高性能數控機床研究管理論文范本
1引言
數控機床要求驅動(dòng)系統調速范圍寬、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控機床交流主軸驅動(dòng)系統。該系統以智能功率模塊IPM為逆變器開(kāi)關(guān)元件，以MCS96系列雙單片機為主控制器，控制算法采用全數字轉差頻率式矢量控制。主控制器采用雙CPU結構，一片CPU完成速度外環(huán)控制、監控及顯示等；另一片CPU用于電機高速控制，80C196MC完成電流內環(huán)控制。兩片CPU之間通過(guò)共享RAM進(jìn)行通訊，有效地解決了一般CPU計算能力不強的問(wèn)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。該系統還具有功能齊全的檢測與保護電路等。
實(shí)驗表明該系統具有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，能夠滿(mǎn)足數控機床對驅動(dòng)系統的上述要求。
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(jiǎn)稱(chēng)IPM)。智能功率模塊IPM是一種先進(jìn)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(mén)極驅動(dòng)及過(guò)流、短路、欠壓和過(guò)熱保護電路組成，是繼IGBT之后電力電子技術(shù)領(lǐng)域的又一革新性成果。由于IPM內部采用了能連續監測功率器件電流的IGBT芯片，實(shí)現了高效的過(guò)流保護和短路保護；IPM內部還集成了過(guò)熱和欠壓保護電路，大大提高了系統可靠性；IPM內部還集成了絕緣柵雙極型晶體管IGBT及其驅動(dòng)電路，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期；IPM通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)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(shí)現數控機床的快速實(shí)時(shí)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(wù)是完成要求實(shí)時(shí)性高的電流內環(huán)控制，產(chǎn)生PWM控制信號，完成保護等功能。特別是80C196MC片內含有3相波形發(fā)生器WFG(WaveFormGenerator)。WFG具有3個(gè)同步的PWM模塊，每個(gè)模塊包含一個(gè)相位比較寄存器，一個(gè)無(wú)信號時(shí)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(wú)信號時(shí)間和操作方式，一旦啟動(dòng)之后，WFG只要求CPU在改變PWM的占空比時(shí)加以干預。如采用16MHz晶振時(shí)，中心對準的PWM的載波周期為0.15μs～16ms，增量為0.25μs，無(wú)信號時(shí)間的調整范圍為0.125～125μs。無(wú)信號時(shí)間用來(lái)防止一對互補的PWM同時(shí)有效，以保證輸出波形不交疊。WFG大大簡(jiǎn)化了用于產(chǎn)生同步脈寬調制(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(dòng)機，也可用于控制直流無(wú)刷電動(dòng)機和其它需要多個(gè)PWM輸出的裝置。WFG是80C196MC/MD獨有的特色之一。80C196KC主要完成轉速控制與檢測，鍵盤(pán)中斷輸入并修改重要參數，顯示有關(guān)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，以提高系統的運行速度。80C196KC將計算出的電流環(huán)所需參數，如勵磁電流、轉矩電流、旋轉角速度等，傳送到共享RAM相應單元，而80C196MC則從共享RAM中讀取這些數據。
4檢測與保護電路
1)電流檢測
由于數控機床要求較寬的調速范圍，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(mǎn)足要求，故采用霍爾電流互感器對輸出電流進(jìn)行檢測�；魻栯娏骰ジ衅鞯奶攸c(diǎn)是體積小，響應速度快，準確度和線(xiàn)性度高。
2)轉速采樣
由于數控機床要求轉速控制精度較高，一般的測速部件難以滿(mǎn)足要求，為此采用1024高分辨率的光電脈沖編碼器，以實(shí)現高速定位、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)良的內置保護電路，以避免因系統失靈或過(guò)應力而使功率器件損壞。內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(dòng)作，IGBT柵驅動(dòng)單元就會(huì )關(guān)斷驅動(dòng)脈沖，并輸出一個(gè)故障信號。IPM模塊的內部保護功能有以下幾種。
