伺服驱动器检测驱动（共8篇）
伺服驱动器检测驱动 篇1
0 引言
根据有关统计数据,在伺服系统中,伺服驱动器发生故障的概率达到了故障全部概率的31%[1]。在伺服驱动器的常见故障中,有一类是“功率主电路开关管开路故障”。当发生开路故障的某个开关管不影响伺服电机启动时,伺服驱动器仍然能够驱动电机运行,这种故障就显得非常隐蔽。因此对此类故障进行识别就非常重要。根据主电路输出的电流信号对其进行故障诊断已经成为人们常用的一种方法[2,3,4]。本文采用TMS320LF2407A DSP作为核心处理器,设计出了伺服驱动器功率开关管故障检测仪。
1 主要硬件电路设计
本文所测试的某型伺服驱动器输出三相电流的检测可以用LEM公司的HX-25P型电流传感器,该电流传感器的原边额定电流为±25A,原边电流最大测量范围为±75A,供电电压均为±15V,副边输出额定电压均为±4V,副边输出的最大电压均为±12V。以伺服驱动器的U相电流为例,其检测电路如图1所示。
由于电流传感器输出信号U传的范围为-12V～+12V,而TMS320LF2407A DSP的ADC模块所能转换的电压范围为单极性的0V～3.3V,因此必须对要采集的电流传感器的输出信号U传进行调理,其调理电路如图2所示。
根据图2中电路的工作原理,有
代入式(1)中并化简,得到
在式(2)中,令,得R35=2.125kΩ,且有:
此时当U传=-12V～+12V时,iU=0.0616V～3.1384V。即通过调节可调电位器R35使R35=2.125kΩ,可使得最终送入DSP ADC模块进行A/D转换的电压范围为iU=0.0616V～3.1384V,满足0V～3.3V的要求。
其它两路电流信号的检测与调理电路与伺服驱动器输出U相电流的检测与调理电路相同,不再赘述。最终的检测结果将通过LCD液晶显示器显示。
2 基于小波分析的故障特征提取方法
信号的小波多分辨分析的基本算法是著名的“Mallat塔形算法”。当伺服驱动器功率变换主电路中的不同功率开关管发生开路故障时,其输出的故障电流信号将包含不同的谐波成分,因此伺服驱动器输出的故障电流信号经小波分解后在各频带上的投影是不同的。所以可以通过对伺服驱动器的输出电流信号进行正交小波分解,得到分解后各尺度空间的信号能量,然后将这些能量按尺度大小排列成的向量作为故障特征向量,这样的分析方法称为频带能量分析法[5]。采用频带能量分析法从伺服驱动器输出电流信号中提取故障特征向量的具体步骤为:
(1)将相电流信号进行N层小波分解,得到各层共N个小波系数序列{dj,k,j=1,2…,N}。
(2)求各层小波系数序列的能量。设Ej为第j层小波系数序列{dj,k,j=1,2…,N}的能量,有
式中,dj,k为第j层小波系数序列中的第k个分量,n为第j层小波系数序列中分量的个数。
(3)特征向量的构成。按尺度顺序,以各层小波系数序列的能量为元素得到一组与电流信号对应的序列{Ej,j=1,2…,N},则可由此确定与能量序列对应的故障特征向量u=(E1,E2…,EN)。
(4)归一化处理。为了给数据运算和分析带来方便,对故障特征向量进行归一化处理,即:
利用故障特征向量u軈即可对伺服驱动器功率主电路的不同工作状态进行确定,从而实现其故障模式的识别。
3 主要软件设计
3.1 电流信号采集子程序
检测仪通过对电流信号进行离散小波变换以实现主电路中功率开关管开路故障的诊断,而要进行离散小波变换的数据个数必须是2n(n∈N+)个,考虑到DSP内部存储器的容量大小及小波变换运算量的大小,决定对每相电流采样256个数据点后再对其处理。
3.2 故障特征提取子程序
检测仪采用基于小波分析的方法从采集到的电流信号中提取功率开关管故障特征向量。目前尚没有一个公认的原则来选择小波基函数及最佳小波基,实际中可采用试验比较的办法来选择。通过多次尝试,采用db3小波对电流信号进行5层分解可以提取出反映功率变换主电路工作状态的故障特征向量,且运算量适当,易于实现。故障特征向量提取子程序如图4所示。
4 实验结果与结论
通过拔掉在实际伺服驱动器驱动板电路中用于传递主电路功率开关管控制信号的光耦,来模拟功率开关管的开路故障状态。并在不同的状态下,使伺服驱动器运行,使用所设计的检测仪对伺服驱动器进行测试。通过CCS2000软件的变量观察窗口可观察到在伺服驱动器功率变换主电路正常工作、A相上桥臂开关管V1发生开路故障、A相下桥臂开关管V4发生开路故障这3种工作状态下对A相电电流处理后得到的归一化后的故障特征向量如表1所示。
由表1可知,在主电路3种不同工作状态下,3个不同的故障特征向量的部分分量之间存在着显著的差别,检测仪正是利用这些差别对伺服驱动器功率主电路的不同工作状态进行确定,从而实现故障诊断。通过实验,说明了小波多分辨率分析用于检测伺服驱动器功率主电路开关管开路故障的有效性和可行性。
摘要：以TMS320LF2407A DSP作为核心处理器,设计了一种基于电机电流信号分析法的伺服驱动器功率开关管故障检测仪。该检测仪使用了小波多分辨率分析的方法从伺服驱动器的输出电流信号中提取开关管开路故障特征向量。实验结果表明了所设计检测仪的可行性和有效性。
关键词：伺服驱动器,功率开关管,小波多分辨率,故障特征
参考文献
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[5]虞和济.基于神经网络的故障智能诊断[M].北京:冶金工业出版社,2000,5.
