摘要：根据数控机床对直接驱动直线电机的要求，介绍了一种以DSt为控制器和智能功率模块驱动的直线电动机全数字交流伺服系统。详细说明了驱动器的硬件结构、控制电路、功率逆变器电路，阐述了电动机控制策略，分析了电流中断子程序、初始定位中断子程序和回零中断子程序的流程。由于系统硬件精简，大部分功能都通过软件实现，因而具有充分的柔性。
关键词：直线伺服系统；数字信号处理器；智能功率模块；交流伺服系统；软件设计
0 引 言
永磁同步直线电动机伺服系统因为高推力和高响应的优点越来越成为现代高速加工中心的****。全数字直线伺服系统各个控制回路均由数字电路组成，使控制系统软件化，进一步提高了系统性能。本文采用TMS320LF2407和智能功率模块(IPM，Intelligent Power Module)，设计了全数字直线伺服系统，硬件结构简单，具有强大运算功能的DsP使得伺服控制可以采用现代控制策略，系统趋于多功能化和智能化。
1数字伺服系统硬件结构
永磁同步直线电动机控制系统硬件主要包括电动机、主电路和控制系统三部分，如图1所示。
主电路部分主要包括整流环节、滤波环节、逆变器及相应的保护电路等。控制系统硬件包括DsP、驱动电路、检测电路和保护电路等。
TMS320F2407通过三相电流采样电路获得所需的电流信号，从传感器获得所需的位置信号，再通过与上位Pc机的通信获得给 获得要输出的PWM信号，6路PWM输出信号经高速光耦隔离后，由智能功率模块(IPM)控制永磁同步直线电动机。
1．1电流采样
电流采样采用莱姆公司的LTS6一NP电流传感器。信号处理电路由信号的放大和电压偏置电路组成。因为本系统DSP中A／D模块的参考电压设定为0 V～3．3 V，而采样信号为近似正弦的交流信号，故需把采样信号变换到一1．6 V～+1．6 V之间，然后偏置到O V～3．3 V之间。
TMS320LF2407的10位模数转换模块(AD(：)带内置的采样保持器(s／H)，有多达16个模拟输入通道。由于采样系统输出的范围是O V～3．3 V，ADc模拟输入参考电压的低电压输入端接地，高电压输入端接3．3 V，转换分辨率为3．3／1024 V。
l_2位置与速度检测
本系统所采用的位置传感器为光栅尺，其输出用来检测位移和计算速度，它的精度直接影响了直线电动机的定位精度和速度闭环的精度，应该选择高性能的器件。设计中选择了FAGOR公司的增量式光栅尺，精度为lO Ixm，输出正交的A、B相和****零位相z。结合TMS320F2407的正交编码脉冲(QEP)单元，A、B两路脉冲可直接作为TMS320F2407的CAPl／QEPl和cAP2／QEP2引脚的输入。QEP单元中的方向检测逻辑首先判断两路脉冲前沿到达的先后顺序，进而决定计数器的计数方向，实现鉴相，即得到直线电动机的运动方向；计数器在两路脉冲的上升沿和下降沿均触发计数，从而实现4倍频的效果。z相脉冲输入到TMS3201~2407的CAP3引脚，计算运行的次数和作为定位的参考点。
1．3功率驱动与保护
采用第三代电力电子器件——智能功率模块作为本系统的功率开关器件。IPM选用富士6MBP50RAl20型，耐压为1 200 V，允许通过的额定电流为50 A，****开关频率为20 kHz。它将控制电路和直交转换电路集成为一体，主要器件采用[GBT，具有开关频率高，开关损耗和正向损耗都较小的特点。片内集成了相关的辅助电路(包括驱动电路，过流、短路、欠压和过热检测电路)，大大减少了系统的元件数，简化设计，并使系统的体积尽可能小，同时提高系统的可靠性。
为了防止IPM的工作状态变化对DsP核心电路的干扰，[PM控制端与DS／I的控制信号之间用高速光耦进行隔离，并用电容对信号进行滤波和去耦。
