通用型交流伺服驱动器设计技术探讨

冯兆冰 吴孔圣 王声文 刘庆宏 王庆朋

(大连光洋科技工程有限公司，辽宁大连116600)

在数控机床应用领域，电动机驱动控制系统交流化已成为市场主流趋势，而其中最主要的应用环节为机床进给轴传动系统和主轴驱动系统，使用的主要执行部件有用于简易数控车床中的主轴传动的感应变频电动机，用于进给轴传动控制的永磁同步交流伺服电动机和用于加工中心等中高档数控机床主轴驱动的异步主轴伺服电动机，其驱动系统控制器分别对应通用变频器、交流伺服驱动器和异步主轴伺服驱动器。

目前，大多数机床应用中，至少会同时使用其中的2种，更复杂些的机床对上述3种驱动系统则同时存在应用需求。从目前交流伺服驱动器的市场情况来看，国内伺服驱动系统生产商往往每家仅能提供其中1种驱动控制器，或者不同驱动控制器分属不同的产品系列，从而给机床用户在选型、设计以及应用中增加很多工作量和困难，造成了不必要的浪费。而国外虽有集以上3种类型驱动控制于一体的控制器，但其价格较昂贵，不利于控制机床产品的制造成本。因此，自主研究和设计集多种类型驱动控制于一体的通用型伺服系统，具有很大必要性和实用价值。本文将在系统架构、硬件设计、算法研究以及软件开发模型等方面，对这一课题的主要设计技术进行研究和探讨。

1 结构及硬件设计

结合以往对单一类型专用型伺服驱动器产品的研发经验，通过对3种驱动系统硬件结构的分析，不难发现，通用变频器与同步伺服驱动器、异步主轴驱动器的硬件差别不大，而后两者更是完全相同。下面对三者共用的通用型伺服驱动器硬件平台的主要构成进行简要分析和说明。

1.1 硬件架构

本文提出的通用型交流伺服系统采用共直流母线供电的模块化结构来设计(图1)。它主要由两部分组成:电动机逆变模块和电源供电模块。

这种共直流母线结构采用电源供电集中整流和集中监控的模式，由统一的电源整流模块来实现，各伺服逆变模块通过并联连接从直流母线上获取能量。这种集中模式简化了伺服硬件体系的结构，通过对电源的集中设计、管理和监控，提高了系统的可靠性，降低了成本。该方案是目前包括西门子等数控系统厂商在内广泛采用的技术方案。

图2为电动机逆变模块的基本硬件架构，由控制器与功率级所构成，控制器以高性能数字信号处理器(DSP)为核心，功率级以高集成度的智能功率模块(IPM)为主体，在硬件设计上力求硬件的简单，控制功能均以软件方式实现。以光电编码器或旋转变压器为位置反馈信号传感器，以霍尔元件作为电流反馈传感器来检测其中两相实际电流，此外，实时检测直流母线电压来动态计算调整输出电压，并配合再生制动实现电动机四象限运行。所有检测信号经由模数转换器送入DSP中，通过高性能的控制算法综合计算，最终由SVPWM输出单元将功率模块的门极驱动信号送至IPM，实现对电动机的运动控制。

1.2 控制核心器件

采用32位DSP(TMS320F2812)作为伺服控制单元的核心元件。TMS320F2812采用低功耗设计，系统时钟频率高达150 MHz，内部包含32×32位的硬件乘法器，改进的哈佛架构，独立的程序和数据访问总线，统一的内存寻址模式，可支持4 M×16位的存储空间，并集成2个电动机控制专用外设(Event Managers，EVA，EVB)，以简化控制系统的硬件结构。相比原来采用16位定点格式的系统，采用32位定点格式时，可显著减弱或消除数字量化误差导致的影响。在实际系统中，由于16位定点格式的量化误差较大，易导致数值计算中的伪瞬态和振铃现象，从而引起系统振动和噪音。并且，随着系统采样频率的提高，16位字长的限制也会导致系统过程中有关变量、系数等的分辨率降低，从而恶化系统控制性能。而采用32位定点格式时，就可显著减弱或消除这些现象，允许采用更高的采样频率，从而提高系统的带宽，以获得更佳的系统控制性能。