伺服驱动器检测驱动 篇2
摘要：研究并设计了应用于母盘刻录机的高精密工作台伺服驱动环节。在基于DSP数字闭环控制器的基础上，通过理论建模、程序仿真和实验验证，对驱动环节进行了优化设计。在驱动环节中采用了模拟速度环、PI校正环节和线性功放，使工作台在低速下有较快的响应和较小的稳态误差。实验结果表明，使用驱动环节后的伺服控制系统有利于提高母盘的刻录精度。
关键词：母盘刻录 精密工作台 驱动环节 速度环 PI校正
随着社会的发展，信息的存储量越来越大，光盘信息存储技术也在不断飞速发展，因而对母盘制造精度提出了更高的要求。
(本网网收集整理)
目前，光盘国家工程研究中心利用高速数字信号处理器(DSP)，采用数字闭环控制原理和传统伺服电机驱动方式，实现了高精度工作台的连续大行程运动。其微位移定位精度为±50nm，宏位移定位精度优于±150nm，可以满足母盘刻录直线进给工作台的连续变速和±50nm控制精度的要求。
在此基础上，本文研究并设计了工作台的模拟驱动环节，以提高控制系统低速响应的稳定性和快速性。
1 系统总体结构
母盘刻录系统直线进给工作台的底座固定在隔振大理石台上，底座上安装了带高精度滚珠的V型槽作为运动导轨。工作台经蜗轮蜗杆和小螺距精密丝杠两级减速，通过直流伺服电机进行驱动。
母盘刻录系统采用恒线速刻录方式，聚焦光斑相对于母盘的理想运动是沿着以母盘圆心为中心的等线距阿基米德螺旋线以恒定线速度由内向外运动的，该运动由母盘的高速转动和刻录光学头的径向直线进给合成得到。
该精密工作台用于母盘刻录的正常工作速度约为30μm/s，采用上述大减速比的机械传动系统不可避免地存在传动误差。因此要实现精密定位，必须采用全闭环控制系统，直接检测工作台位置并针对位置误差进行伺服控制。工作台的控制系统总体结构如图1所示。
2 模拟驱动环节的建模
2.1 直流电机模型
工作台驱动电机采用上海电机厂生产的直流力矩测速电机组45L-CZ001。
若忽略电枢电感和粘性阻尼系数，则以电枢电压Ua(s)为输入、转速Ω(s)为输出的直流电机的传递函数为：
F(s)=Ω(s)/Ua(s)=(1/Ke)/[(Tms+1)(Tes+1)]≈(1/Ke)/Tms+1
其中，Ke为电动机反电动势系数，其单位为V・s;Tm为电机的机械时间常数;Te为电机的电气时间常数，其值很小可忽略，因此直流电机可以被简化为一阶系统。
图5 实际PI校正环节
电机机械时间常数的测定可以通过给电机加一个7V阶跃电压，然后用示波器测定响应到达稳定值0.632时所用的时间而近似得到，如图2所示。得机械时间常数Tm=0.06s。
开环情况下，输入电压经过线性功放后直接驱动电机，用转速表HT-331测量对应转速，可以得到放大倍数。测得的数据列于表1中。
表1 测得的数据表
电压/V0.51.01.52.02.5转速/rpm070302520750电压/V3.03.54.04.55.0转速/rpm9931195144816861930
数据经过直线拟合后，得到放大倍数为463.25。
电气时间常数很小，近似取Te=0.0012，可以得到经过功放后的直流电机模型的传递函数为：
F(s)=Ω(s)/Ua(s)=463.25/[(0.06s+)(0.0012s+1)]
2.2 驱动电路设计
为了提高系统在低速时响应的快速性、稳定性和带负载能力，要对模拟驱动电路进行设计，由测速机引入速度负反馈，电压差值经过PI校正环节和线性功率放大器放大后驱动直流伺服电机运动。驱动环节方案如图3所示。
PI校正环节的设计对驱动环节的性能有重要的影响，原理图如图4所示。其传递函数为：
V0/Vin=Ki(1/T0is+1)(Tjs+1/Tis)
其中，Ki=Ri/R0为校正器的比例放大系数，τi=RiCi为校正器时间常数，T0i=R0C0i/4为滤波时间常数，一般取值较小，用于过滤高频噪声干扰。为了能够将速度环设计成典型二阶环节，必须保证校正器零点的选择能够消掉调节时间大的时间常数，即τi=Tm。若取滤波时间常数T0i=0.25ms，R0=100kΩ，则滤波电容C0i=0.01μF。取比例放大倍数为Ki=3，得Ri=KiR0=300kΩ，于是得Ci=0.2μF。
为了保证PI校正环节在达到稳态时放大器不致因开环而饱和，故在PI反馈线路上并联一个反馈大电阻R1=1MΩ。此外，为了便于调节，将PI校正器增加比例系数功能，但又为防止调整时对时间常数产生太大影响，于是要保证Ri》R1，取R1=10kΩ，R2=1kΩ。实际采用的电路图如图5所示。
下面测定测速反馈系数，数据列于表2中。
表2 测速反馈系数表
转速/rpm070302520750电压/V00.965.7511.016.0转速/rpm9931195144816861930电压/V21.126.531.536.841.8
将数据进行直线拟合后得到反馈系数为:
H(s)=0.022
忽略PI校正环节滤波时间常数T0i，最终可得到速度。环开环传递函数为：
G(s)H(s)=3(0.06s+/0.06s)(463.25×0.022)/(0.06s+1)(0.0012s+1)
=509.6/[(s0.0012s+1)]
3 驱动电路仿真
选用的仿真环境是Matlab6.1及其下的Simulink工具箱。
3.1 速度环开环伯德图
速度环开环传递函数为：
G(s)H(s)=509.6/[(s0.0012s+1)]
用Matlab6.1绘制伯德图，得到图6。
剪切频率：416Hz 相角裕量：65度
系统有充分的相角裕量，可知系统稳定。
3.2 速度环闭环阶跃响应仿真
用Matlab6.1下的Simulink工具箱搭建速度环闭环系统结构图，如图7所示。加以0.2V的阶跃信号，取反馈系数为0.022，仿真结果如图8所示。
从响应曲线图上可以看出，系统阶跃响应的上升时间为5ms，超调量为6%，转速稳定值为10rpm/s，系统性能良好。
4 实验数据处理与分析
经过理论建模和程序仿真后，设计及调试用于精密伺服工作台的模拟驱动环节，并进行时域分析，比较实验结果。
4.1 不加模拟驱动环节
首先不加模拟驱动环节，用DSP数字控制器的输出信号(经过线性功放)直接驱动直流力矩电机运动。
4.1.1 DSP开环实验
在DSP数字控制器开环情况下加一个输入电压，测试所加电压和工作台速度的关系，工作台速度由采集的`直线位置光栅信号经过VC++程序处理得到。所得数据列于表3中。
表3 输入电压与工作台速度关系表
