디지털 서보 드라이브

AC 영구 자석 동기 모터의 높은 - 성능 제어를 달성하기 위해 Tonghang은 DSP (Digital Signal Processor) 및 IPM (Intelligent Power Module)을 기반으로 완전 디지털 AC 서보 드라이브를 설계했습니다. 이 설계는 주로 드라이브의 기본 원리, 서보 제어 장치의 하드웨어 설계 및 소프트웨어 구현 프로세스를 다룹니다. 우리의 R & D 팀의 실험 결과는 설계된 드라이브가 일정한 제어 매개 변수를 유지하면서 스텝 및 정현파 신호를 추적하기 위해 모터를 안정적으로 구동 할 수 있으며 우수한 동적 성능과 안정적인 - 상태 정확도를 나타냅니다.

Shipborne Radar 기술의 빠른 개발은 정확도, 속도 안정성 및 신뢰성을 추적하기 위해 서보 시스템에 대한 수요가 높아졌습니다. 이를 위해서는 AC 서보 드라이브가 탁월한 동적 성능, 꾸준한 - 상태 정확도, 다양성 및 사용 편의성을 제공해야합니다. AC 서보 드라이브는 자기 앰프 제어, 트랜지스터 제어, 통합 회로 제어 및 컴퓨터 제어를 통해 진화했으며 이제는 디지털 신호 프로세서 (DSP) 및 지능형 전력 모듈 (IPM)의 출현으로 표시된 새로운 시대에 들어 왔습니다. 이를 통해 AC 서보 드라이브의 모듈화 및 전체 디지털화가 가능했습니다.

모터 제어 용 DSP는 탁월한 데이터 처리 기능 및 고속을 제공하므로 복잡한 AC 서보 제어 알고리즘을 구현하고 시스템 제어 정확도 및 안정성을 향상시키는 데 적합합니다. IPM (중간 위상 컨트롤러) (IPM)은 펄스 - 너비 변조 (PWM) 기술을 사용하여 모터 제어를위한 조절 가능한 전압 및 주파수로 DC 전력을 AC 전력으로 변환합니다. IGBT와 드라이브 회로를 통합하고 단락, 과전류, 저전압 및 과열로부터 보호 기능을 갖추고 있습니다. 높은 통합, 포괄적 인 보호 기능 및 우수한 신뢰성을 자랑합니다. 이 백서는 DSP 및 IPM을 기반으로 한 완전 디지털 AC 서보 드라이브를 제안합니다. 모터의 위치, 속도 및 전류의 전체 폐쇄 - 루프 제어를 달성하기 위해 벡터 제어 알고리즘을 사용합니다. 우리는 서보 제어 장치의 하드웨어 및 소프트웨어 설계에 중점을두고 모터 작동에서 실험 결과를 제시합니다.

서보 드라이브 원리

AC 서보 드라이브는 주로 서보 제어 장치와 전원 드라이브 장치의 두 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

서보 제어 장치의 전력 변환 회로는 드라이브의 다양한 모듈에 +5 v 및 ± 15V 전력을 제공합니다. 서보 제어 회로는 모터 제어를 위해 모터로부터 3 개의 - 위상 전압 및 전류 신호를 수신합니다. 또한 버스 오버 전압 및 저전압 신호, 3 개의 - 상 오버 커런트 신호 및 고장 감지 및 보호를위한 IPM 결함 신호를 수신합니다. 닫힌 - 루프 제어 알고리즘을 실행하고 6 개의 PWM 신호를 출력합니다.

전력 구동 장치는 입력 3 - 위상 AC 전원을 정류하고 필터링하여 DC 전원을 지능형 전원 모듈을 통해 적절한 진폭 및 주파수의 AC 전원으로 변환하여 모터를 제어합니다. 드라이브 제어 및 보호를 위해 버스 전압 및 3 개의 - 위상 전압 및 전류 신호를 감지합니다.

서보 제어 회로 하드웨어 설계

서보 제어 회로는 AC 서보 드라이브의 핵심 부분이며 주요 기능은 다음과 같습니다.

