基于FPGA的交流伺服系统功率主回路的参数设计
基于FPGA的交流伺服系统功率主回路的参数设计
刘丙友，凌有铸，杨会成
（安徽工程科技学院 安徽省电气传动与控制重点实验室 安徽 芜湖 241000）
摘 要：为了提高系统的性能，给出了基于FPGA的交流伺服系统功率主回路的设计方法，并对主回路中具体参数进行了计算，根据所设计的主回路对系统进行了仿真，仿真结果表明功率主回路的设计是可行的，基于FPGA的交流伺服系统具有良好的性能。
关键词： FPGA；交流伺服系统；功率主回路；逆变电路；
Design on Parameter of Power Main Circuit of AC Servo System Based on FPGA
Liu Bingyou Ling Youzhu Yang Huicheng
（Anhui University of Technology and Science Anhui Provincial Key Laboratory of Electric and Control Wuhu China 241000）
Abstract：In order to improve system's performance, the design method of AC Servo system power main circuit based on FPGA was given and the specific parameters of the power main circuit were calculated. According to the power main circuit, system simulation was carried on and simulation results show that the design of power main circuit is feasible, and the AC servo system based on FPGA has good performance.
Key words：FPGA; servo system; power main circuit; inverting circuit;
0 引言
随着生产现场对加工精度的要求不断增强，常规的基于DSP的数字式交流伺服系统虽然能够满足需要，但是在宽速比、恒转矩、处理速度、加工准确度等已经逐渐不能满足需求。于是，想到把交流伺服系统中的外围信息由常规的直接传输给DSP转变为传输给现场可编程门阵列FPGA（Field－Programmable Gate Array），经FPGA处理后再由总线与DSP进行交互。基于FPGA的交流伺服系统的基本思想就是采用DSP＋FPGA＋IPM的结构。DSP和FPGA功能模块的划分的原则是：高速、周期性强的外围信号由FPGA实现，如IO接口扩展、键盘的扫描、显示器的动态刷新、霍尔信号检测、码盘信号的读取、保护信号的处理等功能。这些信号如果由DSP完成势必占用CPU的大量时间和资源，但是按不同的功能模块由FPGA的不同进程实现，既提高了系统的实时性，又方便了软件的编写和系统维护。PWM信号的输出、模拟信号、交流伺服控制算法实现和串行总线的信息交互由DSP完成。不仅保证了设计上的先进性，而且为小型化、可靠性提高以及产品化奠定了很好的基础。DSP＋FPGA＋IPM结构使DSP、FPGA和IPM充分发挥各器件的优势同时在性能上彼此还可互相弥补各自的不足。在DSP＋FPGA＋IPM结构中，功率主回路是重要的组成部分，完成驱动、芯片级保护等重要功能，因此，在交流伺服系统的设计过程中，对功率主回路的设计尤为重要，其性能优劣直接影响整个交流伺服控制系统的性能。在设计功率主回路时应充分考虑到耐高压、故障保护及尖峰脉冲的吸收等问题。本文设计的功率主回路原理图如图1所示。包括：整流电路、滤波电路、逆变电路、刹车电路等部分，现分别对各部分进行设计。
图1. 功率主回路原理图
1 参数设计
1.1 整流电路
图中R、S、T是AC380的交流电源，设为，D1～D6组成三相桥式全控整流电路，对交流信号进行整流。其中D1 、D2、 D3组成共阴极组； D4、 D5 、D6组成共阳极组。在桥式整流电路中，二极管的选择应考虑耐压足够的高，这一点是由直流母线决定的，反向恢复时间足够快，反向漏电流小的二极管，目的都是为了让电容上的电荷保持足够长的时间。承受的最大反向电压为，考虑到电网电压波动范围为，因此在选择二极管时应留有的余量，选择最大整流电流和最高反向工作电压分别为：
