一种智能化大功率交流伺服驱动系统及伺服驱动控制方法与流程

本发明属于伺服电机驱动技术领域，尤其涉及一种智能化大功率交流伺服驱动系统及伺服驱动控制方法。

背景技术：

交流伺服电机(一般在指稀土永磁同步电机)具有体积小、重量轻、效率高、功率密度高等特点，并且与感应式交流电机相比，交流伺服电机的工作电压可以相对较低。基于这些特性，交流伺服电机获得了越来越广阔的应用，交流伺服电机是与交流伺服驱动器一起工作的，一般把交流伺服电机和交流伺服驱动器合在一起称为交流伺服系统。近年来人们正探索在一些大型工程机械上使用交流伺服系统，以提高工程机械的性能，满足特殊的工程需求。这些工程机械包括大型的挖掘机、盾构机、挖泥船等。这些大型工程机械的应用环境的一个特点是空间狭小，一般使用自配电站的电源，这就要求电机和驱动器的功率密度要大，体积相对要小。大型工程机械应用环境的另外一个特点是负载状况复杂，并且变化大，这使电机经常在过载状况下工作而容易导致退磁，而且由于一般交流伺服电机的特点，负载的剧烈变化，还有可能引发混沌震荡。所有这些，对应用于大型工程机械的交流伺服系统提出了一些特殊的要求，要求能够根据运行中的实时参数，对负载情况以及伺服系统和伺服系统所驱动的工程机械的总体健康状况做出及时的判断，以保证工程机械自身的安全可靠，以及工程作业的顺利进行。这样的工作，交流伺服驱动器内置的微处理器的计算能力是难以胜任的，需要上级的中心控制器的参与，最佳的方案是由交流伺服驱动器内置的微处理器完成对实时运行数据的初步处理，再将处理过的输出数据传送到中心控制器，由中心控制器完成进一步的处理和分析判断。目前普通的交流伺服系统尚不能满足这些要求。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

本发明涉及一种智能化大功率交流伺服驱动系统及伺服驱动控制方法，特别是一种适用于工程机械的，能够适应复杂负载环境的大功率交流伺服驱动系统及伺服驱动控制方法。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种智能化大功率交流伺服驱动系统，包括控制器，所述控制器通过以太网接口模块与上级的中心控制器通讯，所述控制器通过biss总线模块与交流伺服电机轴上装有的旋转变压器轴角信号解算装置连接，所述控制器通过功放驱动电路模块来驱动大功率交流伺服电机，且所述控制器通过lem霍尔传感器对交流伺服电机输入电流进行采样和转换。

进一步的，所述控制器的型号为stm32h750芯片。

进一步的，所述功放驱动电路模块包括三相逆变器并采用三片ir2110芯片用做功放驱动电路，将微处理器stm32h750输出的6路svpwm信号放大后用于驱动三相逆变器中的6只igbt开关管。

进一步的，所述biss总线模块包括cpld芯片，所述cpld芯片通过spi的通信方式与控制器连接，且所述cpld芯片通过i/o的方式与rs422总线驱动芯片max488连接，通过max488芯片与交流伺服电机轴上的旋转变压器轴角信号解算装置连接。

一种智能化大功率交流伺服驱动控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一：对交流伺服系统的输出电流ia、ib进行检测，并通过旋转变换得到交轴电流iq和直轴电流id；以交流伺服电机的转角反馈值为旋转变换角度，所述电机转角反馈值以及电机速度反馈值获得方法为：在交流伺服电机轴上安装有磁阻式旋转变压器以及与其集成在一起的轴角信号解算装置，轴角信号解算装置通过鉴幅的方式将旋转变压器输出的电机转角位置和速度信号解算出来，并将其转换成biss总线数据，并传输到伺服驱动器，伺服驱动器通过biss总线接口，得到电机的转角反馈值和速度反馈值

步骤二：将转角位置给定信号θ^*减去转角反馈值得到位置跟随误差，此位置跟随误差经过比例和前馈的复合控制运算，得到速度给定信号ω^*；

步骤三：以速度给定信号ω^*减去所述速度反馈值得到速度误差，所述速度误差经过抗积分饱和的比例积分调节运算得到交轴电流给定信号这一抗积分饱和的比例积分运算称为速度控制器运算；