명령 및 피드백 신호를받습니다.
닫는 실행 - 루프 서보 제어 알고리즘;
PWM 출력 신호를 생성합니다.
고성능을위한 모터 작동을 제어합니다.
다양한 결함 정보의 실제 - 시간 감지 및 처리를 통해 과전압, 저전압, 과전류 및 IPM 고장에 대한 보호 기능을 제공합니다.

모듈 식 설계를 기반으로 서보 제어 회로는 DSP+FPGA 하드웨어 아키텍처를 사용합니다.

DSP 칩은 주로 다음 기능을 포함하여 모터의 높은 - 성능 제어를 인식합니다.

(1) 32 - 비트 단일 싱글 - 정밀 플로팅 - 포인트 산술 단위는 큰 계산 부하 및 신호 필터링 알고리즘이 높은 실제- 시간 요구 사항 등을 처리 할 수 ​​있습니다.

(2) ECAN 통신 모듈이 있는데, 이는 호스트 컴퓨터와의 커뮤니케이션을 실현하고 제어 지침을 받고 드라이버의 다양한 운영 및 결함 상태를 보낼 수 있습니다.

(3) 다중 독립적으로 프로그래밍 가능한 멀티 플렉스 일반 - 목적 입력 및 출력 인터페이스 (GPIO)가 있으며, 이는 드라이버의 I0 제어를 실현할 수 있습니다.

4) 12 비트 A/D 컨버터가있어 아날로그 입력 제어를 실현할 수 있습니다.

(5) IC 버스 모듈이 있는데,이 버스 모듈은 E2Prom과의 통신을 실현하고 운전자의 제어 매개 변수 및 과거 결함을 저장할 수 있습니다.

(6) - 해상도 펄스 폭 변조 (PWM) 모듈이 높으며, 이는 모터의 PWM 제어를 쉽게 실현할 수 있습니다.

(7) FPGA 칩과의 통신을 실현하고 위치, 속도 및 전류와 같은 상태 정보를받을 수있는 병렬 버스 외부 인터페이스 (XINTF)가 있으며 과전압, 저전압, 과전류 및 IPM 결함과 같은 오류 정보를받을 수 있습니다.

FPGA 칩은 주로 다음 기능을 포함하여 위치, 전압, 전류 및 결함 신호를 처리합니다.

(1) 주변 RDC 모듈을 통해 모터의 위치 정보를 수신하고 처리합니다.
(2) 주변 A/D 모듈을 통한 3 개의 - 위상 전류 및 3 개의 - 위상 전압 정보를 수신하고 처리합니다.
(3) 처리 된 상태 정보 및 결함 정보를 DSP 칩으로 보냅니다.
(4) DSP 칩에 의해 전송 된 PWM 신호를 받고, 인터 로크하고, 출력;
(5) 버스 오버 전압, 저전압, 3 개의 - 위상 과전류 및 IPM 결함 신호를 받고 결함시 PWM 출력 신호를 차단하여 보호를 구현합니다.

서보 제어 소프트웨어 설계

서보 제어 소프트웨어는 DSP 칩에서 실행되며 주로 명령 및 피드백 상태 정보를 수신합니다. 그런 다음 해당 제어 알고리즘을 사용하여 모터 위치, 속도 및 전류에 대한 3 개의 닫힌 - 루프 제어 루프를 구현합니다. 닫힌 - 루프 제어 원리 원리 블록 다이어그램은 그림 3에 나와 있습니다. PI 제어 알고리즘은 명령과 피드백 사이의 오류에 따라 세 개의 폐쇄 - 루프 모두에 대해 설계되었습니다. 전류 제어 알고리즘은 모터에 대한 필드 - 방향 벡터 제어를 사용합니다. Clark 및 Park 변환은 고정 ABC 좌표계의 3 개의 - 위상 전류를 회전 DQ 좌표계에서 2 개의 - 위상 전류로 변환하는 데 사용됩니다. 닫힌 - 루프 알고리즘은 모터의 DQ 축 전류를 조절하는 데 사용되며, 이와 역 공원 변환, 역 클라크 변환 및 PWM을 사용하여 조정됩니다. 고정자의 3 개의 - 위상 전압은 모터 제어를 달성하도록 조정됩니다.

