式矢量控制算法中弧定，要用到電動機參數(shù)，如果給定參數(shù)與實際值不符肝庸，轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)子磁通就不等于它們的指令值锡跺。在這里轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的誤差至關(guān)重要，它直接影響矢量控制的動靜態(tài)特性吓死，因此需要對轉(zhuǎn)子時間常數(shù)進行適當(dāng)補償渴甜。在負(fù)載一定的情況下，電動機運行于最佳狀態(tài)普晌，則認(rèn)為實現(xiàn)了準(zhǔn)磁場定向控制顶猜。采用的方法是選取電動機實際旋轉(zhuǎn)角速度與給定角速度之間的誤差絕對值作為目標(biāo)函數(shù)沧奴，進行轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的自尋優(yōu)。即當(dāng)電流穩(wěn)定運行時长窄，選取適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子時間常數(shù)使這個誤差絕對值最小滔吠。設(shè)轉(zhuǎn)速環(huán)每1ms采樣一次，并把每163次采樣點作為一組數(shù)據(jù)挠日，這樣163次采樣大約需要4s的時間疮绷。每次時間常數(shù)自尋優(yōu)以后，讓電動機運轉(zhuǎn)4s肆资，然后繼續(xù)采樣尋優(yōu)矗愧。

　　由于篇幅所限，“交流電動機矢量變換控制原理”在此不再贅述郑原，請參見有關(guān)參考文獻唉韭。

　　6 結(jié)束語

　　該系統(tǒng)采用了雙CPU結(jié)構(gòu)的控制電路，一片CPU用于速度外環(huán)控制犯犁，另一片CPU用于電流內(nèi)環(huán)控制属愤；逆變電路采用智能功率模塊；控制算法采用轉(zhuǎn)差頻率式矢量控制口迟，勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流能夠獨立控制岗命。在實驗中選用數(shù)控機床用交流主軸變頻電機，額定功率11kW保蒲，基速1500r/min品救。實驗結(jié)果表明，電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)贼卿，低速特性好他景，定子電流接近正弦波，該系統(tǒng)很好地滿足了數(shù)控機床對驅(qū)動系統(tǒng)的要求彬率。

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