电压/V1.01.11.21.31.4速度/μms-100～55～1010～1515～20
由表中数据可见，DSP开环的速度稳定性差，死区电压为1.1V，系统灵敏度有待提高。
4.1.2 DSP闭环实验
DSP数字控制器闭环时，指定工作台以20μm/s的低速运动。图9中，(a)为速度响应曲线，(b)为位移响应曲线，(c)为位移响应曲线局部放大图。
由图9(a)和图9(c)可以看出系统有近40ms的延迟时间，其中20ms为死区时间(系统无响应)。系统产生延迟主要有下面两个原因：机械传动系统存在齿隙、回程等误差;电机机械响应存在延迟。
由图9可以得到不加模拟驱动环节时系统阶跃输入的时域响应指标如下：
延迟时间：40ms 上升时间：60ms
峰值时间：100ms 超调量：25%
稳态误差：15%
可见，在不加模拟驱动环节、直接用DSP闭环控制时，精密工作台的低速响应已经达到了一定的快速性和稳定性。但是用于母盘刻录时，工作台的稳定性则需进一步提高。
4.2 加模拟驱动环节
在工作台控制系统中采用带有速度环、PI校正和线性功放的模拟驱动环节驱动电机运动，进行DSP数字控制器开环及闭环实验。
4.2.1 DSP开环实验
使用模拟驱动环节后，实验测得在DSP数字控制器开环时，系统在0.2V电压下已经能够产生较连续的响应了，如图10所示。可见系统灵敏性有所提高。
4.2.2 DSP闭环实验
加上该模拟驱动环节后，对系统进行DSP数字控制器的闭环实验，仍然指定工作台以20μm/s的低速运动。图11中，(a)为速度响应曲线，(b)为位移响应曲线，(c)为位移响应曲线局部放大图。
由图11(a)和图11(c)可知，系统的延迟时间为20ms，其中10ms为死区时间。可见加上该模拟驱动环节后系统的延时减少。
由图11可以得到加模拟驱动环节后的系统阶跃输入的时域响应指标如下：
延迟时间：20ms 上升时间：30ms
峰值时间：60ms 超调量：7.5%
稳态误差：7.5%
图11 加驱动环工作台闭环阶跃响应
比较实验结果可以看出，加模拟驱动环节后，精密工作台系统的灵敏度大幅提高，且系统的低速稳定性能提高一倍。但速度曲线仍存在波动，这主要有两方面的原因：一是机械传动系统精度影响了工作台的稳速精度;二是工作台位移检测光栅分辨率有限，直接影响了采样点之间位移增量的测量精度。
伺服驱动器检测驱动 篇3
关键词：伺服驱动器,RS232口,检测,伺服系统
1概述
伺服驱动器是构成伺服系统的基本部件, 广泛应用于各种电力传动自动控制系统中, 如数控机床、柔性制造系统、机器人驱动等。在应用伺服驱动器的过程中, 实时读取和修改各个控制参数来达到实时控制是对伺服系统的基本要求。本文针对德国博世力士乐的伺服驱动器IndraDrive, 采用灵活易用的VB6.0编程语言, 通过IndraDrive本身所带的RS232串行通信接口, 实现了上位PC机与伺服驱动器的串行通信, 完成了对伺服系统的实时监测。
2IndraDrive的通信协议
IndraDrive采用515通信协议, 它是一种二进制通信协议, 含有完整的报文格式和返回校验格式。针对博世力士乐的各种产品 (PLC、伺服驱动器等) , 515协议的通信格式是统一的。
515协议采用的数据格式为:l位起始位, 8位数据位, 1位或2位停止位, 无校验位。通信传输数据的波特率为115 200 b/s。515协议采用十六进制数据格式来表示各种指令代码及数据, 其软件通信指令经过优化设计后只有两条, 一条为读指令, 一条为写指令, 两条指令使得上位机软件编写非常方便。
515协议的报文格式见表1。
其中报头由8个字节组成, 它们的意义如下:
第1个字节StZ:起始位, 默认为0x02;
第2个字节CS:用于校验数据, 它的值是除此字节外所有的数相加后的低8位值异或FF, 再加1后的值;
第3个字节DatL:除去报头后所有数据的长度 (字节的个数) ;
第4个字节DatLw:重复第三个字节的内容;
第5个字节Cntrl:决定错误返回类型, 默认为0x00;
第6个字节Service:服务类型 (读参数写0x80, 写参数写0x8F) :
第7个字节AdrS:驱动器地址;
第8个字节AdrE:驱动器地址。
用户数据头包含5个字节, 意义如下:
第1个字节control byte:操作参数值, 默认为0x3C;
第2个字节Device address (Unit address) :驱动器地址;
第3个字节Parameter type:参数类型, 对于驱动器其值为0x00:
第4、5字节Parameter number:参数号, 对于驱动器的S参数, 直接写参数号的十六进制值;对于P参数, 写“215+参数号”的十六进制值。
用户数据的数据长度取决于操作参数的数据类型。如操作参数为INT型, 写2个字节;操作参数为DWORD型, 写4个字节。写的时候注意低位字节在前, 高位字节在后。
3利用VB实现PC机与IndraDrive的串行通信
PC机与IndraDrive的通信常采用主从问答方式, PC机始终具有初始传送优先权。每次通信都是由PC机通过发送 (读/写参数) 命令启动通信, IndraDrive在接到PC机发送的命令后, 首先检查命令中的起始标志, 然后检查命令中的驱动器地址是否与自己的驱动器地址相符。如果不一致, 说明计算机是与其他的驱动器进行通信, 从而忽略该命令;如果一致, 就响应该命令, 并将执行结果回送到PC机, 一次通信过程结束。
在VB的控件工具箱中提供了一个使用非常方便的串行通信控件MSComm, 它全面地提供了使用串行通信上层开发的所有细则, 串行通信的实现既可以采用中断方式, 又可以采用查询方式。MSComm控件提供了实现串行端口中断功能的OnComm事件, 该事件是唯一的, 可以截取串口的任何消息, 当有串口事件或错误发生时, VB程序就会自动转入OnComm事件处理程序中。CommEvent属性存有串口最近的事件或错误的数值代码, 可以在程序中随时读取CommEvent属性值来了解通信情况, OnComm事件和CommEvent属性密切相关、一起使用, 当任何一个OnComm事件或错误发生时, 都会使得CommEvent属性值改变。在OnComm事件处理过程中, 可以通过判断CommEvent属性值, 对于不同的属性值转入不同的事件处理过程。
