2 系统结构

图1 系统主电路
1. 主电路
   系统主电路采用常见的交-直-交电压型PWM逆变器结构形式，见图1。功率开关采用三菱公司的IPM(intelligentl power module)智能功率模块。该功率模块将驱动、短路、过热及欠压保护等集成为一体，简化了控制电路。IPM的驱动信号为PWM制信号，由电流滞环比较器产生，经死区延时后驱动IPM动作。母线中串联电抗器L使直流母线电压平稳；为了实现快速制动，设置了相应的脉冲电阻制动电路。当母线电压高于650V时，功率开关管Tz闭合，系统将机械能消耗在电阻Rz上，实现能耗制动。
2. 控制系统
   控制系统采用双CPU结构。以Intel公司的16位单片机80C196KC/20M作为主CPU，与可编程外围器件ZPSD411A2构成基本系统，主要承担电动机转速计算、速度及位置PID调节、矢量变换计算等任务。从CPU为89C51，主要实现面板监控管理工作，完成LED数码管及指示灯的显示以及键盘输入处理功能。双CPU之间通过扩展一片8251进行串行通信，通信接口采用RS232标准，保证一定范围内(50m)的远程监控。速度及位置检测电路、数字及脉冲量输入电路以及逻辑译码电路和功率模块的死区补偿电路均采用大规模逻辑门阵集成电路，提高了系统的可靠性。其控制电源采用抗干扰性能良好的开关电源，保证结构和性能的优化。
3. 接口电路
   为了使系统调试方便且能与不同厂家生产的CNC系统接口信号相容，还设计了多种形式的接口电路，主要有：键盘输入；±10V模拟量输入；12位数字量输入；脉冲量输入等多种速度输入方式，以尽可能地满足用户的不同需求。另外为了便于与CNC通信，还设计了多个电平握手信号，如零速到达、定位完成、系统故障等以及继电器输出电路。
4. 检测电路
   检测环节主要有以下两部分。

   1. 电流检测 由于数控机床要求较宽的调速范围，电动机运行速度要求从几十转至几万转。因此，输出电流的频率变化范围较大，一般的电流互感器不能满足要求。另外为了获得系统快速的电流跟踪性能，采用磁平衡式霍尔电流互感器对输出电流进行检测。霍尔电流互感器的测量精度和线性度较高，频带宽，响应时间短。由于三相绕组采用Y型接法，故有i_a+i_b+i_c=O，只须检测任意两相电流便可知道三相电流值，将三相检测的实际电流与其对应相的给定电流通过滞环比较器后驱动IPM功率开关管动作，实现三相电压PWM调制。
   2. 转速及位置检测 由于数控机床要求转速控制精度较高，为此系统采用速度闭环控制策略。本系统采用1024高分辨率的光电脉冲编码器来实时检测反馈速度，为了提高速度控制精度，将光电脉冲编码器信号经过整形及4倍频处理后进入CPU计算速度处理。给定速度与反馈速度的误差通过PI调节器调节转矩电流值来实现速度闭环控制。由于电动机旋转一周对应1024个脉冲数，因而可以通过记录光电编码器的脉冲数来获得电动机转子的位置，实现定位控制。
5. 保护功能
   为使系统能够安全可靠工作，采用了过流、短路、直流过压、欠压、交流欠压、缺相、器件过热、上电及断电等多级保护，并有故障代码显示及记忆功能。
   过流保护不仅利用IPM 智能模块本身所具有的短路过流保护功能，而且在硬件上增设一级过流保护，起到双重保护的作用。

3 控制策略

4 结束语