1.3 功率主电路

优秀的功率主回路设计是打造一款高性能交流伺服驱动器产品的重要基础保证。功率主回路的设计主体为IPM，它把功率器件与起控制作用的逻辑电路、驱动电路、保护电路和检测电路组装在一起，主要完成信号放大，功率放大和各种保护(包括过电流保护、短路保护、超温保护及欠压保护)功能等。此部分电路的电气特点为高压大电流，除了在电子电气原理上要满足设计要求，还要重点关注其电磁兼容性(EMC)设计，对元器件的布局布线要求较高，特别是面对大功率设计时，功率主回路EMC设计不达标，往往是产品样机调试阶段出现的一些莫名其妙问题的根本原因。

1.4 电流检测电路

电流控制是伺服控制的核心控制环节，高精度电流采样技术是高精度电流控制的基础保证。

为提高电流环的指标，传感器至关重要，本文采用全球电量传感器的知名制造者瑞士LEM公司的闭环电流型传感器，具有频带宽、总体精度良好、响应时间短、温度漂移低、线性度优秀、插入损耗小等优点。采用TI公司的16位高精度，高带宽的AD转换器作为模数转换器件，保证了电流检测的精度。

1.5 可靠性设计

可靠性是交流伺服驱动器必须保证的基本指标要求，本文从以下几个方面实现电磁兼容及可靠性设计:

(1)在电气结构设计方面避免强弱电交叉。母线高压供电回路，电动机高压驱动回路和弱电系统控制回路相互隔离，没有交叉混合的地方，使布局达到最优。

(2)PCB板卡级强弱电隔离。针对电路板电压等级的分布，在设计阶段就给予充分考虑，使强弱电部分进行区域分离布线，对于IPM桥臂的供电特殊性，在板卡设计时，采用切割槽将其在空间上进行隔离，充分考虑爬电距离。

(3)IPM硬软件多重保护。在伺服驱动器的硬件设计中充分地应用了IPM的报警信号，将报警信号送给系统中的两个主要核心芯片DSP和自主研发的专用芯片，其具备高速实时处理功能，在50 ns之内就可以封锁电动机控制信号，而作为核心算法的DSP芯片在接到信号后，也可以相应进行处理，双重的保护，使得伺服驱动器在正常运行过程中，即使遇到各种原因导致的短路，都可以进行实时保护，保证硬件电路不受损坏。

(4)专用芯片上集成，简化系统连接和结构设计。

(5)嵌入式软件可靠性设计。采用多级软件狗，异常处理，故障处理，完备的功率保护中断，冗余代码设计等以提高软件可靠性。

(6)严格的器件筛选。重视对元器件供应方的考核，注意优选信誉好、质量可靠的供货商。对于关键元件，即使成本高，价格贵，也坚持采用。更换供应商需经过严格的审核程序，较好地保证了原材料的采购与供应。

(7)高效的热设计体系。对风冷散热器而言就是要与周围的空气进行热交换，在散热片材质和空气成分确定后，导热系数为一个固定值，机箱内空间有限，因此为提高散热效果，通用型交流伺服系统的散热器将风扇和散热器叶片外置，使散热片和空气的接触面积大大增加，实现了优良的散热效果。在实际应用时，配合机床电气柜设计，采用前后贯通式安装，在电气柜背面形成一个密闭的风道，这样做可以大大加热量辐射空间，降低风阻，让循环风将产生的热量实时带走。

2 控制算法研究

本文首先对通用变频器、异步伺服驱动器和永磁同步伺服驱动器的电动机控制算法的构成、主要技术点等进行了分析，在此基础上展开了对控制算法整合的初步研究，提出了一种合理的通用型交流伺服控制算法架构。

