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高性能數(shù)控機床研究管理論文范本
1引言
數(shù)控機床要求驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、速度精度高、響應速度快、加減速性能好，保護功能強等。
本文介紹一種高性能數(shù)控機床交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。該系統(tǒng)以智能功率模塊IPM為逆變器開關元件，以MCS96系列雙單片機為主控制器，控制算法采用全數(shù)字轉(zhuǎn)差頻率式矢量控制。主控制器采用雙CPU結構，一片CPU完成速度外環(huán)控制、監(jiān)控及顯示等；另一片CPU用于電機高速控制，80C196MC完成電流內(nèi)環(huán)控制。兩片CPU之間通過共享RAM進行通訊，有效地解決了一般CPU計算能力不強的問題。主回路采用由智能功率模塊IPM組成的電壓型交直交逆變器。該系統(tǒng)還具有功能齊全的檢測與保護電路等。
實驗表明該系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)性能，能夠滿足數(shù)控機床對驅(qū)動系統(tǒng)的上述要求。
2主回路
主回路采用交直交電壓型結構，主要由整流電路、濾波器及逆變電路等組成。逆變電路采用新型功率器件—智能功率模塊(IntelligentPowerModule，簡稱IPM)。智能功率模塊IPM是一種先進的混合集成智能功率模塊，它由高速、低耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動及過流、短路、欠壓和過熱保護電路組成，是繼IGBT之后電力電子技術領域的又一革新性成果。由于IPM內(nèi)部采用了能連續(xù)監(jiān)測功率器件電流的IGBT芯片，實現(xiàn)了高效的過流保護和短路保護；IPM內(nèi)部還集成了過熱和欠壓保護電路，大大提高了系統(tǒng)可靠性；IPM內(nèi)部還集成了絕緣柵雙極型晶體管IGBT及其驅(qū)動電路，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期；IPM通態(tài)損耗和開關損耗都較低，減少了散熱片尺寸，降低了成本。所以，與IGBT相比，智能功率模塊IPM具有明顯的優(yōu)勢。
3控制電路
為了實現(xiàn)數(shù)控機床的快速實時和可靠控制，控制電路采用80C196MC-80C196KC雙單片機結構，如圖1所示。
圖1中，80C196MCCPU具有較高的運算速度和較強的控制能力，它的任務是完成要求實時性高的電流內(nèi)環(huán)控制，產(chǎn)生PWM控制信號，完成保護等功能。特別是80C196MC片內(nèi)含有3相波形發(fā)生器WFG(WaveFormGenerator)。WFG具有3個同步的PWM模塊，每個模塊包含一個相位比較寄存器，一個無信號時間(dead-time)發(fā)生器和一對可編程的輸出。WFG可以產(chǎn)生獨立的3對PWM波形，它們具有共同的載波頻率、無信號時間和操作方式，一旦啟動之后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時加以干預。如采用16MHz晶振時，中心對準的PWM的載波周期為0.15μs～16ms，增量為0.25μs，無信號時間的調(diào)整范圍為0.125～125μs。無信號時間用來防止一對互補的PWM同時有效，以保證輸出波形不交疊。WFG大大簡化了用于產(chǎn)生同步脈寬調(diào)制(PWM)波形的控制軟件和外設硬件，特別適用于控制3相交流感應電動機，也可用于控制直流無刷電動機和其它需要多個PWM輸出的裝置。WFG是80C196MC/MD獨有的特色之一。80C196KC主要完成轉(zhuǎn)速控制與檢測，鍵盤中斷輸入并修改重要參數(shù)，顯示有關信息，矢量變換，向80C196MC提供指令信號等功能。
雙單片機之間的通訊采用共享RAM方式，以提高系統(tǒng)的運行速度。80C196KC將計算出的電流環(huán)所需參數(shù)，如勵磁電流、轉(zhuǎn)矩電流、旋轉(zhuǎn)角速度等，傳送到共享RAM相應單元，而80C196MC則從共享RAM中讀取這些數(shù)據(jù)。
4檢測與保護電路
1)電流檢測
由于數(shù)控機床要求較寬的調(diào)速范圍，因此，輸出電流的頻率變化范圍較大，一般的電流互感器不能滿足要求，故采用霍爾電流互感器對輸出電流進行檢測。霍爾電流互感器的特點是體積小，響應速度快，準確度和線性度高。
2)轉(zhuǎn)速采樣
由于數(shù)控機床要求轉(zhuǎn)速控制精度較高，一般的測速部件難以滿足要求，為此采用1024高分辨率的光電脈沖編碼器，以實現(xiàn)高速定位、高速攻絲、輪廓控制等功能。
3)保護功能
智能功率模塊IPM具有性能優(yōu)良的內(nèi)置保護電路，以避免因系統(tǒng)失靈或過應力而使功率器件損壞。內(nèi)置保護功能的框圖如圖2所示。
