基于SERCOS总线的永磁同步电机伺服驱动器研究

0 引言

　　近年来，交流伺服驱动系统已在数控机床、机器人、火炮等领域得到十分广泛的应用。在传统的机床数控系统中，CNC与各伺服驱动之间采用点对点连接，CNC向驱动器的设定和驱动器向CNC的反馈多采用脉冲方式，脉冲的数量代表位置，脉冲的频率代表速度。由于CNC对各伺服驱动的分时控制和反馈，各进给轴伺服驱动接收到设定信号后自行处理而没有同步约束，难以满足高性能系统的同步加工要求。

　　SERCOS(Serial Real—time Communication System)是由德国主要系统制造商CNC、伺服系统制造商和研究技工共同发起并建立的一套CNC与数字伺服系统的总线接口标准，这种总线具有完全开放的通讯结构、严格的同步机制和极佳的抗干扰能力，在恶劣的环境下能够可靠的实现对多轴运动的实时同步控制。1995年，SERCOS接口协议被批准为IECl491 SYST．EM．Interface国际标准，也是迄今为止用于数字伺服和传动系统数据通讯的唯一国际标准。

　　根据SERCOS的定义，其实施涉及伺服驱动和运动控制系统，本文专注于伺服驱动控制。首先介绍该控制器的功能设计，然后介绍硬件设计和软件设计，最后介绍该驱动与运动控制器联接在数控机床上的运行和测试效果。

1 交流伺服驱动系统设计

　　1.1 功能设计

　　由于数控系统通信系统的变化，必然引起系统中相关环节功能划分的变化。传统机床数控系统中，进给伺服位置控制功能通常是由CNC去完成的。当采用SERCOS通信系统以后，位置控制由伺服驱动去完成，有助于提高系统的位置控制的实时性。其它的功能与传统伺服驱动的功能没有多大变化。

　　主要功能为：

　　(1)位置、速度、转矩三闭环控制
　　(2)点动(JOG)模式
　　(3)外部模拟\数字转速设定
　　(4)SERCOS现场总线通讯
　　(5)能耗制动
　　(6)诊断、报警与保护功能

　　1.2 性能指标设计

　　伺服驱动系统的主要性能指标设计如表1所示。

　　1.3 伺服驱动系统硬件设计

　　伺服驱动器系统硬件设计框图如图1所示。

图1 伺服驱动器硬件结构图 

　　主电路将三相交流电整流、滤波后经IPM(PMl00RLA060)逆变为电压和频率可变的三相正弦交流电向交流伺服电动机供电。

　　控制电路主要由TI公司的TMS320F2812型DSP作为控制核心，其丰富的外设资源和独具PWM信号产生模块非常适合电机控制。同时其外围还配以FPGA逻辑电路、存储扩展电路、SERCOS现场总线通讯电路、键盘和显示电路等。

　　伺服驱动器样机如图2所示，内部结构利用散热器为支架，电路板分为控制板和驱动板上下两层，各种接口布置在同一侧以方便使用。

图2伺服驱动器样机 

　　1.4 伺服驱动器软件设计

　　整个伺服驱动器采用磁场定向空间矢量控制(SVPWMW)算法，坐标系为dq旋转轴系，i_d=0矢量控制方式。系统中空间矢量算法运算、采样周期优化、载波频率优化、位置/转速/电流三闭环控制等都由DSP完成。将脉冲的计数、变M/T法测速、按键和显示任务由FPGA处理，以节约DSP的资源，保证伺服驱动器控制系统的实时、高精度等性能。