Digitaalinen servoasema

Tonghang suunnitteli korkean - saavuttamisen AC -pysyvien magneetti -synkronisten moottorien suorituskyvyn hallinnan, Tonghang suunnitteli täysin digitaalisen AC -servoaseman, joka perustuu digitaaliseen signaaliprosessoriin (DSP) ja älykkään tehomoduuliin (IPM). Tämä malli kattaa ensisijaisesti aseman perusperiaatteet, Servo -ohjausyksikön laitteistosuunnittelun ja ohjelmistojen toteutusprosessin. T & K -tiimimme kokeelliset tulokset osoittavat, että suunniteltu asema voi vakaasti ajaa moottoria seuraamaan askelta ja sinimuotoisia signaaleja säilyttäen samalla jatkuvia ohjausparametreja, samalla kun heillä on erinomainen dynaaminen suorituskyky ja tasainen - tilan tarkkuus.

Shipborne -tutkatekniikan nopea kehitys on asettanut korkeammat vaatimukset SERVO -järjestelmille seurannan tarkkuuden, nopeuden vakauden ja luotettavuuden seuraamiseksi. Tämä vaatii AC Servo -asemat tarjoamaan parempaa dynaamista suorituskykyä, tasaista - tilan tarkkuutta, monipuolisuutta ja helppokäyttöisyyttä. AC -servoasemat ovat kehittyneet magneettisen vahvistimen hallinnan, transistorin ohjauksen, integroidun piirin ohjauksen ja tietokoneen hallinnan avulla, ja ne ovat nyt syöneet uuden aikakauden, joka on merkitty digitaalisten signaalin prosessorien (DSP) ja älykkäiden voimamoduulien (IPM) syntymisellä. Tämä on mahdollistanut AC -servo -asemien modulaation ja täydellisen digitalisoinnin.

Moottorin ohjauksen DSP: t tarjoavat poikkeukselliset tietojenkäsittelyominaisuudet ja suuret nopeudet, mikä tekee niistä sopivia monimutkaisten vaihtovirtapalvelujen ohjausalgoritmien toteuttamiseen sekä järjestelmän hallinnan tarkkuuden ja luotettavuuden parantamiseen. IPM (välivaiheohjain) (IPM) hyödyntää pulssia - -leveysmodulaatiotekniikkaa (PWM) -tekniikkaa DC -tehon muuntamiseksi vaihtovirtaksi säädettävällä jänniteellä ja taajuudella moottorin ohjaamiseksi. Se integroi IGBT: t ja niiden käyttöpiirit, ja siinä on suojaus oikosulkuja, ylivirta-, alajännitettä ja ylikuumenemista vastaan. Siinä on korkea integroituminen, kattavat suojaominaisuudet ja erinomainen luotettavuus. Tämä artikkeli ehdottaa täysin digitaalista AC -servoasemaa, joka perustuu DSP: hen ja IPM: ään. Siinä käytetään vektoriohjausalgoritmia saavuttaaksesi täydellisen suljetun - -silmukan hallinnan moottorin asennon, nopeuden ja virran. Keskitymme Servo -ohjausyksikön laitteisto- ja ohjelmistosuunnitteluun ja esitämme kokeelliset tulokset moottorin toiminnasta.

Servo -aseman periaate

AC -servo -asema koostuu pääasiassa kahdesta pääkomponentista: servoohjausyksikkö ja tehovetoyksikkö.

Servoohjausyksikön tehonmuuntamispiiri tarjoaa +5 V ja ± 15 V tehoa aseman eri moduuleihin. Servoohjauspiiri vastaanottaa resoluissignaaleja ja kolme - vaihejännite- ja virransignaalia moottorin ohjausta varten. Se vastaanottaa myös väylän ylijännitteen ja alijännitesignaalit, kolme - vaiheen ylivirtasignaalia ja IPM -vikasignaalia vian havaitsemiseksi ja suojaamiseksi. Siinä on suljettu - -silmukan ohjausalgoritmi ja tulostaa kuusi PWM -signaalia.

Power Drive -yksikkö tasoittaa ja suodattaa tulot kolme - vaiheen vaihtovirta, muuttamalla tasavirta tehon sopivan amplitudin ja taajuuden vaihtovirtaan älykkään tehonmoduulin kautta moottorin ohjaamiseksi. Se havaitsee väyläjänniteen ja kolme - vaihejännite- ja virransignaalia aseman hallintaa ja suojausta varten.