IPM内置过流(0C)、短路(sc)、欠压(uV)及过热(OH)等故障监测保护电路，当出现任一故障时，IPM会及时封锁基极驱动信号并送出一个故障报警信号。该信号送到DSI：。的中断引脚，DSP在检测到该信号后，可以施行进一步的保护动作以确保IPM自身不受损坏。其硬件中断实现电路如图2所示。
1．4串行通信
为了实现上位Pc机对整个控制系统的监控，利用串行通信专用芯片MAX232N和集成于DsP内部的scI控制器，实现了Pc机与DSt间基于RS一232串行接口总线的数据通信。
2系统软件
设计系统软件既要实现控制系统所需要的功能，又要满足控制的实时性，为此，必须合理安排各个功能模块，使软件简练紧凑，尽量减少控制延时。
控制软件包括初始化程序、主程序、中断服务子程序和串行通信子程序等，中断服务子程序又包括初始定位中断子程序、电流中断子程序、速度和位置中断子程序、回零中断子程序、定时中断子程序、外部保护中断子程序等。系统在复位后，首先执行初始化程序，实现对DSP’内部各功能模块工作模式的设定和初始状态的检测；在完成上述工作后，执行主程序，开启中断，进入保护处理程序，然后当中断条件满足时，系统执行中断服务子程序。电动机的主要控制策略由电流中断子程序来实现，而初始定位中断子程序和回零中断子程序是直线电动机控制特有的程序。
2．1初始定位
中断子程序初始定位中断子程序只执行一次。其工作原理是控制A相绕组流过直流，，B和c两相绕组流过直流(一O．5I)，如果期望的电气角度为零，则动子停在A相绕组的轴线与磁场d轴基本重合的位置，从而确定初始位置的电气角。通过初始定位中断子程序可以省略旋转电动机控制中的u、定的位置、转速和运行方式，经过一系列的变换、比较与运算， V、w绕组及其接线，既简化了动子结构，降低了成本，又增加了控制系统的稳定性。
2．2电流中断子程序
永磁同步直线电动机的解耦控制就是消除或减少励磁电流(id)和推力电流(iq)之间的耦合作用，达到分别调节ud和uq来实现对id和iq的控制。电流中断服务程序每40 μs执行一次，在d—g坐标上采用解耦控制方法，代表推力的电流指令iq由外部给定，励磁电流给定iq=O。测量直线电动机两相电流，并经过坐标变换得到实际电流“和iq。电流调节器的输出经电枢反应和反电势的补偿后得到ud和uq，再经空间电压矢量调制输出PwM信号驱动逆变器，实现id和iq之间的解耦。
其程序结构如图3所示。
2．3回零中断子程序
回零中断子程序又分为故障回零中断子程序和正常回零中断子程序。当动子由于故障或突然掉电后，动子从停止点回到固定零点的过程称为故障回零。每一次操作完成后，为了保证下次正常工作，动子回到固定起始点的过程称为正常回零。
3结语
本系统以DSt为核心，保证了控制策略的快速实现，以智能功率模块IPM为驱动，缩小了系统体积，增加了可靠性。直线电动机的初始定位、故障回零和正常回零都通过软件实现，不增加硬件开支，使系统具有充分的“柔性”，这对伺服系统的升级，适应生产需要，在市场竞争中占据优势具有十分重要的意义。
参考文献[1] 叶云岳直线驱动装置与系统[M] 北京：冶金工业出版社．2000[2]林健，左健民，汪木兰．直线电动机应用于高速加工的关键技术[J]．现代制造工程，2007，(4)：114—118．[3] 何苏勤．TMS320C2000系列DsP原理及实用技术[M]．北京：电子工业出版社，2003[4]汪木兰，顾绳谷．SPIC在雷达伺服系统中的应用研究[J]．电力电子技术，2001，35(3)：3-5[5]刘坤，左健民，汪木兰．高速机床中直线进给系统控制策略综述[J]组合机床与自动化加工技术，2007，(4)：1_6作者简介：林健(1971一)，男，讲师，研究方向为数控技术和伺服申．动机系统等。
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