高性能数控机床交流主轴驱动系统 -(2)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表时间:2007-07-03 人气:1

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1) 控制电源电压锁定(UV)IPM内部控制电路由15V直流电源供电，如果由于某种原因这一电源电压低于规定的欠压动作值(UV)，该功率器件将被关断并输出一个故障信号；只有当电源电压超过欠压复位值(UVr)时电路才能恢复正常工作。如果干扰信号持续时间小于规定的tDUV，欠压保护电路将不予理睬，控制电路正常工作，这样可以有效地避免干扰信号对电路正常工作的影响。在UV和UVr之间应设有一定的差值，这样可以避免欠压保护电路频繁切换，保证电路的正常运行。

2) 过热保护(OT)IPM内部装有温度传感器，用于检测功率器件的工作温度。如果传感器检测到基板温度超出过热动作值(OT)，IPM内部控制电路将截止下桥臂器件的栅驱动，使控制输入信号无效，同时给出下桥臂故障信号，直到温度恢复正常，从而保护了功率器件。

当温度回落到过热复位值(OTr)以下，并且控制输入为高电平(关断状态)时，功率器件将接受下一个低电平(开通状态)输入信号且恢复正常工作。

同样，为避免过热保护频繁动作，在过热动作值OT与过热复位值OTr之间也设有20℃的差值。

3) 过流保护(OC)IPM采用带电流传感器的IGBT，用来测量功率器件的工作电流，如果流过IGBT的电流超出过流动作值(OC)的时间大于toff(OC)，IGBT将被关断。对超过OC数值但时间小于toff(OC)的电流脉冲，过流保护电路将不予理睬。当检测出过电流时，IPM内部控制电路将IGBT软关断，同时输出一个故障信号。软关断能够控制关断大电流时所产生的浪涌电压，从而避免浪涌电压过高，有效地保障了IPM的安全。

4) 短路保护(SC)如果负载发生短路或系统控制器发生故障，从而导致上下桥臂直接导通，使流经IGBT的电流超过短路保护动作值(SC)，IPM内置短路保护电路将启动软关断，关断IGBT，并输出一个故障信号。由于第三代IPM采用了实时电流控制电路(RTC)，它直接监测IGBT末级驱动电路电流，将SC检测和关断之间的响应时间减小到不足0.1μs，从而大大减小了短路电流幅值、功率应力和电压峰值，有效地保障了IPM的安全。

为了保证系统安全可靠地运行，除了IPM的自保护功能之外，系统中还设有过流、短路、交/直流过压、欠压、缺相和快熔保护等各项保护措施。

5 控制算法

针对数控机床高精度要求，控制算法采用转差频率式矢量控制。矢量控制是把交流电动机模拟直流电动机来控制，通过坐标变换把交流电动机定子电流矢量分解成按转子磁场定向的两个直流分量，并对这两个分量进行控制，从而获得与直流电动机相同的调速性能。

在转差频率式矢量控制算法中，要用到电动机参数，如果给定参数与实际值不符，转矩或转子磁通就不等于它们的指令值。在这里转子时间常数的误差至关重要，它直接影响矢量控制的动静态特性，因此需要对转子时间常数进行适当补偿。在负载一定的情况下，电动机运行于最佳状态，则认为实现了准磁场定向控制。采用的方法是选取电动机实际旋转角速度与给定角速度之间的误差绝对值作为目标函数，进行转子时间常数的自寻优。即当电流稳定运行时，选取适当的转子时间常数使这个误差绝对值最小。设转速环每1ms采样一次，并把每163次采样点作为一组数据，这样163次采样大约需要4s的时间。每次时间常数自寻优以后，让电动机运转4s，然后继续采样寻优。

由于篇幅所限，“交流电动机矢量变换控制原理”在此不再赘述，请参见有关参考文献。

6 结束语

该系统采用了双CPU结构的控制电路，一片CPU用于速度外环控制，另一片CPU用于电流内环控制；逆变电路采用智能功率模块；控制算法采用转差频率式矢量控制，励磁电流和转矩电流能够独立控制。在实验中选用数控机床用交流主轴变频电机，额定功率11kW，基速1500r/min。实验结果表明，电机运转平稳，低速特性好，定子电流接近正弦波，该系统很好地满足了数控机床对驱动系统的要求。 (

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