根据515通信协议的规定, VB程序中主要是针对MSComm控件的操作, 主要有MSComm控件的初始化和OnComm事件的处理。
MSComm控件的主要初始化代码如下:
OnComm事件的处理程序主要代码如下:
4伺服系统实时监测的实现
基于以上VB程序, 在博世力士乐伺服驱动器中提供了一级、二级、三级诊断参数。我们只要通过PC机实时读取此3个参数下的反馈值就能得到实时监测的效果。下面以DOK-INDRV*-GEN-**VRS**-PA01-EN-P型号1级诊断为例进行说明。
一级诊断参数为S-0-0011, 参数结构见图1。
为了读取一级诊断反馈值参数S-0-0011的值, 首先将参数号11转化为十六进制数0B, 即在用户数据头的第4、5两个字节分别写入0B 00 (注意:高字节在后, 低字节在前) , 其他字节可以相继得出, 因是读参数值, 所以不需写用户数据, 从而发送内容应为:02 02 05 05 00 80 01 01 3C 01 00 0B 00。如果接收到类似02 20 07 07 10 80 01 01 00 3C 01 00 00, 最后2个字节为有效字节;00 00对应2进制码为0000 0000 0000 0000, 则表示没有发生诊断1所示的报警。如果接收到02 20 07 07 10 80 01 01 00 3C 01 01 00, 最后2个字节对应2进制码为0000 0000 0000 0001, 则表示过载报警。如接收到02 20 07 07 10 80 01 01 00 3C 01 02 00, 最后2个字节对应2进制码为0000 0000 0000 0010, 则表示放大器过热。
5结语
本文开发的系统是为天津大学所做的数控试验台配套的监测系统, 现已成功应用到实践当中。该系统具有灵活可靠的特点, 并且可以通过串口和适当的编程同时监测多个伺服驱动器。
参考文献
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[5]马明建.数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社, 2005.
基于DSP的交流伺服驱动器设计 篇4
关键词：永磁同步电机,驱动器,数字信号处理器,智能功率模块
伺服驱动器是机电一体化设备中常用的主要关键部件, 在自动化领域越来越广泛地应用到数控机床、加工中心、机器人等设备上。随着电力电子技术、计算机技术以及控制理论的迅猛发展, 以永磁同步电动机为控制对象的交流伺服驱动器已经发展到了相当高的技术水平。自控制技术引入中国以来, 伺服驱动器经历了模拟式及模数混合式的发展, 到目前为全数字式时代。模拟式伺服具有很多缺点如:分散性大、可靠性会产生零漂等, 全数字伺服驱动器克服了这些缺点, 不仅结构简单, 性能更加可靠、控制精度更高、控制方法也更加灵活。
本文首先说明了永磁同步电机控制原理, 然后提出了全数字永磁同步电机伺服驱动器的控制方案, 并进行了硬件和软件设计。
1 永磁电机矢量控制原理
永磁同步电机的伺服驱动器如果采用矢量控制, 则在任意时刻三个器件导通, 三个关断。逆变器共有六个有效工作状态, 从而形成一个正六边形磁场, 该磁场可旋转。因磁场旋转产生的电机扭矩具有很大的脉动分量。对基本开关状态线性组合, 产生尽可能多的有效电压空间矢量, 获得逼近圆形的磁场, 该磁场比正六边形较优。从而提高了转矩性能、消除电机转矩脉动。
2 驱动器的控制方案
永磁同步电机 (PMSM) 本身具有一些特性如:非线性、强耦合性等, 由于这些性质使其控制方法变得复杂, 采用普通单片机控制效果不好保证。本文的交流伺服驱动器采用TI公司的高速DSP芯片TMS320F28335为主控制芯片, 并采用空间矢量脉宽调制算法, 有效地解决了电机的强耦合特性, 并可以适时控制电机的位置、速度、电流。同时采用交流伺服驱动系统常用的正弦波驱动, 完全可消除转矩波动, 使电机运行效果良好。
3 驱动器硬件设计
本文研究的交流伺服驱动器以数字信号处理器TMS320F28335为主芯片完成算法控制, 如位置、速度、电流环的控制。采用此方案设计的驱动器硬件简单、可靠性高, 且驱动器的精度也有很大的提高。本文所研究的伺服驱动器的硬件结构如图1所示。主要由以下部分组成:主电路、控制电路、各种接口及通讯电路等。驱动原理:检测定子的电流ia和ib信号送入DSP, 信号经模数转换、运算处理后产生斩波 (PWM) 信号, 经隔离、放大后送入智能功率模块 (IPM) 产生需要的电压驱动电机运转。
伺服驱动器的主电路将普通交流电经过整流和逆变后变成驱动电机所需要的电压, 带动电机运转。逆变器三菱智能功率模块 (IPM) 器件, 改器件内部集成了驱动电路, 并自带有各种保护电路, 如:过压、欠压、过热、过电流等。
控制电路主要由主芯片 (DSP) 及外部存储器等组成, 为驱动器的核心部分, 主要完成各种控制算法、时序计算、逻辑控制、故障检测等。
接口电路为驱动器内外的交流通道, 主要包含用于显示各种状态及报警信息的I/O电路、用于接收反馈信号的电路、各种使能、限位信号等。
通讯电路为伺服驱动器与上位机的接口, 接收上位机发送过来的各种指令, 并反馈各种状态信息到上位机显示, 可采用RS232、RS485等协议。
4 驱动器软件设计
驱动器的软件主要包括三部分:初始化程序、主程序和中断程序。初始化程序用于各模块和变量的初始化, 主程序不断运行采样电流直到中断发生, 一旦发生中断, 则跳转到相应的中断程序。中断程序还包括定时中断和故障中断, 一旦检测到故障发生, 程序立即停止PWM输出从而保护设备。定时中断完成按键控制、矢量算法、D/A显示、PWM波输出等, 是关键程序。中断流程如图2所示。
5 结束语
本文所研究的交流伺服驱动器, 以高速信号处理器DSP (TMS320F28335) 构成核心电路, 采用当前较高级的空间矢量算法, 实现了驱动器位置、速度、电流的全数字化控制。TMS320F28335外围接口丰富, 本文设计的驱动器充分利用了这一特性, 设计的驱动器体积小、精度高、过载能力强动、静态性能非常好, 同时很好的保证了伺服驱动的实时控制要求。
参考文献
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[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社, 1997.