2.1 通用变频器控制算法

通用变频器的算法结构比较简单，采用开环标量控制，通过软件预设的V/F曲线控制电动机运行，适用于简单的动力传动控制。其算法框图如图3所示。

2.2 异步伺服电动机控制算法

目前，异步电动机主流的高性能矢量控制算法主要有直接转矩控制(DTC)和磁场定向控制(FOC)，综合考虑数控机床应用中对主轴传动的要求和技术实现的复杂度，本文采用间接转子磁场定向的矢量控制方案，其框图如图4所示。

该系统采用转子磁场定向的控制策略，根据转子磁场的位置和两相反馈电流，通过坐标变换和PI调节器，实现对电动机定子电流瞬态转矩分量和磁场分量的直接控制，从而获得非常精确高效的控制性能。

异步电动机的转子磁场角速度与其转子的机械角速度不等，对于没有安装可测量转子磁场传感器的电动机，无法直接获取控制算法所必须的磁场位置，因此，必须加入转子磁链观测器。最基本的电流模型观测器(Current Model)可以根据dq轴系的电流分量ids，iqs和转子机械角速度ωm计算出转子磁场位置θe。

电流模型主要是依据异步电动机在转子磁场定向时的数学模型建立。在dq轴系中:

式中:imR为转子磁化电流分量;ωs为转子磁链当前角速度的标幺值;ωr为转子当前角速度;ωb为转子角速度标幺值计算基值;TR为转子时间常数，该参数值的精确性，是电流模型准确运算的基础保证。

为对上述两式进行离散化处理，假设采样周期为Ts，且 iqs(k+1)≈iqs(k)，并令

则有

通过数字迭代运算得到 ωs后，就可以根据下面的积分公式计算出转子磁链的位置:

式中，第一项是转子磁链角的累计值，第二项是采样周期Ts时间内转子磁链角的增量。

该模块计算需要转子的阻抗参数，所以，转子参数是否准确，是影响控制系统性能的关键因素。

2.3 永磁同步伺服电动机控制算法

图5为永磁同步伺服电动机的矢量控制算法框图，与异步伺服算法框图比较不难发现，两者结构相似，只是少了转子磁链观测器部分和励磁磁链发生器，磁场的位置可由电动机轴端的传感器直接测量。而其他主要控制算法，包括速度控制器、dq轴电流控制器、矢量坐标变换、SVPWM生成与输出等算法实现完全相同，其中矢量坐标变换是由CLARKE变换和PARK变换及其逆变换构成。

(1)CLARKE 变换，即(a，b，c)→(α，β)

根据三相电流矢量和为0的特点可得坐标转换公式:

(2)PARK 变换，即(α，β)→(d，q)

经推导，其坐标变换公式如下:

式中，θ即转子磁场的位置角θe。

PARK逆变换可从上式反推得到:

综上所述，在电动机的磁场定向矢量控制算法设计方面，除了个别算法模块不同以外，其余部分两者完全相同，因此完全可以将永磁同步电动机和异步电动机得控制算法在软件架构上合二为一。另外，只需增加变频控制的V/F曲线规划模块，即可通过灵活的参数配置选择，实现伺服控制软件在产品应用中的通用性。

2.4 通用型交流伺服控制算法架构

实际应用中，考虑到在控制性能上，V/F控制与矢量控制存在较大差距，前者基本可由后者替代，因此，本文设计的通用型交流伺服驱动器中并未包括V/F算法模块，其架构如图8所示，主要包含3个部分:(1)伺服控制器;(2)解耦控制器;(3)电流控制SVPWM变流器。电流控制回路采用在静止两轴坐标系的数字电流控制法，并加入反电动势补偿策略，以提高电流回路的带宽。解耦控制回路采用间接式前馈转子磁场定向控制策略。伺服控制回路则包含速度(与位置)控制器。