（1）
式中为所有负载的等效电阻。在实际的产品中，三相整流桥是一个3端输入2端输出的模块。
1.2 滤波电路
经整流后的信号会带有较大的毛刺峰值等高频干扰，这就要求对整流电路的输出进行滤波处理，R1、R2、C1、C2组成滤波器，滤波效果的好坏取决于滤波电容放电时间的长短，电容越大，负载电阻越大，滤波后输出电压越平滑。其中C1和C2是耐高压大容量的电解电容，对经过整流器的电源进行滤波。R1、R2是大功率高阻值的均压电阻，R1和R2、C1和C2分别取相同的值，目的是在两个电容上获得相等的电压降。选取整流电路的输出电压平均值电容，
（2）
式中：为输入整流电路的交流电。
为电网电压的周期。
在实际电路中，应选择滤波电容的容量满足的条件，电容的耐压值应大于。当滤波电容的电压升高到设定峰值时，通过能耗电阻R1和R2放电，因为滤波电容C也要通过能耗电阻R1和R2放电，所以要以电容器C设定的最高电压计算能耗电阻值R如下：
(3)
式中： 一—PMSM的额定转速，r/min；
一—过载倍数；
一—PMSM的额定相电流；
该系统在testa和testb两个测试点上测试电压，一方面监视母线直流电压的值，另一方面可以监视电容的好坏。电容的损坏从电容量发生变化时开始，当两电容中的任何一个容量发生变化时，testb点电压开始偏离中点的位置，此时停机更换电容可以避免更大事故的发生。和构成滤波电容保护电路。如果没有该电路，滤波电容的使用寿命大大缩短，在主电路上电的瞬间，充电的浪涌电流很大。保护电路可以很好解决这一问题，这上电的瞬间，是断开的，电容通过串接在主电路的电阻限流充电，经过一段时间后，继电器闭合，被旁路。该电路设计的核心问题是时间的选取， 过小，保护电路不起作用，过大，上消耗过多的功率且的安装和成本都要增加，在一般情况下的取值在0.1s这个量级，即完成了保护又不使的功率过大。由于主电路和控制电路可能单独供电，因此采用CPU控制继电器延时的方法不可取，继电器的控制常常采用时间继电器或者非程序控制的电子电路完成。这种控制方式不依赖于控制板，实现了对滤波电容快速可靠的保护。
1.3 逆变电路
逆变桥是主电路的核心部分，也是交流伺服最为重要的部分，该部分电路在逆变脉冲信号（PWM1～PWM6）控制下完成对交流电机的驱动。电路的设计中，功率电子开关的选择很重要，IGBT由于输入阻抗高、开关损耗小、饱和压降低、通断速度快、热稳定性能好，耐高压且承受大电流、驱动电路简单而得到广泛的应用。IGBT的耐压和电流容量以及开关过程中引起的发热损耗都是要认真考虑的。IGBT的电压额定，直流母线电压可作为开关元件电压的计算依据，但还要考虑电网电压波动，过电压等因素的影响。由此得到选取的依据，IGBT集电极的电压为：
(4)
式中：一为交流电网电压的波动系数，一般情况下=1.1；一过电压保护程度，一般=1.15；一考虑制动运行时，电容电压的升高一般取=1.20；一安全系数，=1.2；所选元件的标称电压稍大于或等于上式的计算值即可。当器件的交流输入电压在180V— 220V，考虑器件的耐压值应达到600V。IGBT的电流额定为：
(5)
式中：一过载倍数；
功率管在内部集成一个用于吸收尖峰脉冲的超快速恢复二极管（早期的功率管需要在外部电路上反向并联一个超快速恢复二极管），如图中的1D1～1D6。为了避免同一桥臂的两个功率管错误开通，常采用两种方法：在软件上加上死区控制；在硬件上、下桥臂互锁。在中小功率的伺服系统中，逆变桥及其驱动保护电路被集成在一块模块中。在该系统的驱动模块中，为了解决高端的三个开关管都必须有各自的独立驱动电源而带来的电路的体积及复杂性大大增加的问题，设计中采用自举电容来为高端开关管的驱动电路供电，这样可以只用一个独立电源驱动电路供电，从而使电路体积和复杂性大大减少。自举电容的选取必须达到这样的要求：它既要提供足够的电荷，又要保持足够的电压，否则的话，会不稳定，从而导致MOSFET欠压关断。自举电容的计算公式如下：
（6）
