PWM在直流伺服系统中的应用研究

0 引言

    伺服系统是自动控制领域一种重要的控制系统，随着科学技术的发展，伺服系统在现代工业、军事等领域发挥着日益重要的作用。伺服系统可以分为液压伺服系统、交流伺服系统、直流伺服系统等。液压伺服系统技术成熟，但存在漏油、易污染、难维护等缺点交流伺服系统性能虽已接近直流系统，但构成复杂，成本较高；PWM直流伺服系统则具有效率高、响应快、噪声小、调速范围宽等显著优点。随着电磁兼容技术的不断发展和解决，PWM直流伺服系统在工程中得到越来越多的重视和应用，本文提出并研究了一种基于直流PWM的速度伺服控制系统。

1 系统组成

    1.1 PWM系统工作

    PWM放大器的波形图如图1所示。若控制信号UC=0，则比较器的输入为UT，UT为正负等宽的三角波。在这种情况下，比较器的输出UV也是正、负幅值相等且宽度也相等的矩形脉冲。图1(a)给出了UC=0信号各处信号的波形，这时由于直流分量为零，电机不转，只是在交流分量下微振。若控制信号UC>0，则各处信号波形如图1(b)所示。在这种情况下，UV的正脉冲变宽、负脉冲变窄，电枢两端电压的直流分量为正，电机沿正方向旋转。UC越大，电机沿正方向转得越快。若控制信号UC<0，则各处信号波形如图1(c)所示。在这种情况下，UV，的正脉冲变窄、负脉冲变宽，电枢两端电压的直流分量为负，电机沿反方向旋转。UC越大，电机沿反方向转得越快。通过以上的分析可以得出：伺服电机在PWM放大器驱动下的转速的大小和方向，取决于控制信号UC的大小和极性。这就是PWM电路的工作原理。

图1 PWM放大器的波形图

    1.2 系统总体设计

    PWM直流伺服系统硬件原理框图如图2所示。PWM直流伺服系统由PWM直流驱动器和直流稀土永磁电机组成。永磁电机是伺服系统的执行机构。PWM直流驱动器由电流环、速度环组成，速度环为外环，用以增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动，电流环为内环，能够提高系统的快速性，使系统在允许的条件下快速启动，抑制电流环内部干扰，限制最大电流以保障系统安全运行。双闭环控制的特点是电机的转速和电流分别由两个独立的调节器分别控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电机电枢的电流。根据系统对各个控制环的要求，对速度和电流环组成的双闭环系统采用PI控制。

图2 系统硬件原理框图

2 系统硬件设计

    2.1 功率逆变电路

图3 功率逆变电路

    功率逆变电路为单相桥式逆变电路，采用IGBT作为功率开关，由四只IGBT组成逆变桥，每制IGBT内置续流二极管。四IGBT之中，功率管VT1、VT4和功率管VT2、VT3交替工作，呈互补状态，即VT1、VT4导通时，VT2、VT3关断，即VT2、VT3导通时，VT1、VT4关断。为避免同一桥臂直通损坏IGBT，在关断和导通之间加入时间死区。

    2.2 脉宽调制电路

    脉宽调制电路原理图如图4所示。

图4 脉宽调制电路原理图

    这里仅以上下同一桥臂为例说明其工作原理：三角波US为载波信号，误差信号UE为经过速度调节器调节后的速度主令信号，载波信号US和误差信号UE同时送电压比较器N1进行比较，从而将直流速度主令信号变换为脉宽信号。图中光藕用于将模拟电路和逻辑数字电路隔离，并将比较器输出双极性脉冲信号调整为0～5V单极性脉冲信号，图中R6、C1及R7、C2为死区产生电路，配合二极管V1、V2产生时间死区。与非门D1、D2输出附带死区的脉冲信号，经三极管放大后送IGBT的驱动电路。

    2.3 驱动电路

    驱动电路是主电路与控制电路之间的接口，驱动电路需具备两个功能：一是实现控制电路与被驱动IGBT栅极的电隔离；二是提供合适的栅极驱动脉冲。采用性能良好的驱动电路可使电力电子器件工作在比较理想的状态，同时可缩短关断时间，减少开关损耗，这对电源的运行效率、可靠性和安全都具有重要的意义。本设计采用ExB841高速型驱动模块构成IGBT的驱动电路。EXB841内部集成光电耦合器，可实现输入控制脉冲和驱动电源的隔离，同时具有短路保护及软关断的功能，EXB841需要外部提供+20V的单电源。

    由驱动电路为IGBT提供+15V的正向偏置电压与-5V的反向偏置电压，当发生短路过流时，含有IGBT过流信息的Vce经快速恢复二极管VD1，通过比较器输出接至EXB841的集电极电压监视脚6，其目的是为了消除VD1正向压降随电流不同而异，采用阈值比较器，提高电流检测的准确性。如果发生过流，驱动器EXB841内部的低速切断电路慢速关断IGBT，以避免集电极电流尖峰脉冲损坏IGBT器件。

    2.4 保护电路

    在PWM速度伺服系统中，保护电路是十分重要的，保护电路的目的是对电机电枢电压，母线电压、电流等进行监测，在发生过压、过流、欠压等故障时，及时切断PWM输出，确保IGBT功率管及时关断，不被损坏。