伺服控制器包含速度控制器与位置控制器，位置回路可根据应用需求通过伺服参数配置来选择是否启用，其目的在于根据位置误差信号经补偿器产生适当的速度命令，最终消除位置误差。

速度控制器采用比例积分控制器(PI－Controller)或积分比例控制器(IP－Controller)。位置控制器则采用比例控制器。

交流永磁同步伺服电动机的的解耦控制器包含了初始转子角度计算与估测器、同步电气角度计算器和同步电动机弱磁控制器等。

交流异步电动机的解耦控制器则包含了励磁磁链发生器、转子磁链观测器和异步电动机弱磁控制器等。

3 软件开发模型

伺服驱动软件的体系结构采用基于模块化设计的层次结构。层次系统组织成1个层次结构，每一层为上层服务，并作为下层客户。每一层最多只影响两层，同时只要给相邻层提供相同的接口，允许每层用不同的方法实现。

每一层的实现采用模块化设计。模块是1个泛称，可以把1个函数、1个文件或1个对象等都称为1个模块。模块化的程序设计中，模块化主要是用来表明这样一种状况:1个模块应该能完成1个独立的功能或1组相关的功能，模块对外的接口除了成员变量和成员函数外，不能有跨模块的全局或静态变量存在。也就是说，模块内部不能用到别的模块引用的全局或静态变量。

图9为伺服驱动软件开发模型。在伺服软件开发模型中，最底层为硬件平台，软件部分从下向上可以分为4层:

(1)调度层(虚拟层)

在严格的层次结构意义上讲，它不应当单独属于一层。因为它可能会跟算法模型中的任何一层都会交互。但为了描述方便，本规范将之作为虚拟层单独列出。该层决定了软件任务的调度方式，在伺服驱动软件中，比较可行的实现方式有:①基于中断机制任务调度的方式，如DSP/BIOS，前后台系统等;②基于抢先式任务调度的方式，如各种RTOS等。

(2)驱动层

所有硬件相关的模块都在该层，它们负责实现模块算法层与硬件外设的交互。并且，驱动层还包括一些虚拟的驱动模块，如各种通信接口模块等，可将它们看作虚拟外设处理。

驱动层模块编码建议使用C语言，效率敏感的模块可编写CcA。

(3)算法层

算法层由与硬件无关的软件功能模块组成。每一个模块完成一项独立功能，模块完成后作为一个独立的对象提供给上面的应用层组合使用。该层所有的模块编码必须使用标准C语言，对于效率敏感的模块建议进行手工汇编优化，而源文件不作修改，以保证模块的可复用性、可移植性和可维护性。

(4)应用层

应用层是整个软件的系统框架，它通过组合调用算法层的各种模块搭建而成。几个不同的具体应用可能会调用相同的算法模块。

考虑到应用层对于灵活性和可维护性的要求，应用层编码必须使用标准C语言。

通过以上方法，清晰明确地区分算法模块(硬件无关)驱动模块(硬件相关)可以增强软件的可移植性，包括从调试系统到最终产品的移植和不同DSP芯片之间的移植。在移植过程中，只需要修改硬件有关的驱动模块，从而使调试时间和风险最小化。同时也有助于实现伺服驱动软件设计的规范化、高效化，实现软件的可复用性、兼容性、可预测性和可扩展性，并能系统地进行软件的可靠性工程，提高软件设计人员的团队合作效率和研究目标的专业化、深入化。

4 结语

综上所述，无论是从各驱动器的硬件结构，还是从控制算法角度来分析，通用型驱动器的设计均存在可行性和方便性。同时，再辅以规范、合理的软件设计架构，必能成功地设计出优秀的通用型驱动产品，从而将大大降低机床用进给系统和主轴系统的硬件成本、设计成本和人力成本。同时也有助于驱动器研发厂商减少项目开发及维护成本，避免人力资源的浪费。

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