高性能数控机床交流主轴驱动系统 -

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 引言

数控机床要求驱动系统调速范围宽、速度精度高、响应速度快、加减速性能好，保护功能强等。

本文介绍一种高性能数控机床交流主轴驱动系统。该系统以智能功率模块IPM为逆变器开关元件，以MCS96系列双单片机为主控制器，控制算法采用全数字转差频率式矢量控制。主控制器采用双CPU结构，一片CPU完成速度外环控制、监控及显示等；另一片CPU用于电机高速控制，80C196MC完成电流内环控制。两片CPU之间通过共享RAM进行通讯，有效地解决了一般CPU计算能力不强的问题。主回路采用由智能功率模块IPM组成的电压型交直交逆变器。该系统还具有功能齐全的检测与保护电路等。

实验表明该系统具有良好的静态和动态性能，能够满足数控机床对驱动系统的上述要求。

2 主回路

主回路采用交直交电压型结构，主要由整流电路、滤波器及逆变电路等组成。逆变电路采用新型功率器件—智能功率模块(Intelligent Power Module，简称IPM)。智能功率模块IPM是一种先进的混合集成智能功率模块，它由高速、低耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及过流、短路、欠压和过热保护电路组成，是继IGBT之后电力电子技术领域的又一革新性成果。由于IPM内部采用了能连续监测功率器件电流的IGBT芯片，实现了高效的过流保护和短路保护；IPM内部还集成了过热和欠压保护电路，大大提高了系统可靠性；IPM内部还集成了绝缘栅双极型晶体管IGBT及其驱动电路，缩短了产品开发周期；IPM通态损耗和开关损耗都较低，减少了散热片尺寸，降低了成本。所以，与IGBT相比，智能功率模块IPM具有明显的优势。

3 控制电路

为了实现数控机床的快速实时和可靠控制，控制电路采用80C196MC-80C196KC双单片机结构，如图1所示。

图1 双单片机控制框图

图1中，80C196MC CPU具有较高的运算速度和较强的控制能力，它的任务是完成要求实时性高的电流内环控制，产生PWM控制信号，完成保护等功能。特别是80C196MC片内含有3相波形发生器WFG(Wave Form Generator)。WFG具有3个同步的PWM模块，每个模块包含一个相位比较寄存器，一个无信号时间(dead-time)发生器和一对可编程的输出。WFG可以产生独立的3对PWM波形，它们具有共同的载波频率、无信号时间和操作方式，一旦启动之后，WFG只要求CPU在改变PWM的占空比时加以干预。如采用16MHz晶振时，中心对准的PWM的载波周期为0.15μs～16ms，增量为0.25μs，无信号时间的调整范围为0.125～125μs。无信号时间用来防止一对互补的PWM同时有效，以保证输出波形不交叠。WFG大大简化了用于产生同步脉宽调制(PWM)波形的控制软件和外设硬件，特别适用于控制3相交流感应电动机，也可用于控制直流无刷电动机和其它需要多个PWM输出的装置。WFG是80C196MC/MD独有的特色之一。80C196KC主要完成转速控制与检测，键盘中断输入并修改重要参数，显示有关信息，矢量变换，向80C196MC提供指令信号等功能。

双单片机之间的通讯采用共享RAM方式，以提高系统的运行速度。80C196KC将计算出的电流环所需参数，如励磁电流、转矩电流、旋转角速度等，传送到共享RAM相应单元，而80C196MC则从共享RAM中读取这些数据。

4 检测与保护电路

1) 电流检测

由于数控机床要求较宽的调速范围，因此，输出电流的频率变化范围较大，一般的电流互感器不能满足要求，故采用霍尔电流互感器对输出电流进行检测。霍尔电流互感器的特点是体积小，响应速度快，准确度和线性度高。

2) 转速采样

由于数控机床要求转速控制精度较高，一般的测速部件难以满足要求，为此采用1024高分辨率的光电脉冲编码器，以实现高速定位、高速攻丝、轮廓控制等功能。

3) 保护功能

智能功率模块IPM具有性能优良的内置保护电路，以避免因系统失灵或过应力而使功率器件损坏。内置保护功能的框图如图2所示。

图2 IPM内部保护功能框图