伺服驱动器检测驱动 篇5
四川攀长特钛业分公司拥有一套完整的钛电极模压生产线, 其中电极堆垛系统是该生产线最后一道工序设备, 将压机压出的块状电极堆垛成一根完整的圆柱形电极棒。电极堆垛系统结构见图1, (1) 电气控制部分由两套全数字单通道交流伺服驱动器加三相交流永磁式伺服电机组成, 采用伺服位置控制方式。控制结构为伺服电机自带编码器, 位置信号反馈至伺服驱动器, 与开环位置控制器 (CN数控计算机) 一起构成半闭环控制系统。根据现场工艺要求编写的程序控制伺服驱动装置完成堆垛杆的旋转与升降。 (2) 机械部分采用1台减速比为1∶187的行星减速器经1组滑轮组、1个平衡轮、4根支绳结构, 下拉堆垛旋转机构总成, 经吊杆铰链带动堆垛成型的电极块。
电极堆垛系统投产1年每到夏季气温偏高, 堆垛10t电极大约在7t以上重量时升降伺服驱动器经常出现er0=03过温报警, 伺服器停机现象, 使用测温枪测试伺服驱动器散热板温度达65℃左右。为此从负载特性及伺服驱动系统特点进行综合分析, 找出故障原因。
二、故障分析
1. 负载特性
电极堆垛系统所带负载 (电极) 属于位能性负载, 堆垛过程中电极块从底层依次堆垛至最高层, 对垛方向始终垂直向下, 动作特性类似于起重机垂直下放重物。以堆垛系统最大负荷10t规格电极, 做简单定性、定量分析, 10t电极共由72块重量为126kg的电极块组成, 则总重量为72×126=9072kg。电极从第一块到最后一块的堆垛过程中, 重量不断线性化递增, 因此经滑轮组支绳平分载荷再经减速器折算到电机轴上的负载不是恒转矩负载, 其负载转动惯量J和负载转矩MZ也在不断线性递增。每堆1块电极, 电极总重量就要增加126kg, 当堆垛到18层左右时电极约重6800kg, 此时J和MZ也达到了使伺服器超温报警的临界点。根据电力拖动系统基本运动方程M=Ma+MZ=J (dω/dt) +MZ, 其中Ma———动态转矩 (N·m) , ω———角速度 (rad/s) , 可以看出在系统过渡过程中J和加减速时间在很大程度上影响MZ。在位置控制工艺过程中要求精确定位时, J和Ma越大、加减速时间越短, 则电机制动转矩及制动电阻上消耗的制动功率也就越大。
2. 伺服器结构及安装环境
伺服驱动器采用四川新科瑞公司DS503全数字式交流伺服控制器, 额定功率7.5kW, 外形尺寸255mm×105mm×199mm, 结构小巧, 制动电阻为内置结构。IGBT晶体管及制动电阻均安装在伺服驱动器机壳外侧的散热板上, 两只风扇直径为92mm、通风量为1.05m3/min的小型轴流风机为控制柜散热。夏季环境温度达30℃以上, J增大及加减速时间短时, IGBT晶体管及制动电阻所消耗的热能急剧上升, 而机柜风机风量偏小, 换热能力偏弱, 导致伺服器热保护动作。
三、故障处理
1. 优化驱动器参数
伺服系统启停特性即加减速时间, 由负载转动惯量及启动、停止频率决定, 也受伺服驱动器和伺服电机性能的限制。电极堆垛系统行星减速器转动惯量为252×10-4kg·m2, 伺服电机采用武汉登奇机电公司生产的GK6087-6AC61型交流伺服电机, 说明书提供的电机转动惯量为64.2×10-4kg·m2, 按系统最小惯量倍数计算m=Jz/Jm= (252×10-4) / (64.2×10-4) ≈3.92。根据计算结果, 按照表1和DS503伺服驱动器位置控制流程 (图2) 提供的参数表, 从降低附加的Ma入手, 分别调整以下参数。
(1) 参数P12为位置指令脉冲分频分子, P13为位置指令脉冲分频分母。位置控制系统中的位置分辨率Δl (1个脉冲行程, mm) =ΔS/Pt, ΔS———伺服电机每转行程 (mm/r) ;Pt———编码器每转反馈脉冲数 (脉冲/r) 。系统中有四倍频电路, 因此Pt=4C, C———编码器每转线数, 该系统C=2500线/r, 得出Pt=10000脉冲/r。
指令脉冲乘以电子齿轮比G后才转化为位置控制脉冲, 因此1个指令脉冲行程表示为Δl*= (ΔS/Pt) ×G, 其中G=指令脉冲分频分子/指令脉冲分频分母=P12/P13, G设置合理, 可在满足设备工艺要求基础上适当降低电机转速, 降低Ma, 减小发电制动功率。
(2) 参数P36是位置控制加速时间常数, P37是位置控制减速时间常数。适当增加加减速时间 (可先设定的大一些, 再根据实际情况降低至合适值) , 同样可有效降低Ma, 减小发电制动功率。
具体参数调整见表2。
2. 改善散热通风结构
外置伺服驱动器200Ω制动电阻, 将制动电阻取出安装在控制柜出风口附近, 使伺服驱动器自身的散热板只承担IGBT晶体管的散热任务, 这样可明显降低伺服驱动器工作温度。同时为加大控制柜通风量, 控制柜改用两只风扇直径为150mm、通风量为5.5m3/min的小型轴流风机, 换热能力增加近5倍。
上述措施实施后, 伺服驱动器工作稳定, 经受住最炎热的夏季考验, 堆垛最大规格10t电极未出现过温报警现象, 使用测温枪测试伺服驱动器散热板温度约为48℃, 效果明显。
摘要：针对电极堆垛系统交流伺服驱动器过温报警, 综合分析负载惯量及加减速时间对伺服驱动系统启停特性的影响, 优化参数, 改变制动电阻安装方式, 消除伺服驱动器过温现象。
伺服驱动器检测驱动 篇6
关键词：伺服驱动器,永磁同步电机,DSP,矢量控制
0 引言
交流电动机采用电子换向技术代替传统的机械换向，性能可靠、无磨损且故障率低，比有刷电机的寿命有了几倍的提高[1,2]。随着大功率MOSFET、IGBT器件发展成熟，以及微处理器的性能提升，目前快速发展的交流电动机控制系统，采用空间矢量调制技术和定子磁场定向控制，具有快速、实时的处理能力[3,4]。电压空间矢量控制技术的应用使得电机的效率进一步提高[5]。本文设计一种基于DSP TMS320F28335的永磁同步伺服电机驱动器。
