第四篇 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的保護(hù)策略

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，完善的保護(hù)策略可以避免電機(jī)因?yàn)檫^(guò)載、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱、堵轉(zhuǎn)、缺相等原因造成的系統(tǒng)異常、板卡損壞，是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。一般而言，電壓、電流的異常會(huì)導(dǎo)致如下結(jié)果：

● 母線電壓欠壓，可能使伺服電機(jī)無(wú)法工作在額定工況下;

● 母線電壓過(guò)壓，可能超過(guò)功率開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)器硬件的耐壓而損壞器件;

● 驅(qū)動(dòng)電流過(guò)流，可能使伺服電機(jī)發(fā)生過(guò)熱而損壞電機(jī)，或損毀驅(qū)動(dòng)器硬件。

因此電流、電壓的保護(hù)策略是所有保護(hù)策略中最基本、最重要的。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的保護(hù)策略可以劃分為軟件保護(hù)和硬件保護(hù)。軟件保護(hù)具有保護(hù)條件可調(diào)節(jié)、人性化特點(diǎn)。硬件保護(hù)不依賴(lài)于軟件工作流程，完全依賴(lài)硬件執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作，具有更好的時(shí)效性。

軟件保護(hù)的主要工作是及時(shí)切斷PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出。TMS320F28377D的ePWM模塊有數(shù)字比較子模塊和高級(jí)的Trip-zone功能，可以實(shí)現(xiàn)軟件保護(hù)策略的實(shí)時(shí)快速保護(hù)，在電流、電壓保護(hù)中使用最能體現(xiàn)它的優(yōu)點(diǎn)。

TMS320F2377D的比較器子系統(tǒng)(CMPSS)和SDFM比較單元的輸出可以作為信號(hào)源，輸出至Trip-zone觸發(fā)PWM強(qiáng)制事件。通過(guò)ePWM X-BAR連接到ePWM的數(shù)字比較子模塊，其原理如圖1所示：

圖1

使用ADC采集電流信息時(shí)，可以使用TMS320F28377D的比較器子系統(tǒng)(CMPSS)作為T(mén)rip-zone的信號(hào)源。每個(gè)比較子系統(tǒng)模塊包含兩個(gè)模擬比較器、兩個(gè)12位可編程的DAC，比較器的負(fù)輸入可由外部信號(hào)或者內(nèi)部DAC驅(qū)動(dòng)。輸出端CTRIPxH、CTRIPxL連接至ePWMX-BAR，CTRIPOUTxH、CTRIPOUTxL連接至OUTPUT X-BAR。其輸入輸出關(guān)系如圖2所示：

圖2 比較器輸入輸出關(guān)系圖

使用CMPSS模塊進(jìn)行軟件保護(hù)的實(shí)現(xiàn)如下：

loat curLimit = 8.0;

// Current phase U(ADC A2, COMP1) and W(ADC A3, COMP2)

//High Low Compare event trips

SHUNT_curHi = BASE_CMPSS_DAC + SHUNT(curLimit);

SHUNT_curLo = BASE_CMPSS_DAC - SHUNT(curLimit);

//Enable CMPSS1 - LEM U

cmpssConfig(&Cmpss1Regs, SHUNT_curHi, SHUNT_curLo);

//Enable CMPSS3 - LEM W

cmpssConfig(&Cmpss2Regs, SHUNT_curHi, SHUNT_curLo);

// Configure TRIP4 to OR the High & Low trips from both comparator 1&2

// Clear everything first

EPwmXbarRegs.TRIP4MUX0TO15CFG.all = 0x0000;

EPwmXbarRegs.TRIP4MUX16TO31CFG.all = 0x0000;

// Enable Muxes for ored input of CMPSS1H and 1L

EPwmXbarRegs.TRIP4MUX0TO15CFG.bit.MUX0 = 1; //cmpss1 - tripH or tripL

EPwmXbarRegs.TRIP4MUX0TO15CFG.bit.MUX2 = 1; //cmpss2 - tripH or tripL

// Disable all the muxes first

EPwmXbarRegs.TRIP4MUXENABLE.all = 0x0000;

// Enable Mux 0 OR Mux 2 to generate TRIP4

EPwmXbarRegs.TRIP4MUXENABLE.bit.MUX0 = 1;

EPwmXbarRegs.TRIP4MUXENABLE.bit.MUX2 = 1;

//Trip 4 is the input to the DCAHCOMPSEL

EPwm1Regs.DCTRIPSEL.bit.DCAHCOMPSEL = 3;

EPwm1Regs.TZDCSEL.bit.DCAEVT1 = TZ_DCAH_HI;

//DCAEVT1 Source Signal Select

EPwm1Regs.DCACTL.bit.EVT1SRCSEL = DC_EVT1;

EPwm1Regs.DCACTL.bit.EVT1FRCSYNCSEL = DC_EVT_ASYNC;

// 1/0 - Enable/Disable One Shot Mode

EPwm1Regs.TZSEL.bit.DCAEVT1 = 1;

// What do we want the TZ events to do?

EPwm1Regs.TZCTL.bit.TZA = TZ_FORCE_LO; // EPWMxA will go low

EPwm1Regs.TZCTL.bit.TZB = TZ_FORCE_LO; // EPWMxB will go low

使用SDFM采集電流信息時(shí)，可以使用TMS320F28377D的SD!FM模塊內(nèi)部的比較單元作為T(mén)rip-zone的信號(hào)源，其內(nèi)部原理框圖如圖3所示：

圖3 SDFM內(nèi)部原理框圖

前文中提到TMS320F28377D具有ADC模塊和SDFM模塊，可用于電流信息采集亦可用于電壓信息采集。當(dāng)用于電壓信息采集時(shí)，對(duì)母線電壓進(jìn)行電阻分壓。例如，使用SDFM模塊配合TI帶有隔離功能、專(zhuān)門(mén)針對(duì)電阻采樣優(yōu)化的AMC1305進(jìn)行電壓采樣，如圖4所示。同樣，CMPSS或者SDFM的比較單元亦可以用作電壓的軟件保護(hù)。

圖4 AMC1305電壓采樣原理框圖

伺服系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)通常有兩種，一種是分立功率器件與驅(qū)動(dòng)芯片組合，另一種是使用智能功率模塊(IPM)。我們的項(xiàng)目使用智能功率模塊作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件。IPM將功率開(kāi)關(guān)器件和驅(qū)動(dòng)芯片集成在一起，包括一個(gè)外部控制信號(hào)(Itrip)，用于外部切斷驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的操作。這個(gè)功能非常適合進(jìn)行功率驅(qū)動(dòng)的硬件保護(hù)。

如圖5所示為電流的硬件保護(hù)策略。當(dāng)Ifb-U或Ifb-V高于TrpRef時(shí)，Trp輸出高信號(hào)觸發(fā)IPM的Itrip，IPM主動(dòng)關(guān)閉所有功率器件完成保護(hù)動(dòng)作。

圖5 硬件過(guò)流保護(hù)原理

上圖中：

● Ifb-U和Ifb-V：線電流信號(hào)

● TrpRef：電流硬件保護(hù)閾值

● Trp：過(guò)流信號(hào)(IPM中Itrip的驅(qū)動(dòng)信號(hào))

● TrpN：主控制器的硬件保護(hù)觸發(fā)信號(hào)

綜上所述，通過(guò)軟、硬件保護(hù)策略配合的方式，采用更加全面的保護(hù)策略，使伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有更好的可調(diào)節(jié)、時(shí)效性，使整個(gè)伺服系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定、更安全。