일반 서보 드라이브

CNC 공작 기계 산업에서 수년간의 경험을 바탕으로 Tonghang은 일반 - 목적 AC 서보 드라이브를위한 합리적 제어 알고리즘 아키텍처를 설계했습니다. 소프트웨어 엔지니어링의 개체 - 지향 프로그래밍 개념을 통합함으로써 고객 요구 사항을 충족하는 서보 드라이브 솔루션을 설계 할 수 있습니다.

CNC 공작 기계 응용 프로그램에서 AC - 기반 모터 드라이브 제어 시스템은 주류 시장 동향이되었으며, 가장 두드러진 응용 프로그램은 공작 기계 공급 샤프트 및 스핀들 드라이브 시스템에 있습니다. 사용 된 주요 액추에이터에는 간단한 CNC 선반, 피드 샤프트 드라이브 제어를위한 영구 자석 동기 AC 서보 모터 및 스핀들 드라이브를위한 비동기 스핀들 드라이브를위한 비동기 스핀들 서보 모터에서 스핀들 드라이브를위한 유도 변수 - 주파수 모터가 포함됩니다 ({4}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}----. 이 드라이브 시스템 컨트롤러는 일반 - 목적 인버터, AC 서보 드라이브 및 비동기 스핀들에 해당합니다.일반 서보 드라이브각각.

현재 대부분의 공작 기계 응용 프로그램은 이러한 드라이브 시스템 중 적어도 두 개 이상을 동시에 활용하며, 더 복잡한 기계는 세 가지를 모두 필요로합니다. 현재 AC 서보 드라이브 시장에서 많은 중국 서보 드라이브 시스템 제조업체는 종종 한 유형의 드라이브 컨트롤러 만 제공하거나 다른 제품 라인에서 다른 컨트롤러를 제공합니다. 이로 인해 공작 기계 사용자가 선택, 설계 및 애플리케이션에있어 상당한 워크로드와 어려움이 생겨서 불필요한 폐기물로 이어집니다. 세 가지 유형의 드라이브 제어를 모두 통합하는 컨트롤러는 국제적으로 제공되지만 상대적으로 비싸고 공작 기계 제조 비용을 방해합니다. 따라서 Tonghang은 여러 드라이브 제어 시스템을 통합하는 보편적 인 서보 시스템을 독립적으로 연구하고 설계하여 중국에서 이러한 격차를 메 웠습니다.

구조 및 하드웨어 설계

이전 경험을 결합한 단일 - 전용 서보 드라이브 제품을 개발하고 세 가지 드라이브 시스템의 하드웨어 아키텍처를 분석하면 일반 - 목적 인버터, 동기 서보 드라이브 및 비인기 스핀들 드라이브 간의 하드웨어 차이는 거의 동일합니다. 다음은 일반 - 목적 서보 드라이브 하드웨어 플랫폼의 주요 구성 요소를 간략하게 분석하고 설명합니다.

하드웨어 아키텍처

범용 AC 서보 시스템은 공통 DC 버스 전원 공급 장치를 갖춘 모듈 식 설계를 채택합니다. 모터 인버터 모듈과 전원 공급 장치 모듈의 두 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.

이 일반적인 DC 버스 아키텍처는 통합 전원 정류기 모듈에 의해 구현 된 중앙 집중식 전원 공급 장치 정류 및 모니터링을 사용합니다. 각 서보 인버터 모듈은 병렬 연결을 통해 DC 버스에서 전원을 뽑습니다. 이 중앙 집중식 접근 방식은 서보 하드웨어 아키텍처를 단순화하고 시스템 신뢰성을 향상시키고 중앙 집중식 전원 공급 장치 설계, 관리 및 모니터링을 통해 비용을 줄입니다. 이 솔루션은 현재 Siemens를 포함한 CNC 시스템 제조업체가 널리 채택하고 있습니다.

다음은 컨트롤러와 전원 단계로 구성된 모터 인버터 모듈의 기본 하드웨어 아키텍처입니다. 컨트롤러는 높은 - 성능 디지털 신호 프로세서 (DSP)를 기반으로하는 반면, 전원 단계는 주로 고도로 통합 된 지능형 전원 모듈 (IPM)입니다. 하드웨어 설계는 모든 제어 기능이 소프트웨어에서 구현되어 단순성을 위해 노력합니다. 광학 인코더 또는 고정기는 위치 피드백 센서로 사용되는 반면, 홀 효과 요소는 실제 피드백 센서로 사용하여 실제 전류를 두 단계로 감지합니다. 또한 DC 버스 전압은 출력 전압을 동적으로 조정하기 위해 실시간으로 모니터링되며 재생 제동은 모터의 4 개의 - 사분면 작업을 달성하는 데 사용됩니다. 모든 탐지 신호는 아날로그 - to - 디지털 변환기를 통해 DSP에 공급됩니다. 그런 다음 높은 - 성능 제어 알고리즘을 사용하여 통합 및 계산됩니다. 궁극적으로 SVPWM 출력 장치는 전원 모듈의 게이트 드라이브 신호를 IPM으로 전송하여 모터 모션 제어를 달성합니다.