Servoohjauspiirilaitteistojen suunnittelu

Servoohjauspiiri on AC -servo -aseman ydinosa, ja sen päätoiminnot ovat seuraavat:

Vastaanottaa komento- ja palautesignaaleja;
Suoritetaan suljettuna - silmukan servoohjausalgoritmit;
Tuottaa PWM -lähtösignaaleja;
Hallitsee moottorin käyttöä korkean suorituskyvyn saavuttamiseksi;
Tarjoaa suojaa ylijännitteeltä, alajänniteiltä, ​​ylivirtailta ja IPM -vikoilta todellisten - ajan havaitsemisen ja erilaisten vikatietojen käsittelyn kautta.

Modulaariseen suunnitteluun perustuen servoohjauspiiri käyttää DSP+FPGA -laitteistoarkkitehtuuria.

DSP -siru toteuttaa pääasiassa moottorin korkean - suorituskyvyn hallinnan, mukaan lukien seuraavat toiminnot

(1) Siinä on 32 - bitti yksittäinen - tarkkuus kelluva - pisteen aritmeettinen yksikkö, joka voi prosessoida moottorivektorin ohjausalgoritmeja suurilla laskennallisilla kuormituksella ja signaalin suodatusalgoritmeilla, joilla on korkeat todelliset- -aikavaatimukset jne., Saavuttaakseen korkean pisteenmahdollisuuksien hallinnan moottorilla;

(2) Siinä on ECAN -viestintämoduuli, joka voi toteuttaa viestintää isäntätietokoneen kanssa, vastaanottaa ohjausohjeita ja lähettää kuljettajan erilaisia ​​käyttö- ja vikatiloja;

(3) Siinä on useita itsenäisesti ohjelmoitavia multipleksoituja yleisiä - Tarkoitustulo- ja lähtörajapintoja (GPIO), mikä voi ymmärtää ohjaimen I0 -ohjauksen;

4) Siinä on 12-bittinen A/D-muunnin, joka voi toteuttaa analogisen tulonhallinnan;

(5) Siinä on IC -väylämoduuli, joka voi toteuttaa viestintä E2PROM: n kanssa, tallentaa ohjaimen ohjausparametrit ja historialliset viat;

(6) Sillä on korkea - resoluution pulssin leveyden modulaatio (PWM) moduuli, joka voi helposti toteuttaa moottorin PWM -hallinnan;

(7) Siinä on rinnakkainen väylän ulkoinen rajapinta (XINTF), joka voi toteuttaa viestintää FPGA -sirun kanssa, vastaanottaa tilatietoja, kuten sijainti, nopeus ja virta sekä vikatiedot, kuten ylijännite, alajännite, ylivirta- ja IPM -vika.

FPGA -siru käsittelee pääasiassa sijaintia, jännitteitä, virtaa ja vikasignaaleja, mukaan lukien seuraavat toiminnot

(1) vastaanottaa ja käsittele moottorin sijaintitiedot perifeerisen RDC -moduulin kautta;
(2) Vastaanko ja käsittele moottorin kolme - vaihekirjaa ja kolme - vaihejännitetietoa oheislaitteen A/D -moduulin kautta;
(3) lähettää käsiteltyjä tilatietoja ja vikatietoja DSP -sirulle;
(4) vastaanottaa DSP -sirun lähettämä PWM -signaali, lukita se ja tuo se;
(5) Vastaanota väylän ylijännitteen, alajännite, kolme - -vaiheen ylivirta- ja IPM -vikasignaalia ja toteuttamalla suojaa estämällä PWM -lähtösignaalin vian sattuessa.

Servoohjausohjelmistosuunnittelu

Servoohjausohjelmisto toimii DSP -sirulla, joka vastaanottaa pääasiassa komentoja ja palautteen tilatietoja. Sitten se toteuttaa kolme suljettua - -silmukan ohjaussilmukkaa moottorin sijainnille, nopeudelle ja virralle vastaavilla ohjausalgoritmeilla. Suljettu - -silmukan ohjausperiaatteen lohkokaavio on esitetty kuvassa 3. PI -ohjausalgoritmit on suunniteltu kaikille kolmelle suljetulle - -silmukolle komentojen ja palautteen välisen virheen perusteella. Nykyisessä ohjausalgoritmissa käytetään kenttää - suuntautuneen vektoriohjauksen moottorin. Clark- ja Park -muunnoksia käytetään muuntamaan kolmen - -vaihevirta paikallaan olevassa ABC -koordinaattijärjestelmässä kahteen - -vaihevirtaan pyörivässä DQ -koordinaattijärjestelmässä. Suljettuja - -silmukanalgoritmia käytetään moottorin DQ -akselin virtausten säätelemiseen, jotka säädetään sitten käänteisen puiston muunnoksella, käänteisen Clark -muunnoksella ja PWM: llä. Staattorin kolme - vaihejännite säädetään moottorin ohjauksen saavuttamiseksi.