如果IPM模塊的一種保護電路動作，IGBT柵驅(qū)動單元就會關斷驅(qū)動脈沖，并輸出一個故障信號。IPM模塊的內(nèi)部保護功能有以下幾種。
1)控制電源電壓鎖定(UV)IPM內(nèi)部控制電路由15V直流電源供電，如果由于某種原因這一電源電壓低于規(guī)定的欠壓動作值(UV)，該功率器件將被關斷并輸出一個故障信號；只有當電源電壓超過欠壓復位值(UVr)時電路才能恢復正常工作。如果干擾信號持續(xù)時間小于規(guī)定的tDUV，欠壓保護電路將不予理睬，控制電路正常工作，這樣可以有效地避免干擾信號對電路正常工作的影響。在UV和UVr之間應設有一定的差值，這樣可以避免欠壓保護電路頻繁切換，保證電路的正常運行。
2)過熱保護(OT)IPM內(nèi)部裝有溫度傳感器，用于檢測功率器件的工作溫度。如果傳感器檢測到基板溫度超出過熱動作值(OT)，IPM內(nèi)部控制電路將截止下橋臂器件的柵驅(qū)動，使控制輸入信號無效，同時給出下橋臂故障信號，直到溫度恢復正常，從而保護了功率器件。
當溫度回落到過熱復位值(OTr)以下，并且控制輸入為高電平(關斷狀態(tài))時，功率器件將接受下一個低電平(開通狀態(tài))輸入信號且恢復正常工作。
同樣，為避免過熱保護頻繁動作，在過熱動作值OT與過熱復位值OTr之間也設有20℃的差值。
3)過流保護(OC)IPM采用帶電流傳感器的IGBT，用來測量功率器件的工作電流，如果流過IGBT的電流超出過流動作值(OC)的時間大于toff(OC)，IGBT將被關斷。對超過OC數(shù)值但時間小于toff(OC)的電流脈沖，過流保護電路將不予理睬。當檢測出過電流時，IPM內(nèi)部控制電路將IGBT軟關斷，同時輸出一個故障信號。軟關斷能夠控制關斷大電流時所產(chǎn)生的浪涌電壓，從而避免浪涌電壓過高，有效地保障了IPM的安全。
4)短路保護(SC)如果負載發(fā)生短路或系統(tǒng)控制器發(fā)生故障，從而導致上下橋臂直接導通，使流經(jīng)IGBT的電流超過短路保護動作值(SC)，IPM內(nèi)置短路保護電路將啟動軟關斷，關斷IGBT，并輸出一個故障信號。由于第三代IPM采用了實時電流控制電路(RTC)，它直接監(jiān)測IGBT末級驅(qū)動電路電流，將SC檢測和關斷之間的響應時間減小到不足0.1μs，從而大大減小了短路電流幅值、功率應力和電壓峰值，有效地保障了IPM的安全。
為了保證系統(tǒng)安全可靠地運行，除了IPM的自保護功能之外，系統(tǒng)中還設有過流、短路、交/直流過壓、欠壓、缺相和快熔保護等各項保護措施。
5控制算法
針對數(shù)控機床高精度要求，控制算法采用轉(zhuǎn)差頻率式矢量控制。矢量控制是把交流電動機模擬直流電動機來控制，通過坐標變換把交流電動機定子電流矢量分解成按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個直流分量，并對這兩個分量進行控制，從而獲得與直流電動機相同的調(diào)速性能。
在轉(zhuǎn)差頻率式矢量控制算法中，要用到電動機參數(shù)，如果給定參數(shù)與實際值不符，轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)子磁通就不等于它們的指令值。在這里轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的誤差至關重要，它直接影響矢量控制的動靜態(tài)特性，因此需要對轉(zhuǎn)子時間常數(shù)進行適當補償。在負載一定的情況下，電動機運行于最佳狀態(tài)，則認為實現(xiàn)了準磁場定向控制。采用的方法是選取電動機實際旋轉(zhuǎn)角速度與給定角速度之間的誤差絕對值作為目標函數(shù)，進行轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的自尋優(yōu)。即當電流穩(wěn)定運行時，選取適當?shù)霓D(zhuǎn)子時間常數(shù)使這個誤差絕對值最小。設轉(zhuǎn)速環(huán)每1ms采樣一次，并把每163次采樣點作為一組數(shù)據(jù)，這樣163次采樣大約需要4s的時間。每次時間常數(shù)自尋優(yōu)以后，讓電動機運轉(zhuǎn)4s，然后繼續(xù)采樣尋優(yōu)。
6結束語
該系統(tǒng)采用了雙CPU結構的控制電路，一片CPU用于速度外環(huán)控制，另一片CPU用于電流內(nèi)環(huán)控制；逆變電路采用智能功率模塊；控制算法采用轉(zhuǎn)差頻率式矢量控制，勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流能夠獨立控制。在實驗中選用數(shù)控機床用交流主軸變頻電機，額定功率11kW，基速1500r/min。實驗結果表明，電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，低速特性好，定子電流接近正弦波，該系統(tǒng)很好地滿足了數(shù)控機床對驅(qū)動系統(tǒng)的要求。
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