1 永磁同步电机的控制理论与策略
1.1 永磁同步电机的数学模型
三相永磁同步伺服控制系统的模型是一个多变量、非线性并且强耦合的系统，必须解耦转矩的控制参数，才能实现对转矩的线性化控制。常用的一种解耦控制方法是转子磁场定向控制，首先将物理量从三相静止坐标系转换到两相静止坐标系，再从两相静止坐标系转换到旋转坐标系，如图1所示。
图1中，a、b、c中的旋转磁动势F大小相等，且其角速度ω1相同。
1.2 永磁同步电机的控制策略
同步电动机的磁场定向控制，即矢量控制，是使定子磁势与转子磁极轴线保持90°的恒定值，定子磁势的旋转速度(也即变频器的输出频率)跟随转子旋转速度的变化而变化。系统采用励磁电流id=0的直接转矩控制策略。
按照励磁轴线定向，使得定子磁动势始终与轴垂直，θsf=90°，电机的转矩表达式为:
若恒定，则转矩T正比于的大小。控制模型如图2所示。
1.3 电压空间矢量SVPWM
目前最流行、效果最好的矢量控制方法当属电压空间矢量PWM技术———磁链轨迹法。该方法是从电动机的角度出发，其目标是使交流电动机产生圆形磁场。图3为三相逆变器IPM原理图，通过控制功率开关管V1到V6的通断时间，产生圆形电压空间矢量。
若上桥臂开且下桥臂关的状态为1，上桥臂关且下桥臂开的状态为0，有000、001、010、011、100、101、110、111共8种开关模式。其中000和111输出零电压。
三相逆变器输出的相电压矢量[UAUBUC]T与开关状态矢量[a v c]T的关系为:
式中UDC为直流电源电压。
1.4 基于DSP的全数字控制的结构
图4是三相永磁同步伺服电动机采用DSP全数字控制的结构图。
通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流iA、iB，经过DSP的A/D转换器转换成数字量，并利用式iC=-(iA+iB)计算出iC。通过Clarke变换和Park变换将电流iA、iB、iC变换成旋转坐标系中的直流分量isq、isd,isq、isd作为电流环的负反馈量。
利用增量式编码器测量电动机的机械转角位移θm，并将其转换成电度角θe和转速n。电度角θe用于参与Park变换和逆变换的计算。转速n作为速度还的负反馈量。
给定转速nref与转速反馈量n的偏差经过速度PI调节器，其输出作用于转矩控制的电流q轴参考分量isqref。isqref和isqref(等于零)与电流反馈量isq、isd的偏差经过电流PI调节器，分别输出到dη旋转坐标系的相电压分量Vsqref和Vsqref。Vsqref和Vsqref再通过Park逆变换转换成μβ直角坐标系的定子相电压矢量的分量Vsαref和Vsβref。
当定子电压矢量的分量Vsαref、Vsβref和其所在的扇区数已知时，就可利用电压空间矢量SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制逆变器。
2 基于DSP的硬件系统设计
伺服电机驱动器以TI的电机专用DSP芯片TMS320F28335为核心控制芯片，获取编码、霍尔信号计算转速及转子位置并产生PWM信号，以三菱的第六代智能功率模块PM100CL1A060为功率逆变模块驱动电机、LEM公司的霍尔电流传感器LAX100-NP采样电机电流、ADI公司的16位AD芯片AD7606采样电机电流及模拟指令信号、电压比较器作为冗余过流硬件保护，能通过CAN、RS232及以太网与电机伺服驱动器进行通信并控制电机的运行。系统硬件结构框图如图5所示。
2.1 PWM及高速光耦模块设计
系统采用DSP28335的增强型脉宽调试(e PWM)模块，高频斩波信号对PWM进行斩波控制，通过三态缓冲门74HC245做输出缓冲以增强带载能力，通过高速光耦HCLP-4504隔离并输出15V驱动信号用于驱动高频变换器的门极驱动。
e PWM模块通过比较功能子模块调节PWM的占空比以及脉冲发生状态反转时间;通过死区产生子模块产生PWM死区，确保IPM功率模块不会短路烧毁;通过故障捕获子模块，响应外部故障触发信号并关断PWM;通过事件触发子模块来产生ADC启动新号，以确保ADC采样频率和PWM频率同步。
2.2 IPM逆变模块及过流保护设计
针对电机额定电流35A的大电流，过载1倍70A，选用三菱的智能功率模块PM100CL1A060。
PM100CL1A060输出额定电流100A，内置栅极驱动和保护电路，保护功能有控制电源欠压锁定保护、过热保护和短路保护、过流保护功能。
过流冗余保护为:1)若负载发生短路或控制系统故障导致短路，IPM栅极驱动单元自动关断门极电流，确保电路不被烧毁。2)发生短路时，IPM输出故障信号。故障信号经过高速光耦和与门后，连接到DSP28335的引脚，使PWM呈高阻状态，彻底关断PWM输出。3)霍尔传感器采集电机电流经过精密采样电阻转化成电压，经过电压比较器与设定电压比较。当电机电流大于设定值时，电压比较器输出高电平，连接DSP至外部中断引脚，触发PWM占空比限制或直接关断PWM。
2.3 A/D模块设计
伺服电机驱动器采样电机三相电流的精度，直接影响电机驱动器驱动电机的精度。A/D转换芯片采用ADI公司推出的新一代16位模拟数字转换器AD7606。AD7606支持±10 V的双极性信号，省略了外部偏置电路。
