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1引言

數控機床要求驅動系統調速范圍寬、速度精度高、響應速度快、加減速性能好，保護功能強等。

本文介紹一種高性能數控機床交流主軸驅動系統。該系統以智能功率模塊IPM為逆變器開關元件，以MCS96系列雙單片機為主控制器，控制算法采用全數字轉差頻率式矢量控制。主控制器采用雙CPU結構，一片CPU完成速度外環控制、監控及顯示等；另一片CPU用于電機高速控制，80C196MC完成電流內環控制。兩片CPU之間通過共享RAM進行通訊，有效地解決了一般CPU計算能力不強的問題。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。該系統還具有功能齊全的檢測與保護電路等。

實驗表明該系統具有良好的靜態和動態性能，能夠滿足數控機床對驅動系統的上述要求。

2主回路

主回路采用交直交電壓型結構，主要由整流電路、濾波器及逆變電路等組成。逆變電路采用新型功率器件—智能功率模塊(IntelligentPowerModule，簡稱IPM)。智能功率模塊IPM是一種先進的混合集成智能功率模塊，它由高速、低耗的IGBT芯片和優化的門極驅動及過流、短路、欠壓和過熱保護電路組成，是繼IGBT之后電力電子技術領域的又一革新性成果。由于IPM內部采用了能連續監測功率器件電流的IGBT芯片，實現了高效的過流保護和短路保護；IPM內部還集成了過熱和欠壓保護電路，大大提高了系統可靠性；IPM內部還集成了絕緣柵雙極型晶體管IGBT及其驅動電路，縮短了產品開發周期；IPM通態損耗和開關損耗都較低，減少了散熱片尺寸，降低了成本。所以，與IGBT相比，智能功率模塊IPM具有明顯的優勢。

3控制電路

為了實現數控機床的快速實時和可靠控制，控制電路采用80C196MC-80C196KC雙單片機結構，如圖1所示。

圖1中，80C196MCCPU具有較高的運算速度和較強的控制能力，它的任務是完成要求實時性高的電流內環控制，產生PWM控制信號，完成保護等功能。特別是80C196MC片內含有3相波形發生器WFG(WaveFormGenerator)。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，一個無信號時間(dead-time)發生器和一對可編程的輸出。WFG可以產生獨立的3對PWM波形，它們具有共同的載波頻率、無信號時間和操作方式，一旦啟動之后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時加以干預。如采用16MHz晶振時，中心對準的PWM的載波周期為0.15μs～16ms，增量為0.25μs，無信號時間的調整范圍為0.125～125μs。無信號時間用來防止一對互補的PWM同時有效，以保證輸出波形不交疊。WFG大大簡化了用于產生同步脈寬調制(PWM)波形的控制軟件和外設硬件，特別適用于控制3相交流感應電動機，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。80C196KC主要完成轉速控制與檢測，鍵盤中斷輸入并修改重要參數，顯示有關信息，矢量變換，向80C196MC提供指令信號等功能。

雙單片機之間的通訊采用共享RAM方式，以提高系統的運行速度。80C196KC將計算出的電流環所需參數，如勵磁電流、轉矩電流、旋轉角速度等，傳送到共享RAM相應單元，而80C196MC則從共享RAM中讀取這些數據。

4檢測與保護電路

1)電流檢測

由于數控機床要求較寬的調速范圍，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，故采用霍爾電流互感器對輸出電流進行檢測。霍爾電流互感器的特點是體積小，響應速度快，準確度和線性度高。

2)轉速采樣

由于數控機床要求轉速控制精度較高，一般的測速部件難以滿足要求，為此采用1024高分辨率的光電脈沖編碼器，以實現高速定位、高速攻絲、輪廓控制等功能。

3)保護功能

智能功率模塊IPM具有性能優良的內置保護電路，以避免因系統失靈或過應力而使功率器件損壞。內置保護功能的框圖如圖2所示。

如果IPM模塊的一種保護電路動作，IGBT柵驅動單元就會關斷驅動脈沖，并輸出一個故障信號。IPM模塊的內部保護功能有以下幾種。

1)控制電源電壓鎖定(UV)IPM內部控制電路由15V直流電源供電，如果由于某種原因這一電源電壓低于規定的欠壓動作值(UV)，該功率器件將被關斷并輸出一個故障信號；只有當電源電壓超過欠壓復位值(UVr)時電路才能恢復正常工作。如果干擾信號持續時間小于規定的tDUV，欠壓保護電路將不予理睬，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。在UV和UVr之間應設有一定的差值，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。