步骤四：将交轴电流给定信号与所述交轴电流iq进行比较，得到交轴电流误差，所述交轴电流误差经过抗积分饱和的比例积分运算，并将这一结果减去直轴的反电势信号，最终得到交轴电压uq；

步骤五：设定直轴电流给定信号为0，将该直轴电流给定信号与前述直轴电流id进行比较，得到直轴电流误差，此直轴电流误差经过抗积分饱和比例积分运算，并将这一结果加上交轴的反电势信号，最终得到直轴电压ud；

步骤六：以电机转角反馈值为旋转角度，对前述交轴电压uq和直轴电压ud进行逆旋转变换，得到正交的两相交流电压参考信号uα、uβ，再对交流电压参考信号uα、uβ进行空间矢量脉宽调制，得到的脉宽调制信号用于控制逆变器，驱动交流伺服电机。

进一步的，所述步骤一中，还将交轴电流反馈信号iq以及速度反馈信号所按照滚动覆盖的方式存储，每0.5秒覆盖一次，每次都形成了0.5秒的时间段上的iq数据队列和数据队列，分别是：iq＝{iq(0),iq(1),iq(2)…iq(l-1)}和利用离线计算好并存于伺服驱动器的微处理器中的二维数组{a[k,p]＝cos(2πpk/l)，k＝0,1,2…l-1，p＝0,1,2…l/2-1}和{b[k,p]＝sin(2πpk/l)，k＝0,1,2…l-1p＝0,1,2…l/2-1}，做如下dft变换：

计算出的频域数据{fiq(p)p＝0,1,2…l/2-1}和每0.5秒一次，通过以太网总线输送到中心控制器，供中心控制器对该大功率交流伺服系统及所驱动工程机械的运行状况和健康状况做出判断。

(三)有益效果

本发明提出了一种智能化大功率交流伺服驱动系统及伺服驱动控制方法，采用交流伺服驱动器内置的微处理器完成对实时运行数据的初步处理，再将处理过的输出数据传送到中心控制器，由中心控制器根据运行中的实时参数，对负载情况以及伺服系统和伺服系统所驱动的工程机械的总体健康状况做出及时的判断，以保证工程机械自身的安全可靠，以及工程作业的顺利进行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明交流伺服驱动系统的控制原理框图；

图2是本发明交流伺服驱动系统的电路结构框图；

图3是本发明交流伺服驱动系统的运行参数的在线dft变换的原理框图；

图4是本发明交流伺服驱动系统的实时控制流程框图；

图5是本发明交流伺服驱动系统电路具体连接图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种智能化大功率交流伺服驱动器采用stm32h750芯片为其内置的控制器，实现对交流伺服电机的位置、速度、交轴电流、直轴电流的控制，以两只lem霍尔传感器检测电流，利用stm32h750的高速a/d通道完成对电机电路信号的采样和转换。交流伺服电机轴上装有磁阻式旋转变压器和轴角信号解算装置，通过biss总线接口输出电机的位置和速度信号，在交流伺服驱动器上也有biss总线接口，用于接收电机的位置和速度反馈信号，交流伺服电机上的biss总线接口由一片可编程逻辑芯片(cpld)来实现的，该cpld芯片的型号是xc95288xl，通过vhdl编程实现biss总线的协议栈，并固化到该cpld芯片中，该芯片通过spi的通信方式与stm32h750微处理器连接，biss总线的物理层与rs422总线协议兼容，所以cpld芯片通过i/o的方式与rs422总线驱动芯片max488连接，通过max488芯片驱动交流伺服电机轴上的旋转变压器轴角信号解算装置连接。交流伺服驱动器通过以太网与上级的中心控制器通讯，交流伺服驱动器采用w5500芯片用做以太网接口，w5500通过spi的通信方式与stm32h750微处理器连接。交流伺服驱动器采用三相逆变器驱动大功率交流伺服电机，采用三片ir2110芯片用做功放驱动电路，将微处理器stm32h750输出的6路svpwm信号放大后用于驱动三相逆变器中的6只igbt开关管。