Servoohjausohjelmisto koostuu pääasiassa pääohjelmasta ja keskeytysrutiinista. Pääohjelma alustaa järjestelmän ensin, määrittämällä rekisterin parametrit jokaiselle ohjauspiirimoduulille ja järjestelmäparametreille. Sitten se suorittaa itsekohtaisen - testin ohjaimen tilasta selvittääkseen, toimivatko kaikki komponentit oikein. Jos itse - testi epäonnistuu, vian ilmaisin vilkkuu hälytyksenä. Jos itse - -testi läpäisee, virta on kytketty ja katkaisu tulee silmukkatilaan. Kerran silmukkatilassa Control -siru vastaanottaa ensin ohjauskomennot. Saatuaan Run -komennon, ajastimen keskeytys on käytössä. Ajastin keskeytys aliohjelma suorittaa moottorin ohjausalgoritmin ajamalla moottoria. Saatuaan stop -komennon, ajastimen keskeytys on poistettu käytöstä, pysäyttäen moottorin. Jokaisen ajastimen keskeyttämisen jälkeen aliohjelma on valmis, se tarkistaa vikasignaalit, kuten ylijännitteet, alikorvaus ja ylivirta. Jos vika havaitaan, PWM -lähtösignaali poistetaan heti käytöstä ja vian ilmaisin vilkkuu hälytyksenä. Jos vikaa ei havaita, piirisilmut ja odottaa seuraavaa ajastimen keskeyttämistä.

Ajastimen keskeyttäjä aliohjelma on servo -aseman ohjausalgoritmin ydin, joka täyttää moottorin sijainnin, nopeuden ja virranohjausalgoritmit. Ajastimen keskeytysjakso on 0,1 ms, joka määrittää PWM -lähtöä. Lähtösignaalin taajuus on myös nykyisen silmukan ajanjakso. Saavuttuaan ajastimen keskeyttämisen aliohjelmaan, moottorin sijainti, nopeus ja nykyiset tiedot luetaan ensin. Sitten luetaan käyttötilasta riippuen käyttötilasta, nopeudesta tai nykyisestä komennosta ja vastaava ohjausalgoritmi suoritetaan. Lopuksi moottoria ohjaava PWM -signaali on lähtö.

Kokeelliset tulokset

Kehitetyn AC -servo -aseman lähtöteho on noin 6 kW. Sen ohjaustehokkuuden tutkimiseksi käytettiin Tonghangin servomoottoria, jonka nimellistehoa oli 5,5 kW ja nimellisnopeutta 3200 rpm.

Koe 1: Askelsignaalin seuraaminen nimellisnopeudella. Koetulokset on esitetty kuvassa.

Kuten kuvasta voidaan nähdä, moottorin nousuaika, kun seurataan 3200 r/min -askelsignaalia, on noin 80 ms, yli 1,5%. Piikki - - - huippunopeuden vaihtelu tasapainotilassa on alle 5 r/min. Tämä osoittaa, että suunnitellulla ohjaimella on erinomainen dynaaminen suorituskyky ja tasainen - tilan tarkkuus.

Koe 2: Sinusoidisen signaalin seuraaminen nimellisnopeudella. Koetulokset on esitetty kuvassa. Kuten kuvasta voidaan nähdä, moottori voi seurata sinimuotoista signaalia, jonka amplitudi on 3200 r/min ja jakso 1s, huipun seurantavirhe alle 20 r/min. Tämä osoittaa, että suunniteltu ohjain voi ajaa moottoria seuraamaan sekä askel- että sinimuotoisia signaaleja säilyttäen jatkuvia ohjausparametreja osoittaen erinomaisen mukautuvan suorituskyvyn.

Yhteenveto

Servojärjestelmien korkean - suorituskyvyn hallintavaatimusten täyttämiseksi Tonghang on suunnitellut AC -servo -ohjaimen modulaarisuuden perusteella. Tämä ohjain käyttää ydinkomponentteina digitaalista signaalinkäsittelypiiriä ja älykästä tehomoduulia. Kuljettajalla on kompakti rakenne, korkea laitteistointegraatio ja edistyneiden ohjelmistohallintaalgoritmit. Kokeelliset tulokset osoittavat, että suunniteltu AC -servo -ohjain voi ajaa moottoria seuraamaan sekä askelta että sinimuotoisia signaaleja, joilla on korkea suorituskyky säilyttäen jatkuvia ohjausparametreja ja joilla on erinomainen mukautuva suorituskyky.