2)過熱保護(OT)IPM內部裝有溫度傳感器，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)，IPM內部控制電路將截止下橋臂器件的柵驅動，使控制輸入信號無效，同時給出下橋臂故障信號，直到溫度恢復正常，從而保護了功率器件。

當溫度回落到過熱復位值(OTr)以下，并且控制輸入為高電平(關斷狀態)時，功率器件將接受下一個低電平(開通狀態)輸入信號且恢復正常工作。

同樣，為避免過熱保護頻繁動作，在過熱動作值OT與過熱復位值OTr之間也設有20℃的差值。

3)過流保護(OC)IPM采用帶電流傳感器的IGBT，用來測量功率器件的工作電流，如果流過IGBT的電流超出過流動作值(OC)的時間大于toff(OC)，IGBT將被關斷。對超過OC數值但時間小于toff(OC)的電流脈沖，過流保護電路將不予理睬。當檢測出過電流時，IPM內部控制電路將IGBT軟關斷，同時輸出一個故障信號。軟關斷能夠控制關斷大電流時所產生的浪涌電壓，從而避免浪涌電壓過高，有效地保障了IPM的安全。

4)短路保護(SC)如果負載發生短路或系統控制器發生故障，從而導致上下橋臂直接導通，使流經IGBT的電流超過短路保護動作值(SC)，IPM內置短路保護電路將啟動軟關斷，關斷IGBT，并輸出一個故障信號。由于第三代IPM采用了實時電流控制電路(RTC)，它直接監測IGBT末級驅動電路電流，將SC檢測和關斷之間的響應時間減小到不足0.1μs，從而大大減小了短路電流幅值、功率應力和電壓峰值，有效地保障了IPM的安全。

為了保證系統安全可靠地運行，除了IPM的自保護功能之外，系統中還設有過流、短路、交/直流過壓、欠壓、缺相和快熔保護等各項保護措施。

5控制算法

針對數控機床高精度要求，控制算法采用轉差頻率式矢量控制。矢量控制是把交流電動機模擬直流電動機來控制，通過坐標變換把交流電動機定子電流矢量分解成按轉子磁場定向的兩個直流分量，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速性能。

在轉差頻率式矢量控制算法中，要用到電動機參數，如果給定參數與實際值不符，轉矩或轉子磁通就不等于它們的指令值。在這里轉子時間常數的誤差至關重要，它直接影響矢量控制的動靜態特性，因此需要對轉子時間常數進行適當補償。在負載一定的情況下，電動機運行于最佳狀態，則認為實現了準磁場定向控制。采用的方法是選取電動機實際旋轉角速度與給定角速度之間的誤差絕對值作為目標函數，進行轉子時間常數的自尋優。即當電流穩定運行時，選取適當的轉子時間常數使這個誤差絕對值最小。設轉速環每1ms采樣一次，并把每163次采樣點作為一組數據，這樣163次采樣大約需要4s的時間。每次時間常數自尋優以后，讓電動機運轉4s，然后繼續采樣尋優。

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，請參見有關參考文獻。

6結束語

該系統采用了雙CPU結構的控制電路，一片CPU用于速度外環控制，另一片CPU用于電流內環控制；逆變電路采用智能功率模塊；控制算法采用轉差頻率式矢量控制，勵磁電流和轉矩電流能夠獨立控制。在實驗中選用數控機床用交流主軸變頻電機，額定功率11kW，基速1500r/min。實驗結果表明，電機運轉平穩，低速特性好，定子電流接近正弦波，該系統很好地滿足了數控機床對驅動系統的要求。