1 技术方案 本系统采用国外先进的智能功率模块ipm构成电压源逆变器，控制部分采用ti公司97年推出的面向电机控制的高速信号处理器dsptms320f24xx实现交流调速系统的速度和电流的全数字控制，采用可编程逻辑器件与dsp结合形成多功能硬、软件平台，硬件功能框图如图1所示。
图1 硬件功能框图
电流检测采用霍尔电流传感器，位置、速度检测采用光电码盘。为使系统调试方便，系统配有串行通讯口，设计的数字操作器以串行方式与系统相连，显示、设置系统状态、修改参数，适应不同应用场合，还设计有基于pc机的监控系统，方便观察系统动、静态波形及相关数据，大大提高了系统的应用灵活性。2 技术特点 (1) ac/dc/ac功率变换器:采用三菱第三代智能功率模块ipm。开关效率高，实现静音控制;功率与控制以及多重保护功能集于一体，svpwm控制电压利用率高，零矢量均分有利于减小转矩脉动。(2) 控制单元采用单片dsp作为核心实现调速系统的全数字控制:位置、速度、电流信号采集、处理及实时运算;矢量控制运算;三相六路pwm信号输出。(3) 通用硬件设计，开放性功能强，具有模拟输入、数字输入以及rs232串行通讯接口，方便组成主从控制方式，方便实现联网。(4) 附加数字操作器，可与主控板进行串行通讯，方便调试，增加系统灵活性及可扩展性。(5) 内置制动单元。(6) 智能pid算法电流低通滤波和独特的数字电流采样方法以及抑制停车震动的措施，确保系统低速性能，调速比1:10000以上。
3 功率变换器(1) pwm逆变器主电路，如图2所示。
图2 pwm逆变器主电路
(2) ipm智能模块驱动电路本系统采用三菱公司生产的第四代智能功率模块ipm构成电压型逆变器。该智能功率模块是把功率器件与起控制作用的逻辑电路、驱动电路保护电路和检测电路集成或组装在一起，主要完成驱动信号放大、功率放大、各种保护(包括过电流保护、短路保护、过热保护、欠压保护)等功能，在器件特性上具有igbt的开关特性。其结构图如图3所示。它集功率器件、驱动电路、检测与保护电路于一体，可以大大提高系统快速性和可靠性，简化设计，缩小装置体积。功率输出电路为三相桥结构。它具有过流、短路、驱动电压欠压和过热四种自保护功能。驱动电源欠压和过热两种保护可以自动恢复。模块工作时需外部提供独立的驱动电源基极控制信号通过光电隔离电路与模块接口。f0是模块内部故障检测电路的输出信号。当其为低电平时，表示模块发生了过流、短路、欠压或过热等某种故障。f0只是向外部控制电路提供的指示信号，即使外部控制电路不采取措施，模块也会通过自保护电路封锁基极驱动信号，从而将自己保护起来。(3) 系统保护设计为保证系统中功率转换电路及电机驱动电路安全可靠的工作，tms320x24xx还提供了pdpint输人信号，利用它可方便地实现伺服系统的各种保护功能。
图3 ipm功能模块驱动内部电路
各种故障信号由gal16v8综合后，输入到pdpint引脚。有任何故障状态出现时gal16v8输出低电平，pdpint引脚也被拉为低电平，此时dsp立即将所有pwm输出管脚置高阻状态。同时产生中断信号，通知cpu有异常情况发生。整个过程不需要程序干预，全部自动完成，实现各种故障状态的快速处理。
图4 0到2000r/min的空载启动速度曲线
图5 2000到0r/min的空载制动速度曲线
图6 1转/分的空载稳态速度曲线
图7 0到2000转/分的空载启动力矩电流曲线
为了保证系统安全运行，设计了如下的硬件故障检测及保护环节。a) 直流过欠电压保护。当中间直流电路的电压高于某特定值时，会危及功率器件及滤波电容器的安全。直流电压低于某特定值时，会影响开关电源工作的可靠性，因此设计了直流过欠电压保护电路。b) 熔断器熔断保护。当熔断器因故熔断时，伺服单元显示故障报警，提示需要更换熔断器。c) 控制电路欠压保护。当控制电源电压过低，会起控制信号紊乱，使伺服系统有可能发生误动作。为此设计了欠压保护，在欠压时停止伺服系统的工作，以保护逆变器功率器件。d) 智能功率模块故障保护。当智能功率器件内部检测到过流、短路、模块驱动控制电压欠压或者模块温度过高时，输出故障报警信号，使系统能够采取适当的方式关断功率器件。e) 电机光电编码器故障保护。f) 电流检测故障保护。g) 过流及过载，过热保护。 4 系统控制电路硬件组成本系统采用32位dsptms320f240为核心控制器件，构成系统硬件控制电路，其最终目的是产生控制ipm开通和关断的脉冲信号。(1) dsptms320f24xx最小系统;(2)电机电流检测与处理电路;(3)电机速度与磁极位置检测与处理电路;(4)外部指令(模拟指令、sci数字指令、脉冲数字指令)接口电路;(5)外部状态与系统状态接口电路;(6)故障处理与保护电路;(7)控制与驱动电源。
5 实验波形交流永磁同步电动机参数:额定转速2000r/m，额定电流43a，额定力矩37nm，极对数3对，惯性矩0.0182kgm2，机械时间常数5.1ms。光电编码器脉冲2500p/r，测试中控制器电流限幅值为30a。电流环控制周期125us，速度环控制周期1ms。实验数据中速度滤波周期8ms，电流未滤波。速度量化误差0.75r/m。图4~9为不同转速时的试验曲线，附表为不同转速时的实测数据。
参考文献[1] 秦 忆. 现代交流伺服系统[m]. 武汉:华中理工大学出版社, 1995.[2] 尹 泉. 基于dsp的全数字交流伺服系统研究和设计[d]. 武汉:华中科技大学, 2000.
作者简介张 磊 男 电气设计工程师 主管变频器、伺服系统等电力电子装置开发及应用，现任深圳星河电气制造有限公司副总经理。
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