一种智能化大功率交流伺服驱动控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一：对交流伺服系统的输出电流ia、ib进行检测，并通过旋转变换得到交轴电流iq和直轴电流id；以交流伺服电机的转角反馈值为旋转变换角度，所述电机转角反馈值以及电机速度反馈值获得方法为：在交流伺服电机轴上安装有磁阻式旋转变压器以及与其集成在一起的轴角信号解算装置，轴角信号解算装置通过鉴幅的方式将旋转变压器输出的电机转角位置和速度信号解算出来，并将其转换成biss总线数据，并传输到伺服驱动器，伺服驱动器通过biss总线接口，得到电机的转角反馈值和速度反馈值

步骤二：将转角位置给定信号θ^*减去转角反馈值得到位置跟随误差，此位置跟随误差经过比例和前馈的复合控制运算，得到速度给定信号ω^*；

步骤三：以速度给定信号ω^*减去所述速度反馈值得到速度误差，所述速度误差经过抗积分饱和的比例积分调节运算得到交轴电流给定信号这一抗积分饱和的比例积分运算称为速度控制器运算；

步骤四：将交轴电流给定信号与所述交轴电流iq进行比较，得到交轴电流误差，所述交轴电流误差经过抗积分饱和的比例积分运算，并将这一结果减去直轴的反电势信号，最终得到交轴电压uq；

步骤五：设定直轴电流给定信号为0，将该直轴电流给定信号与前述直轴电流id进行比较，得到直轴电流误差，此直轴电流误差经过抗积分饱和比例积分运算，并将这一结果加上交轴的反电势信号，最终得到直轴电压ud；

步骤六：以电机转角反馈值为旋转角度，对前述交轴电压uq和直轴电压ud进行逆旋转变换，得到正交的两相交流电压参考信号uα、uβ，再对交流电压参考信号uα、uβ进行空间矢量脉宽调制，得到的脉宽调制信号用于控制逆变器，驱动交流伺服电机。

所述步骤一中，还将交轴电流反馈信号iq以及速度反馈限信号所按照滚动覆盖的方式存储，每0.5秒覆盖一次，每次都形成了0.5秒的时间段上的iq数据队列和数据队列，分别是：iq＝{iq(0),iq(1),iq(2)…iq(l-1)}和利用离线计算好并存于伺服驱动器的微处理器中的二维数组{a[k,p]＝cos(2πpk/l)，k＝0,1,2…l-1，p＝0,1,2…l/2-1}和{b[k,p]＝sin(2πpk/l)，k＝0,1,2…l-1p＝0,1,2…l/2-1}，做如下dft变换：

计算出的频域数据{fiq(p)p＝0,1,2…l/2-1}和每0.5秒一次，通过以太网总线输送到中心控制器，供中心控制器对该大功率交流伺服系统及所驱动工程机械的运行状况和健康状况做出判断。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：

1.一种智能化大功率交流伺服驱动系统，其特征在于：包括控制器，所述控制器通过以太网接口模块与上级的中心控制器通讯，所述控制器通过biss总线模块与交流伺服电机轴上装有的旋转变压器轴角信号解算装置连接，所述控制器通过功放驱动电路模块来驱动大功率交流伺服电机，且所述控制器通过lem霍尔传感器对交流伺服电机输入电流进行采样和转换。

2.根据权利要求1所述的一种智能化大功率交流伺服驱动系统，其特征在于：所述控制器的型号为stm32h750芯片。

3.根据权利要求2所述的一种智能化大功率交流伺服驱动系统，其特征在于：所述功放驱动电路模块包括三相逆变器并采用三片ir2110芯片用做功放驱动电路，将微处理器stm32h750输出的6路svpwm信号放大后用于驱动三相逆变器中的6只igbt开关管。

4.根据权利要求1所述的一种智能化大功率交流伺服驱动系统，其特征在于：所述biss总线模块包括cpld芯片，所述cpld芯片通过spi的通信方式与控制器连接，且所述cpld芯片通过i/o的方式与rs422总线驱动芯片max488连接，通过max488芯片与交流伺服电机轴上的旋转变压器轴角信号解算装置连接。

