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基于DSP控制的IPM数字化直流伺服驱动系统设计

2007/3/8 9:15:00

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【摘 要】:以某型装备直流伺服驱动系统改造为背景,介绍IPM构成H桥的功率变换电路和其外围电路,阐述了驱动系统工作在单极倍频可逆PWM模式下控制过程和基于DSP实现控制的软件流程。试验表明,改造的数字伺服系统工作可靠、动态响应快、噪音低。
关键词:直流伺服驱动 IPM DSP 设计
直流伺服系统由于具有较好的启动和制动性能,并能在大范围内方便地进行调速,而在军事装备上广泛应用。过去,由于技术限制,老式装备上的调速方法都是通过电机扩大机来改变直流电机的电枢电压实现的。随着技术进步,电机扩大机作为伺服系统的功率环节固有缺点日渐显露,严重影响着装备的整体战斗性能。为使老装备焕发新的战斗力,应用新技术对其进行数字化改造是一种行之有效的办法。
1 某装备直流伺服驱动系统
图l为某装备伺服驱动系统框图,图1中采用了电机扩大机作为功率放大环节,电流、速度、位置三闭环结构均采用的是模拟电路形式。从践中发现该系统存在以下不足:一是利用电机扩大机进行功率转换,提供驱动动力,笨重、体积大、噪声大、效率低、使用维护复杂;二是该系统实时快速处理能力弱,动态响应慢;另外,外围电路均为模拟电路,可靠性较低,且不能实现先进的控制策略。为了改善以上性能,提高整个系统的动态响应速度、实时控制能力和可靠性,实现快速、准确的跟踪,我们对其进行了数字化改造?



2 数字化直流伺服系统改造方案
对某伺服驱动系统进行数字化改造方案如图2所示。图2中,采用TMS320LF2407A DSP实现高低和方位的控制,工作模式为单极受限倍频PWM控制,功率部分采用以IPM模块构成的H桥电路(如图3所示)。工作时,根据主控信号和位置反馈信号形成的误差信号,进行位置PI调节或平方根调节,形成相应的速度信号;该信号与速度反馈信号的误差,再经速度PI调节后,与电流反馈信号形成误差信号,经电流PI调节后,其结果作为与三角波相比较而形成的PWM信号。PWM信号再通过光耦隔离、放大,驱动IPM进行工作,根据PWM的脉宽控制输出电压大小,从而实现系统的调速。全部控制过程是在DSP处理和控制下完成的全数字控制。




3 基于IPM功率电路设计
智能功率模块IPM由高速、低功率的IGBT和优选的门级驱动及保护电路构成。采用IPM的系统能够缩短开发周期,减小体积,提高可靠性。


IPM虽有诸多优点,但其内部电路不含有防止干扰的信号隔离电路、浪涌吸收电路,为保证IPM安全可靠,需要设计这部分电路。
3.1 IPM外部驱动电路的设计




图4的外部接口电路应直接做在PCB板上,且靠近模块输入脚可以减少噪声和干扰,PCB板上布线的距离应适当,避免开关时干扰引起的电位变化。
另外,考虑到强电可能造成外部驱动电路到IPM引线的干扰,可以在引脚1~4间,3~4间,4~5间根据干扰大小加滤波电容。
引脚1~5连接示意见表1。


3.2 IPM缓冲电路设计
由于IPM在高频开关过程和功率回路寄生电感等叠加产生的di/dt,dv/dt和瞬时功耗,给器件以较大的冲击,易损坏器件。设置缓冲电路(即吸收电路),就是改变器件的开关轨迹,控制各种瞬态过电压,降低器件开关损耗,保护器件安全运行。
图5为常用的大功率IPM缓冲电路。R,C,D值的选取原则为:一般电阻电容值按经验数据选取,如PM200DSA060电容值为0.47~2μF,耐压值是IGBT的1.1~1.5倍,电阻值10~20 n,电阻功率为


式中:f为IGBT工作频率;U为IGBT工作峰值电压;C为缓冲电路与电阻串联的电容。
但RC时间常数应设计为开关周期的1/3,即τ=T/3=1/(3f)。二极管选用快恢复二极管。
为保证缓冲电路的可靠性,可以根据功率大小选择已封装好的如图5所示的专用缓冲电路。


4 基于DSP控制软件设计
4.1 控制过程
在图3所示的开关周期内,不同的控制方式,可以决定电枢两端所作用的电压和H桥不同桥臂通、断次序。其中单极受限倍频PWM工作模式,与其它几种工作模式相比,具有运行可靠,不存在桥臂直通,不需进行死区控制,PWM的工作频率较高,可以避免出现电流断续的情况,输出电流脉动小等优点而广泛应用。






4.2 基于DSP双路控制的实现
4.2.1 DSP资源分配
TMS320LF2407A为TI公司生产的专门用于电机控制的DSP,它包含2个事件管理器,每个事件管理器包括2个16位定时器,定时器可以控制其它外设,如比较器、PWM发生器、死区时间发生器等,还可控制16个通道的10位AD转换,片内有32K FLASH用户程序,在数据量不大的情况下,可以满足程序和数据的存储使用。DSF可方便地实现由单片DSP完成对方位、高低伺服驱动的控制。


4.2.2 控制算法
要保证整个系统能够按照控制要求随动,必须按照一定的控制规律对输入信号或误差信号处理后再作为执行机构的控制量。本系统的位置控制算法采用变结构控制算法,即非线性控制与PID控制相结合的控制方式:当系统存在大偏差时,采取非线性控制以保证系统快速性;当存在小偏差时采用PID控制以消除偏差实现准确定位。这种控制方式集中了非线性控制和线性控制的优点,保证了系统的快速性和跟踪精度。PID控制的计算机数字化形式不再阐述。
非线性控制采用平方根控制,即当系统位置出现大偏差时需要以最大加速度加速和系统在较大速度需要快速减速时,采用平方根控制,其控制算法为


4.2.3 软件流程
该系统的软件结构如图7所示。




5 结论
综上所述,我们设计完成了某装备伺服系统的数字化改造,两个执行电机的参数分别为,高低控制:额定功率3.2 kW,额定电压直流220 V,额定转速4000 r/min,额定电流17.1 A。方位控制:额定功率7.5 kW,额定电压直流220 V,额定转速3000 r/rain,额定电流40 A;DSP的工作频率为30 MHz,开关(PWM)频率为10kHz。试验结果表明,该数字伺服系统和原系统相比,具有更高的动态响应性能和控制精度,控制周期由原来的10 ms(方位)、20 ms(高低)提高到0.2 ms;减小了体积和运行噪声,提高了系统的可靠性,可维修性及电能的利用效率。

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