AD7606的采集频率和PWM载波频率一样，是20 k Hz，并在PWM波各开关周期的起点或中点时刻对电机的电流进行采样，能够获得谐波成分相对较少的基波电流值，有利于实现高精度的电流闭环控制。AD7606在20 k Hz的采样频率下支持8倍过采样倍率，有效提高抗干扰能力。
2.4 通信模块及保护电路设计
本系统外扩3类通讯接口，以满足不同场合通讯需求。包括CAN、RS232、以太网。其中CAN接口采用TI的隔离CAN转发器ISO1050，与隔离式电源一起使用，可防止数据总线或者其他电路上的噪音电流进入本地接地并干扰和损坏敏感电路;CANL与CANH间串入低电容静电放电(ESD)保护二极管，保护单条信号线免除ESD和其他瞬态电压导致的损坏。
串口采用TI的增强型线路驱动器MAX3232-EP，具有±15kV ESD保护，信号保护与抗干扰设计与CAN接口类似。
以太网采用工业级芯片ENC28J60，它提供了一个内部DMA模块，以实现快速数据吞吐和硬件支持的IP校验和计算。与DSP的通信通过2个中断引脚和SPI实现，数据传输率高达10 Mb/s，实时传输电机控制指令。
2.5 电源模块及PCB设计
电源模块是整个系统的核心模块之一，其稳定性直接关系到系统的稳定与否。本系统电源设计，采用隔离电源模块与主供电线路隔离，从源头消除杂波的传递。同时采用TI公司生产的高性能LDO稳压芯片TPS75 801与TPS75 833分别产生1.9 V与3.3 V。并且设计上电顺序控制逻辑电路，确保逻辑数字电源引脚VDD在数字I/O引脚VDDIO达到0.7 V之前先达到0.7 V，消除因上电顺序而导致DSP引脚的不确定状态。
同时PCB四层板全手动布线以减少交叉线及过孔，在电路中加入大容值钽电容，小容值低等效串联电阻的陶瓷旁通电容，磁珠隔离模、数电以及网格状铺铜，都最大程度减小因电源波动以及信号振荡对系统的影响。
3 软件系统设计
系统软件部分主要由2大部分构成:主程序模块及中断服务程序模块。
3.1 主程序模块
主程序模块主要完成系统文件的初始化配置及头文件的定义、各个功能模块的初始化(包括PWM模块、CAN通信模块、AD采样模块等)、内存变量的定义、中断矢量的声明等工作;软件的主程序流程图如图6所示。
主程序的初始化仅在复位或者系统开始运行时执行一次，使系统从一个确定的状态开始运行。各子模块在运行之前，必须对相应的寄存器配置进行初始化，以确定子模块运行的时钟、通信波特率等。
3.2 中断程序模块
中断子程序主要包括外部中断和定时器中断(图7)。外部中断主要有IPM错误信号触发保护机制、过流保护中断等。定时器中断有电流的AD采样中断，电机的转速计算中断，电流环、速度环及位置环的调节中断，SVPWM计算中断等。
a)AD采样中断
对电机三相电流的采样，在每个PWM周期进行，由PWM模块触发中断进行采样，为电机的控制提供精确的反馈参数。如果电流采样时刻不合适，将导致电流反馈值中包含谐波分量，从而导致转矩的脉动。通过仿真及实验测试，结果表明对电机的三相电流采样在每个PWM周期的起点或者中点时刻，可获得谐波成分较少的基波分量。
b)转速计算
电机的转速计算一般有M测速法与T测速法。M测速法是在固定的时间段内读取位置的变化量，经过计算可得到此短时间内的平均转速。M测速法的精度与传感器的精度及计算频率有关，且在低速模式下精度不高。T测速法是使系统产生一路高频时钟脉冲，通过计算2个正交脉冲间的高频时钟个数，来确定所需的时间，从而计算转速，T测速法在低速模式下可获得较高的精度。因此，本系统设计中，用M法与T法结合来获得准确地转速。
c)电流环的调节
永磁同步电机的位置伺服控制系统，一般由电流环、速度环及位置环构成三环调节系统，而伺服系统高性能的基础在于各环的优化工作，尤其是电流环，其调节好坏直接影响整个伺服系统的性能。
电机的电流环调节，位于电机三环控制的最内层，其输入是速度环调节后的输出，其反馈值则是经过AD7606采样电机三相电流并计算后的结果。电流环的输入值与电流环的反馈值进行比较，其差值在电流环内进行PI调解后经过逆变器放大输出给电机的三相。电流的精确反馈有助于提高电机的响应速度，改善输出机械特性。
d)SVPWM计算
将驱动器与电机看成一个整体，以跟踪圆形旋转磁场为目的来控制变频器工作，即通常所说的磁链跟踪控制，由于磁链轨迹的跟踪是通过控制不同的电压空间矢量来实现的，又称为电压空间矢量SVPWM控制。
SVPWM的算法，大致可分为3个步骤进行:
1)首先确定Uout所在的扇区
2)计算相邻的2个基本电压矢量的作用时间
3)根据各扇区基本电压矢量的所用时间和顺序，给寄存器赋值
4 实验及结果分析
实验采用1台24 V,400 W的永磁同步电动机作为被测对象。实验基于常规PI控制的速度环，IPM开关频率20 k Hz，死区时间设置为2 us，速度给定1 500 r/min，由于实验条件限制，电机在空载条件下运行。电机的响应曲线及驱动器实物图分别如图8、图9所示。
反复调整PID参数，观察电机响应曲线，找到最佳的响应参数。从实验采集的数据波形中可以看到，电机的响应时间约0.18 s，波形大致曲线和预想一致，空载条件下转速脉动误差不超过2%;伺服电机驱动器的指标基本达到了系统的设计要求。
5 结语
分析了永磁同步电动机的矢量控制原理及控制方法，在基于浮点型DSP芯片TMS320 F28335的基础上，设计了永磁伺服电机的硬件系统，综合考虑了电源稳定性、抗电磁干扰、静电保护等，采用励磁电流为零的直接转矩控制策略，应用电压矢量空间控制技术实现了对伺服电机的高精度控制。最后利用400W样机对该系统进行测试，试验证明该设计具有较高的响应速度、稳定的精度，适用高性能的伺服控制系统领域。
参考文献
[1]李万魁.基于DSP的永磁同步电机控制器研究[J].机电技术,2014(4):68-71.