1)控制電源電壓鎖定(UV)IPM內部控制電路由15V直流電源供電，如果由于某種原因這一電源電壓低于規定的欠壓動(dòng)作值(UV)，該功率器件將被關(guān)斷并輸出一個(gè)故障信號；只有當電源電壓超過(guò)欠壓復位值(UVr)時(shí)電路才能恢復正常工作。如果干擾信號持續時(shí)間小于規定的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(guò)熱保護(OT)IPM內部裝有溫度傳感器，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(guò)熱動(dòng)作值(OT)，IPM內部控制電路將截止下橋臂器件的柵驅動(dòng)，使控制輸入信號無(wú)效，同時(shí)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(guò)熱復位值(OTr)以下，并且控制輸入為高電平(關(guān)斷狀態(tài))時(shí)，功率器件將接受下一個(gè)低電平(開(kāi)通狀態(tài))輸入信號且恢復正常工作。
同樣，為避免過(guò)熱保護頻繁動(dòng)作，在過(guò)熱動(dòng)作值OT與過(guò)熱復位值OTr之間也設有20℃的差值。
3)過(guò)流保護(OC)IPM采用帶電流傳感器的IGBT，用來(lái)測量功率器件的工作電流，如果流過(guò)IGBT的電流超出過(guò)流動(dòng)作值(OC)的時(shí)間大于toff(OC)，IGBT將被關(guān)斷。對超過(guò)OC數值但時(shí)間小于toff(OC)的電流脈沖，過(guò)流保護電路將不予理睬。當檢測出過(guò)電流時(shí)，IPM內部控制電路將IGBT軟關(guān)斷，同時(shí)輸出一個(gè)故障信號。軟關(guān)斷能夠控制關(guān)斷大電流時(shí)所產(chǎn)生的浪涌電壓，從而避免浪涌電壓過(guò)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(guò)短路保護動(dòng)作值(SC)，IPM內置短路保護電路將啟動(dòng)軟關(guān)斷，關(guān)斷IGBT，并輸出一個(gè)故障信號。由于第三代IPM采用了實(shí)時(shí)電流控制電路(RTC)，它直接監測IGBT末級驅動(dòng)電路電流，將SC檢測和關(guān)斷之間的響應時(shí)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。
為了保證系統安全可靠地運行，除了IPM的自保護功能之外，系統中還設有過(guò)流、短路、交/直流過(guò)壓、欠壓、缺相和快熔保護等各項保護措施。
5控制算法
針對數控機床高精度要求，控制算法采用轉差頻率式矢量控制。矢量控制是把交流電動(dòng)機模擬直流電動(dòng)機來(lái)控制，通過(guò)坐標變換把交流電動(dòng)機定子電流矢量分解成按轉子磁場(chǎng)定向的兩個(gè)直流分量，并對這兩個(gè)分量進(jìn)行控制，從而獲得與直流電動(dòng)機相同的調速性能。
在轉差頻率式矢量控制算法中，要用到電動(dòng)機參數，如果給定參數與實(shí)際值不符，轉矩或轉子磁通就不等于它們的指令值。在這里轉子時(shí)間常數的誤差至關(guān)重要，它直接影響矢量控制的動(dòng)靜態(tài)特性，因此需要對轉子時(shí)間常數進(jìn)行適當補償。在負載一定的情況下，電動(dòng)機運行于最佳狀態(tài)，則認為實(shí)現了準磁場(chǎng)定向控制。采用的方法是選取電動(dòng)機實(shí)際旋轉角速度與給定角速度之間的誤差絕對值作為目標函數，進(jìn)行轉子時(shí)間常數的自尋優(yōu)。即當電流穩定運行時(shí)，選取適當的轉子時(shí)間常數使這個(gè)誤差絕對值最小。設轉速環(huán)每1ms采樣一次，并把每163次采樣點(diǎn)作為一組數據，這樣163次采樣大約需要4s的時(shí)間。每次時(shí)間常數自尋優(yōu)以后，讓電動(dòng)機運轉4s，然后繼續采樣尋優(yōu)。
6結束語(yǔ)
該系統采用了雙CPU結構的控制電路，一片CPU用于速度外環(huán)控制，另一片CPU用于電流內環(huán)控制；逆變電路采用智能功率模塊；控制算法采用轉差頻率式矢量控制，勵磁電流和轉矩電流能夠獨立控制。在實(shí)驗中選用數控機床用交流主軸變頻電機，額定功率11kW，基速1500r/min。實(shí)驗結果表明，電機運轉平穩，低速特性好，定子電流接近正弦波，該系統很好地滿(mǎn)足了數控機床對驅動(dòng)系統的要求。
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