式中： 为功率MOSFET的门极电荷；为高边驱动静态电流的最大值；为驱动芯片的电平移位电流；为MOSFET的G-S漏电流；为电容本身的漏电流（只有在这个电容是电解电容时，才要考虑这一点），一般可选取.设计中是确定的， 取10V的量级 ,假定 ,这样就可以计算出自举电容的最小值。在实际使用时，为了防止过冲，过冲可能会损坏驱动芯片，电容还是应该足够大的，所以一般在上面的计算值上乘上因数15，这样可以进一步减小电压的波动。
R4、D7和C3组成了交流伺服的吸收电路，用于吸收功率管换向时产生的电压尖峰，吸收电路有多种形式，参数的大小和实际的负载以及容量都有关系，本文在调试中得出以下结论是：吸收电路不能有太长的连线，而且与功率管的距离越近越好；吸收电路中的电容电感量越小越好，最好是无感电容；吸收电路中二极管的选择要选超快恢复二极管。
1.4 刹车电路
T7、R3和1D7组成刹车电路，当电机需要快速停止时，存储在储能元件内的能量必须快速放掉，刹车电路就完成这一功能。R3是大功率小阻值电阻，功率取值一般为200W－500W。T7为大功率MOS管，T7的控制有两种常用的方法：软件控制和硬件控制。软件控制方法很简单，由CPU决定何时启动刹车。在交流伺服系统中采用硬件控制的更为
常见，一般使用主电路的欠压保护信号控制刹车。
2 仿真结果
针对设计的功率主回路搭建了基于FPGA的交流伺服系统的仿真模型，设定电机参数：额定功率为500、额定转速为、额定转矩为、额定电流为、定子电阻为、定子电感为、转动惯量为、电势常数为、转矩常数为、机械时间常数为、电气时间常数为、极对数为。PI参数如下：速度环。在转速是3000转/分时，为了能看清相电压和线电压，这时把仿真时间范围设定为0到0.05秒。
电机转速 电机三相电流
电机相电压 电机相电压
电机相电压 电机线电压
图2. 转速、电流和电压响应曲线
给出了在3000rpm，在0 .04秒加载2Nm负载情况下电机的转速以及电流波形。电机转速曲线响应速度快、超调小、振荡次数少以及静态偏差小；加载以前，三相定子电流小，加载以后，定子电流是相位互差的正弦波；
3 结论
本文设计了基于FPGA的交流伺服系统的功率主回路，对电路中的元件参数给出了详细的的计算方法，并进行了选值。在设计的过程中充分考虑了系统故障、电路保护、减少损耗等各方面的因素。把所设计的主回路结合整个交流伺服系统进行了仿真。仿真结果给出了该主回路下系统的速度输出和电流输出，通过仿真结果可以看出该功率主回路的设计是可行的，整个基于FPGA的交流伺服系统具有良好的性能。
参考文献：
[1]华成英、童诗白. 模拟电子技术基础（第四版）[M] 北京：高等教育出版社,2006,522-526.
[2]王兆安、黄 俊.电力电子技术[M] 北京：机械工业出版社,2004,60-61.
[3]刘敬猛. 网络化交流伺服系统研究[D] 北京：北京航空航天大学,2004.
[4]Ostlund,S．Brokenper,M．“Sensorless rotor-position detection from zero to rated speed for an integrated PM synchronous motor drive” IEEE Trans, Ind.,Appl.,Vol. 32 no5,pp.1158-1165, Sep./Oct1996．
[5] 许 强. 交流伺服系统主电路参数的研究[J] 伺服控制,2005 （11）：40-42。
作者简介：
刘丙友（1980--），男，硕士研究生，讲师，主要研究方向：电力电子技术及现代电力传动控制。
凌有铸（1962--），男，教授，硕士生导师，多年来一直从事工业控制、电气传动控制等研究。
杨会成，（1970--），副教授。主要从事数字信号处理、数字通信等的研究和教学工作。
基金项目：安徽省高等学校优秀青年人才基金资助项目(2009SQRZ092)
国家自然科学基金资助项目(60574028)
作者联系方式：刘丙友（1980年10月），男，硕士研究生，安徽工程科技学院讲师。 99lby@sohu.com" 99lby@sohu.com
联系地址：安徽省芜湖市安徽工程科技学院电气工程系 刘丙友（收） 邮编：241000
电话：05532871262
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