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伺服驱动器检测驱动 篇7
Digitax ST的显著特点
●功能强大:除通用伺服驱动器的功能外, 具有内置编程功能, 可轻松实现逻辑控制、点位控制、电子齿轮、电子凸轮、高速位置捕捉等运动控制功能。有众多的功能模块可选。
●全内置编码器接口:支持增量型、SinCos、Hiperface、En Dat、SSI等各种编码器。
●现场总线:支持Ether CAT、SERCOS、CANopen、PROFIBUS DP、DeviceNet、Interbus、CTNet以及标准Ethernet等。
●轻松上手:可使用CTSoft Index motion, IEC61131-3 (类PLC编程) , Power Tools Pro (类BASIC编程) 编程, 任何应用工程师都可轻松入门。
●自动调谐:通过测量机器的动态特性来自动优化控制环增益, 使设备达到最佳性能。
●安装简单:驱动器支持DIN导轨安装, 控制端子易于插拔, 卡口式模块安装无需专用工具。
●易于设置:使用可插拔面板、智能卡或调试软件均可设置驱动器参数, 并可在驱动器之间复制参数。
Digitax ST的四种类型
●Digitax ST—Base:通用的伺服驱动器, 通过通讯、现场总线或模拟量控制。
●Digitax ST—Indexer:可用于简单的独立定位, 也可通过现场总线和I/O与其他自动化系统集成。
●Digitax ST—EZ Motion:可实现常见的定位和同步运动控制方案, 支持各种现场总线。
●Digitax ST—Plus:实现顺序控制、电子凸轮等功能, 六个高速I/O可用于高速位置捕捉以实现色标跟踪功能, 支持各种现场总线。
Digitax ST的典型应用
伺服驱动器检测驱动 篇8
1. 设置伺服驱动器运行参数
(1) PA4 (工作方式选择) =1 (选择外部模拟电压指令速度方式) 。
(2) PA12/PA13 (位置指令电子齿轮) 。
式中G———电子齿轮比, 推荐范围1/50≤G≤50
C———电机编码器线数
L———丝杠导程, mm
ZM———丝杠端齿轮齿数, 个
ZD———电机端齿轮齿数, 个
δ———系统最小输出指令单位, mm/脉冲
I———指令位移, mm
S———实际位移, mm
CR——上位机指令倍乘系数
CD——上位机指令分频系数
例如, x向丝杠导程6mm, 丝杠端与电机端进行直连, 电机编码器线数2500, GSK980TDb系统X轴的最小输出指令单位在半径编程时δ=0.0005mm, 代入公式得G=5/6, 因此参数PA13设定为5, PA13设定为6。
(3) PA14 (选择位置指令脉冲模式) =1 (选择位置指令脉冲模式为CCW脉冲/CW脉冲) 。
(4) PA15 (位置指令方向取反) =1 (选择输入的脉冲指令方向取反) 。
为验证设置参数的正确性, 在机床上用百分表进行打表检验 (图2) , 确保进给当量准确无误。运行参数设置完毕后要进行数据保存, 在伺服驱动器上找出参数写入EE-SET, 按住START, 直到伺服驱动器显示FINISH, 此时才将参数值写入到EEPROM的参数区, 这样伺服驱动器参数就不会丢失。
2. 优化伺服参数
每个轴对应的机械结构不同, 要使伺服驱动器调试到最佳状态, 即调整到伺服驱动器参数与机械相匹配。机械特性不同, 所对应参数数值也应不同。伺服优化就是调整伺服驱动器自身增益, 输出更好的脉冲特性, 从而保证高精度的加工要求。
机床在手动方式下使X轴低速运行, 同时调整伺服驱动器参数, 逐步加大PA5 (速度环比例增益) , 该数值设置越大, 伺服刚性也越大, 直到电机发出异音, X轴产生振动, 再将伺服参数往回调整直到电机不振动。调整后高速运行, 不振动即可。
如果电机有异响, 应根据机床机械特性, 适当调节参数PA6 (速度环积分增益) , 在系统不振荡情况下尽量设置大些, 因为设置值越大, 系统响应越快, 该参数设置不当, 伺服电机会发出尖叫。参数PA8 (速度反馈滤波系数) 也对机床振动和异音有一定影响。
机床安装完毕后, 要检验定位精度和重复定位精度, 若检验精度达不到要求, 在机械装配正常前提下, 适当调大参数PA9 (位置环比例增益) , 该参数越大, 对位置指令响应越快, 刚性越大。但设置值过大, 电机在启动及停止时会产生位置过冲而引起振动, 反之电机响应越慢, 跟踪误差增大。
3. 结束语