5.一种智能化大功率交流伺服驱动控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一：对交流伺服系统的输出电流ia、ib进行检测，并通过旋转变换得到交轴电流iq和直轴电流id；以交流伺服电机的转角反馈值为旋转变换角度，所述电机转角反馈值以及电机速度反馈值获得方法为：在交流伺服电机轴上安装有磁阻式旋转变压器以及与其集成在一起的轴角信号解算装置，轴角信号解算电路通过鉴幅的方式将旋转变压器输出的电机转角位置和速度信号解算出来，并将其转换成biss总线数据，并传输到伺服驱动器，伺服驱动器通过biss总线接口，得到电机的转角反馈值和速度反馈值

步骤二：将转角位置给定信号θ^*减去转角反馈值得到位置跟随误差，此位置跟随误差经过比例和前馈的复合控制运算，得到速度给定信号ω^*；

步骤三：以速度给定信号ω^*减去所述速度反馈值得到速度误差，所述速度误差经过抗积分饱和的比例积分调节运算得到交轴电流给定信号这一抗积分饱和的比例积分运算称为速度控制器运算；

步骤四：将交轴电流给定信号与所述交轴电流iq进行比较，得到交轴电流误差，所述交轴电流误差经过抗积分饱和的比例积分运算，并将这一结果减去直轴的反电势信号，最终得到交轴电压uq；

步骤五：设定直轴电流给定信号为0，将该直轴电流给定信号与前述直轴电流id进行比较，得到直轴电流误差，此直轴电流误差经过抗积分饱和比例积分运算，并将这一结果加上交轴的反电势信号，最终得到直轴电压ud；

步骤六：以电机转角反馈值为旋转角度，对前述交轴电压uq和直轴电压ud进行逆旋转变换，得到正交的两相交流电压参考信号uα、uβ，再对交流电压参考信号uα、uβ进行空间矢量脉宽调制，得到的脉宽调制信号用于控制逆变器，驱动交流伺服电机。

6.根据权利要求5所述的一种智能化大功率交流伺服驱动控制方法，其特征在于：所述步骤一中，还将交轴电流反馈信号iq以及速度反馈限信号所按照滚动覆盖的方式存储，每0.5秒覆盖一次，每次都形成了0.5秒的时间段上的iq数据队列和数据队列，分别是：iq＝{iq(0),iq(1),iq(2)…iq(l-1)}和利用离线计算好并存于伺服驱动器的微处理器中的二维数组{a[k,p]＝cos(2πpk/l)，k＝0,1,2…l-1，p＝0,1,2…l/2-1}和{b[k,p]＝sin(2πpk/l)，k＝0,1,2…l-1p＝0,1,2…l/2-1}，做如下dft变换：

计算出的频域数据{fiq(p)p＝0,1,2…l2-1}和每0.5秒一次，通过以太网总线输送到中心控制器，供中心控制器对该大功率交流伺服系统及所驱动工程机械的运行状况和健康状况做出判断。

技术总结
一种智能化大功率交流伺服驱动系统及伺服驱动控制方法，包括控制器，所述控制器通过以太网接口模块与上级的中心控制器通讯，所述控制器通过BISS总线模块与交流伺服电机轴上装有的旋转变压器轴角信号解算装置连接，所述控制器通过功放驱动电路模块来驱动大功率交流伺服电机，且所述控制器通过LEM霍尔传感器对交流伺服电机输入电流进行采样和转换，采用交流伺服驱动器内置的微处理器完成对实时运行数据的初步处理，再将处理过的输出数据传送到中心控制器，由中心控制器根据运行中的实时参数，对负载情况以及伺服系统和伺服系统所驱动的工程机械的总体健康状况做出及时的判断，以保证工程机械自身的安全可靠，以及工程作业的顺利进行。

技术研发人员：李宁;王健雄;王保升
受保护的技术使用者：南京工程学院
技术研发日：2020.03.02
技术公布日：2020.06.09