핵심 제어 장치

32 - 비트 DSP (TMS320F2812)는 서보 제어 장치의 핵심 구성 요소 역할을합니다. TMS320F2812는 낮은 - 전력 설계와 최대 150MHz의 시스템 클록 주파수를 특징으로합니다. 32x32 - 비트 하드웨어 멀티 플라이어, 개선 된 하버드 아키텍처, 독립 프로그램 및 데이터 액세스 버스, 통합 메모리 주소 지정 모드를 통합하고 4 MX16 - 비트 메모리를 지원합니다. 또한 두 개의 전용 모터 제어 주변 장치 (Event Manager, EVA 및 EVB)를 통합하여 제어 시스템의 하드웨어 아키텍처를 단순화합니다. 16 - 비트 고정 - 포인트 형식을 사용하는 시스템과 비교하여 32 - 비트 고정 - 포인트 형식은 디지털 양자화 오류의 영향을 크게 줄이거 나 제거합니다. 실제 시스템에서 16 비트 고정점 형식으로 인해 32 비트 고정점 형식은 디지털 양자화 오류의 영향을 크게 줄이거 나 제거합니다. 16 비트 고정 지점 형식의 양자화 오차는 크며, 이는 의사 전환으로 쉽게 유발하고 수치 계산으로 울려서 시스템 진동 및 노이즈를 유발할 수 있습니다. 또한 시스템 샘플링 주파수가 증가함에 따라 16 비트 워드 길이 제한은 시스템 변수 및 계수의 해상도를 감소시켜 시스템 제어 성능을 저하시킵니다. 그러나 32 비트 고정점 형식을 사용하면 이러한 현상을 크게 줄이거 나 제거하여 샘플링 주파수가 높아져 시스템 제어 성능이 향상 될 수 있습니다.

주 전원 회로

우수한 Main Power Circuit Design은 높은 - 성능 AC 서보 드라이브를 만드는 데 중요한 기초입니다. 주 전력 회로는 전원 장치를 제어 로직, 드라이브, 보호 및 감지 회로와 통합하는 통합 위상 - 이동 (IPM) 회로로 구성됩니다. 주로 신호 ​​증폭, 전력 증폭 및 다양한 보호 기능 (과전류, 짧은 - 회로, 오버 평범한 및 저전압 보호)을 수행합니다. 이 회로는 고전압과 고전류가 특징입니다. 전자 및 전기 원리를 기반으로 한 설계 요구 사항을 충족하는 것 외에도 EMC (Electromagnetic Compatibility) 디자인은 부품 레이아웃 및 배선에 대한 엄격한 요구를 높이기 위해 높은주의를 기울여야합니다. 특히 높은 - 전력 설계의 경우, 주 전력 회로의 표준 표준 EMC 설계는 종종 제품 프로토 타입 디버깅 단계에서 발생하는 설명 할 수없는 문제의 근본 원인입니다.

전류 감지 회로

현재 제어는 서보 제어의 핵심 제어 링크이며, 높은 - 정밀 전류 샘플링 기술은이 높은 - 정밀 전류 제어의 기본 보장입니다. 현재 루프의 성능을 향상시키기 위해 센서가 중요합니다. Tonghang은 유명한 글로벌 전류 센서 제조업체의 폐쇄 - 루프 전류 센서를 사용합니다. 이 센서는 넓은 대역폭, 탁월한 전체 정확도, 짧은 응답 시간, 저온 드리프트, 우수한 선형성 및 낮은 삽입 손실을 제공합니다. A 16 - 비트 높이 - 정밀도, 높은 - 대역폭 광고 변환기는 정확한 전류 감지를 보장하기 위해 아날로그 - Devigital Converter로 사용됩니다.

신뢰성 설계

신뢰성은 AC 서보 드라이브에 의해 보장되어야하는 기본 지표 요구 사항입니다. 전자기 호환성 및 신뢰성 설계는 다음과 같은 측면에서 달성됩니다.

(1) 전기 구조 설계에서 강력하고 약한 전류 크로스 오버를 피하십시오. Busbar High - 전압 전원 공급 장치 회로, 모터 높이 - 전압 구동 회로 및 약한 전류 시스템 제어 회로는 크로스 오버 및 혼합없이 서로 분리되어 레이아웃이 최적화됩니다.

(2) PCB 보드 레벨 강력하고 약한 전류 분리. 회로 보드 전압 레벨의 분포는 설계 단계에서 완전히 고려되므로 강하고 약한 전류 부품이 다른 영역에서 분리되어 연결됩니다. PM 브리지 암의 특수 전원 공급 특성의 경우, 절단 홈을 사용하여 보드 설계 중에 공간에서 분리하는 데 사용되며 크리히 지 거리가 완전히 고려됩니다.