서보 컨트롤 소프트웨어는 주로 주요 프로그램과 인터럽트 루틴으로 구성됩니다. 기본 프로그램은 먼저 시스템을 초기화하여 각 제어 칩 모듈 및 시스템 매개 변수에 대한 레지스터 매개 변수를 구성합니다. 그런 다음 모든 구성 요소가 제대로 작동하는지 확인하기 위해 운전자 상태에 대한 자체 - 테스트를 수행합니다. 자체 - 테스트가 실패하면 결함 표시기가 경보로 깜박입니다. 자체 - 테스트가 통과되면 전원이 연결되고 회로가 루프 상태로 들어갑니다. 루프 상태에 있으면 컨트롤 칩은 먼저 제어 명령을 수신합니다. 실행 명령을 받으면 타이머 인터럽트가 활성화됩니다. 타이머 인터럽트 서브 루틴은 모터 제어 알고리즘을 실행하여 모터를 구동합니다. 정지 명령을 받으면 타이머 인터럽트가 비활성화되어 모터가 중지됩니다. 각 타이머 인터럽트 서브 루틴이 완료되면 과전압, 저전압 및 과전류와 같은 오류 신호를 확인합니다. 결함이 감지되면 PWM 출력 신호가 즉시 비활성화되고 결함 표시기가 경보로 깜박입니다. 결함이 감지되지 않으면 회로가 루프하고 다음 타이머 인터럽트를 기다립니다.

타이머 인터럽트 서브 루틴은 서보 드라이브 제어 알고리즘의 핵심이며 모터 위치, 속도 및 전류 제어 알고리즘을 완료합니다. 타이머 인터럽트 기간은 0.1ms이며 PWM 출력을 결정합니다. 출력 신호의 주파수는 또한 전류 루프의주기입니다. 타이머 인터럽트 서브 루틴에 들어간 후 모터의 위치, 속도 및 현재 정보를 먼저 읽습니다. 그런 다음 작동 모드에 따라 위치, 속도 또는 현재 명령이 읽히고 해당 제어 알고리즘이 실행됩니다. 마지막으로, 모터를 제어하는 ​​PWM 신호는 출력입니다.

실험 결과

개발 된 AC 서보 드라이브의 출력 전력은 약 6kW입니다. 제어 성능을 조사하기 위해 5.5kW의 정격 전력 및 3200 rpm의 정격 속도를 가진 Tonghang 서보 모터가 사용되었습니다.

실험 1 : 정격 속도로 스텝 신호 추적. 실험 결과는 그림에 나와 있습니다.

그림에서 알 수 있듯이 3200 r/min 스텝 신호를 추적 할 때 모터의 상승 시간은 약 80ms이며 오버 슈트는 1.5%입니다. 정상 상태에서 피크 - ~ - 피크 속도 변동은 5 r/min 미만입니다. 이는 설계된 드라이버가 탁월한 동적 성능과 꾸준한 - 상태 정확도를 가지고 있음을 보여줍니다.

실험 2 : 정격 속도로 정현파 신호 추적. 실험 결과는 그림에 나와 있습니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 모터는 진폭 3200 r/min 및 1S 기간의 정현파 신호를 잘 추적 할 수 있으며 피크 추적 오차는 20 r/min 미만입니다. 이는 설계된 드라이버가 모터를 구동하여 일정한 제어 매개 변수를 유지하면서 우수한 적응 성능을 보여 주면서 단계와 정현파 신호를 모두 추적 할 수 있음을 보여줍니다.

요약

Tonghang은 서보 시스템의 높은 - 성능 제어 요구 사항을 충족시키기 위해 모듈성을 기반으로 AC 서보 드라이버를 설계했습니다. 이 드라이버는 디지털 신호 처리 칩과 지능형 전원 모듈을 핵심 구성 요소로 사용합니다. 드라이버는 소형 구조, 높은 하드웨어 통합 및 고급 소프트웨어 제어 알고리즘을 자랑합니다. 실험 결과에 따르면 설계된 AC 서보 드라이버는 일정한 제어 매개 변수를 유지하면서 고성능으로 단계 및 정현파 신호를 모두 추적하도록 모터를 구동 할 수 있으며 우수한 적응 성능을 나타냅니다.