第四篇 伺服驅動系統(tǒng)中的保護策略

伺服驅動系統(tǒng)中，完善的保護策略可以避免電機因為過載、過壓、欠壓、過流、過熱、堵轉、缺相等原因造成的系統(tǒng)異常、板卡損壞，是伺服驅動系統(tǒng)設計的重點。一般而言，電壓、電流的異常會導致如下結果：

● 母線電壓欠壓，可能使伺服電機無法工作在額定工況下;

● 母線電壓過壓，可能超過功率開關、驅動器硬件的耐壓而損壞器件;

● 驅動電流過流，可能使伺服電機發(fā)生過熱而損壞電機，或損毀驅動器硬件。

因此電流、電壓的保護策略是所有保護策略中最基本、最重要的。

伺服驅動系統(tǒng)的保護策略可以劃分為軟件保護和硬件保護。軟件保護具有保護條件可調節(jié)、人性化特點。硬件保護不依賴于軟件工作流程，完全依賴硬件執(zhí)行保護動作，具有更好的時效性。

軟件保護的主要工作是及時切斷PWM驅動信號的輸出。TMS320F28377D的ePWM模塊有數(shù)字比較子模塊和高級的Trip-zone功能，可以實現(xiàn)軟件保護策略的實時快速保護，在電流、電壓保護中使用最能體現(xiàn)它的優(yōu)點。

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源，輸出至Trip-zone觸發(fā)PWM強制事件。通過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，可以使用TMS320F28377D的比較器子系統(tǒng)(CMPSS)作為Trip-zone的信號源。每個比較子系統(tǒng)模塊包含兩個模擬比較器、兩個12位可編程的DAC，比較器的負輸入可由外部信號或者內部DAC驅動。輸出端CTRIPxH、CTRIPxL連接至ePWMX-BAR，CTRIPOUTxH、CTRIPOUTxL連接至OUTPUT X-BAR。其輸入輸出關系如圖2所示：

圖2 比較器輸入輸出關系圖

使用CMPSS模塊進行軟件保護的實現(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，可以使用TMS320F28377D的SD!FM模塊內部的比較單元作為Trip-zone的信號源，其內部原理框圖如圖3所示：

圖3 SDFM內部原理框圖

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。當用于電壓信息采集時，對母線電壓進行電阻分壓。例如，使用SDFM模塊配合TI帶有隔離功能、專門針對電阻采樣優(yōu)化的AMC1305進行電壓采樣，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。

圖4 AMC1305電壓采樣原理框圖

伺服系統(tǒng)中驅動的設計通常有兩種，一種是分立功率器件與驅動芯片組合，另一種是使用智能功率模塊(IPM)。我們的項目使用智能功率模塊作為電機驅動器件。IPM將功率開關器件和驅動芯片集成在一起，包括一個外部控制信號(Itrip)，用于外部切斷驅動芯片對功率開關器件的操作。這個功能非常適合進行功率驅動的硬件保護。

如圖5所示為電流的硬件保護策略。當Ifb-U或Ifb-V高于TrpRef時，Trp輸出高信號觸發(fā)IPM的Itrip，IPM主動關閉所有功率器件完成保護動作。

圖5 硬件過流保護原理

上圖中：

● Ifb-U和Ifb-V：線電流信號

● TrpRef：電流硬件保護閾值

● Trp：過流信號(IPM中Itrip的驅動信號)

● TrpN：主控制器的硬件保護觸發(fā)信號

綜上所述，通過軟、硬件保護策略配合的方式，采用更加全面的保護策略，使伺服驅動系統(tǒng)具有更好的可調節(jié)、時效性，使整個伺服系統(tǒng)運行更穩(wěn)定、更安全。