    过流是引起功率驱动器被烧毁和损坏的主要原因之一。保护电路通过电流传感器检测电枢电流，通过比较器和给定安全工作电流进行比较，当电机过流时，比较器翻转，通过RS触发器给出过流信号，封锁脉宽电路的与非门，从而关断功率逆变电路的输入脉宽信号，避免了因电流过大造成的IGBT损坏。

    过压保护电路工作原理和过流保护电路相同，通过电压传感器获取母线电压，实现了控制信号弱电和母线电压强电的有效隔离，提高了系统工作的可靠性。

    2.5 泵升抑制电路

    电机快速制动时，机械能将通过电机转换为电能，并通过逆变电路回馈到电源母线。如果这些能量不能及时消耗，将使母线滤波电容的电压大幅升高，击穿IGBT。这种危害随电机转速变化量和转动惯量越大越严重。用加大滤波电容的方法来吸收能量会使系统的体积和重量增大，而且不能适应负载惯量变化的要求，必须根据伺服系统的特点设计可靠的过电压吸收电路，对电机快速制动时产生的电能进行有效释放，此即泵升抑制电路。

    泵升抑制电路原理图见图5。当电机制动时，产生过电压，比较器同相端电压大于反相端电压时，比较器输出高电平电压，通过驱动电路使IGBT导通，回馈能量通过功率电阻R3耗散。

图5 泵升抑制电路

3 开关频率的选择

    开关频率的选择对PWM系统至关重要，因为伺服放大器的延迟时间与开关频率成反比，开关频率的提高，能减小失控时间，使放大器的响应时间变快，从而改善系统的动态性能，减小电枢电流脉动，提高系统的低速平稳性。由于IGBT的开关速度非常快，因此可将系统的开关频率设定较高。但是，随着开关频率的提高，IGBT的动态损耗也将增大，使传输效率变差。

    系统开关频率的选择要考虑以下因素：

    (1)开关频率，应足够高，使电机电抗大于电枢电阻，以减小电枢电流脉动。

    (2)开关频率应比伺服系统本身的通频带fc高得多，一般取f>10fc，这时可忽略开关频率对系统的影响。此外，伍应高于系统中所有回路的谐振频率，防止共振的发生。

    (3)在开关电路中，为防止IGBT在开关瞬间直通，应该有延迟时间的设置，这限制了开关频率厂的提高。

    综合以上因素，将系统的开关频率设定为10k。

4 系统动态设计

    直流PWM伺服系统动态结构图如图6所示，其中各变量定义为：

    ASR：速度调节器；

    ACR：电流调节器；

    Ua*：速度主令；

    Ui*：电流主令；

    Ton：速度滤波时间常数；

    Toi：电流滤波时间常数；

    Ks：功率电路放大倍数；

    R：电枢回路电阻；

    Ti：电气时间常数；

    Tm：机械时间常数；

    Ce：电机反电势系数；

    α：转速反馈系数；

    β：电流反馈系数；

图6 系统动态结构图

    系统采用转速电流双闭环控制，由于来自电流检测单元的反馈信号中含有交流分量，需要加低通滤波器，Toi为电流滤波时间常数。滤波环节可以消除电流反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈环节带来延迟，为了平衡这一延迟作用，在给定信号前向通道中也加入一个时间常数与之相同的惯性环节，称为“给定滤波环节”。从而使给定信号和反馈信号经过相同的延迟，使二者在时间上得到恰当的匹配。由于速度反馈信号由测速电机获取，其输出速度反馈信号含有电动机的换向纹波，也需经过滤波，同电流环，在转速给定的前向通道中也引入时间常数为Ton的给定滤波环节。

    由于在实际系统中电枢回路的电磁时间常数T1，远小于系统的机电时间常数，在电流调节器的快速调节中，可认为反电势E基本不变，如此在设计电流环时可断开反电势的交叉反馈。再将反馈滤波和给定滤波两个环节移至环内，并将各环节惯性时间常数合并，则TΣi=Toi+Ts，其中Ts为PWM放大器的开关周期，如此电流环简化结构图如图7所示。

图7 电流坏简化动态结构图

    按照I型系统设计电流环，采用PI调节器，其传递函数为：

图8 电流环动态校正结构图

5 试验及应用

    5.1 实验条件

    根据系统实际应用中的负载和应用情况，搭建系统试验台架：采用功率为2kW的72V直流开关电源作为系统母线动力电源，采用直流28V开关电源作为系统控制电源，经DC/DC模块转换产生控制所需的±15V、+5V等系统控制所需的二次电源，根据系统实际应用中的传动链和减速，设计相应的惯性轮负载，模拟系统的负载，对系统进行试验。

    5.2 试验结果及应用情况

    通过在台架上的试验，测得系统在带载情况下的速度阶跃响应曲线如图9所示。从图中可以看出，系统上升时间约为0.1s，超调较小，在0.3s以内速度已基本达到稳定。在电机从0rpm到额定5500rpm的转速旋转时，电机转速误差小于±1％。系统具有很好的低速性能，最低平稳速度可达1rpm。

图9 转速响应曲线

    在将该系统作为速度环和电流环应用到某转台系统中时，系统工作可靠、性能优良，配合位置环，可实现精确的位置伺服跟踪控制。

6 结论

    本文提出了一种基于PWM的直流伺服控制系统的硬件设计方案，并在系统组成、系统总体设计、系统硬件设计、开关频率选择、电流环动态设计等方面作了详尽论述。该系统原理简单，实现方便，工作安全可靠。通过仿真及试验表明，该系统具有较好动静态性能，可广泛应用工业领域的速度伺服控制之中。