(3) IPM 하드웨어 및 소프트웨어 다중 보호. IPM 경보 신호는 서보 드라이브의 하드웨어 설계에 완전히 적용되며 경보 신호는 시스템의 두 가지 주요 코어 칩 인 DSP 및 독립적으로 개발 된 전용 칩으로 전송됩니다. - 속도가 높고 속도 real - 시간 처리 기능이 50ns 이내에 모터 제어 신호를 차단할 수 있습니다. DSP는 핵심 알고리즘으로서 신호를 수신 한 후 칩도 이에 따라 처리 할 수 ​​있습니다. 이중 보호는 다양한 이유로 인한 단락 회로가 발생하더라도 정상 작동 중에 서보 드라이브를 실시간으로 보호하여 하드웨어 회로가 손상되지 않도록합니다.

(4) 전용 칩에 대한 통합은 시스템 연결 및 구조 설계를 단순화합니다. (5) 임베디드 소프트웨어 신뢰성 설계. 소프트웨어 신뢰성을 향상시키기 위해 Multi - 레벨 소프트웨어 개, 예외 처리, 결함 처리, 완전한 전력 보호 중단, 중복 코드 설계 등을 사용하십시오.

(6) 엄격한 장치 스크리닝. 구성 요소 공급 업체의 평가에주의를 기울이고 평판이 좋고 안정적인 품질을 가진 공급 업체의 선택에주의를 기울이십시오. 주요 구성 요소의 경우 비용이 높고 가격이 비싸더라도 사용을 고집합니다. 공급 업체를 변경하려면 감사 프로세스가 엄격하게 필요합니다. 원자재의 조달 및 공급을 더 잘 보장합니다. (7) 효율적인 열 설계 시스템. 공기 - 냉각 된 라디에이터의 경우 주변 공기와의 열 교환이 필요합니다. 방열판 재료 및 공기 조성이 결정된 후, 열전도율은 고정 값입니다. 섀시 내부의 공간은 제한되어 있습니다. 따라서, 열 소산 효과를 향상시키기 위해, 일반 AC 서보 시스템의 라디에이터는 팬과 라디에이터 블레이드를 외부로 배치하여 방열판과 공기 사이의 접촉 영역을 크게 증가시켜 탁월한 열 소산 효과를 달성합니다. 실제 적용에서, 공 이렇게하면 열 방사선 공간을 크게 줄이고 바람 저항을 줄이며 순환 공기가 생성 된 열을 실시간으로 제거 할 수 있습니다.

범용 AC 서보 제어 알고리즘 아키텍처

실제 응용 분야에서 제어 성능 측면에서 V/F 제어와 벡터 제어 사이의 큰 간격을 고려할 때, 전자는 기본적으로 후자로 대체 될 수 있습니다. 따라서 일반적인 AC 서보 드라이브에는 V/F 알고리즘 모듈이 포함되어 있지 않으며 주로 세 부분이 포함됩니다.

(1) 서보 컨트롤러;

(2) 분리 컨트롤러;

(3) 전류 제어 SVPWM 변환기.

전류 제어 루프는 고정 된 2 - 축 좌표계에서 디지털 전류 제어를 사용하고 뒷면 - EMF 보상 전략을 통합하여 현재 루프 대역폭을 증가시킵니다. 디커플링 제어 루프는 간접 피드 포워드 로터 필드 - 방향 제어 전략을 사용합니다. 서보 제어 루프에는 속도 (및 위치) 컨트롤러가 포함됩니다.

서보 컨트롤러는 속도 컨트롤러와 위치 컨트롤러로 구성됩니다. 서보 매개 변수 구성을 통한 응용 프로그램 요구 사항에 따라 위치 루프를 활성화 또는 비활성화 할 수 있습니다. 그 목적은 보정기를 통한 위치 오류 신호를 기반으로 적절한 속도 명령을 생성하여 궁극적으로 위치 오류를 제거하는 것입니다.

속도 컨트롤러는 비례 - 적분 컨트롤러 (PI) 또는 적분 - 비례 컨트롤러 (IP)를 사용합니다. 위치 컨트롤러는 비례 컨트롤러를 사용합니다.

AC 영구 자석 동기 서보 모터 용 디커플링 컨트롤러에는 초기 로터 각도 계산 및 추정 유닛, 동기 전기 각도 계산기 및 동기 모터 필드 - 약화 컨트롤러가 포함됩니다.

AC 비동기 모터 용 디커플링 컨트롤러에는 여기 플럭스 생성기, 로터 플럭스 관찰자 및 비동기 모터 필드 - 약화 컨트롤러가 포함됩니다.

Zhejiang (Hangzhou) Tonghang E - Drive Technology Co., Ltd.,서보 드라이브 생산에서 수년간의 경험을 바탕으로 구동 하드웨어 구조 및 제어 알고리즘의 관점에서 유니버설 드라이브 디자인이 실현 가능하고 편리하다고 결정했습니다. 또한 표준화되고 합리적인 소프트웨어 설계 아키텍처와 결합하여 우수한 범용 드라이브 제품을 성공적으로 설계하여 공작 기계 공급 및 스핀들 시스템의 하드웨어, 설계 및 인건비를 크게 줄일 수 있습니다. 또한 개발자가 인적 자원 낭비를 피하고 개발자가 프로젝트 개발 및 유지 보수 비용을 줄이는 데 도움이됩니다.