全电动注塑机交流伺服驱动器的设计
作者：罗达智
来源：《电子世界》2013年第09期
【摘要】结合全电动注塑机的特点，介绍了一种基于DSP 的全电动注塑机交流伺服驱动器的控制原理、硬件组成和软件设计。控制电路采用DSP+FPGA，功率电路采用智能功率模块（IPM ）+开关电源的设计方案，同时采用独立的主电源模块，实现多个功率电路共用母线电压，具有紧凑的系统结构。实验结果表明该伺服驱动器设计的有效性和可靠性，能够较好地满足对全电动注塑机控制精度和稳定性的要求。
【关键词】全电动注塑机交流伺服驱动器；TMS320F2812；智能功率模块；矢量控制；开关电源
1.引言
传统液压型注塑机存在功耗大、噪音大、污染较大及控制精度不够精确等问题，开发节能环保、高速高效、低噪声以及高度自动化的全电动注塑机成为注塑行业的趋势和热点。
全电动注塑机的性能在很大程度上依赖于其运动控制系统的精密性和稳定性，因此好的动态响应性、大扭矩输出、高精度闭环控制、良好的制动性能等是设计控制系统方案时需要考虑的因素。全电动注塑机是高端注塑机绿色技术的代表，目前已被广泛应用于精密光学、生物医药、汽车电子、精密齿轮、数码电子、食品包装和微型连接器等中高端注塑行业中[1]。
永磁同步电动机（PMSM ）具有动态响应性好、输出扭矩大、闭环控制精度高、制动性能好等性能特点[2]，能够很好地满足全电动注塑机的性能需求。为此，全电动注塑机的注射、锁模、计量和顶针部分的驱动控制通常都采用了交流伺服驱动器。
本文介绍基于DSP 的全电动注塑机交流伺服驱动器的控制原理、硬件组成和软件设计，并给出了实验结果。
2.全电动注塑机伺服驱动器的应用结构
全电动注塑机伺服电动控制系统主要是在注塑机的注射、锁模、计量和顶针等四个单元采用交流伺服驱动器控制[3]，其结构如图1所示。
各个驱动单元通过串行数据方式将位置信号反馈到注塑机控制系统，同时通过模拟量输出接口将转矩和速度信息反馈到注塑机控制系统；注塑机控制系统根据驱动单元的反馈信息和注塑工艺的需求，进行位置和压力控制得到速度和转矩指令，通过模拟量输出接口输出到具体的驱动单元，驱动单元将按照给定指令实现电机的实时控制。同时各个驱动单元还将电源和驱动单元故障信息反馈给注塑机系统，实现系统的可靠控制。
3.永磁同步电机的控制原理
永磁同步电机是一个多变量、强耦合、非线性的系统，为了对其进行深入了解，需要引入坐标变换[4]，通过永磁同步电机的数学模型经过坐标变换，我们可以得到以下在坐标系的数学模型：
定子电压方程为：
（1）
定子磁链方程为：
（2）
电磁转矩表达式改写为：
（3）
式中、为坐标系下的两相电压；、为坐标系下的两相电流；、为坐标系下的定子磁链；为电磁转矩；为定子电阻；、为两相定子电感；为两相电流、合成的电流矢量；为两相电流、合成的电流矢量；为电流矢量与轴的夹角；为永磁体的磁链；为电机磁极对数。
永磁同步电机矢量控制方案如图2所示，速度指令与实际速度的偏差经过速度调节器产生相应的轴电流给定，电机相电流经坐标变换后转换到坐标系上，坐标系上的给定电流和实际电流分别进行电流调节器的结果经过PARK 逆变换后得到相应的参考电压，再通过SVPWM 调制产生PWM 信号驱动智能功率模块（IPM ），从而控制电机的转矩、速度。位置检测采用17位绝对式编码器，根据位置变化算出电机的实际速度。
4.伺服控制器的硬件系统实现
硬件电路主要包括主电源电路、控制板电路和功率板电路三部分，主电源主要提供稳定的直流母线电压，控制板电路主要包括DSP 和FPGA ，功率板电路主要包括IPM 和开关电源，其原理框图见图3。
4.1 主电源电路硬件设计
主电源单元的输入电源分为控制电源和功率电源，控制电源使用220V ，功率电源使用380V 。主电源电路在自检正常后，由注塑机系统控制380V 输入功率电源的断开和吸合。输入功率电源经整流滤波后得到直流母线电压，直流母线电压作为后级各个功率电路的母线电压输入。主电源的报警检测电路对输入功率电源进行欠压、过压和缺相实时检测，同时对直流母线
全电动注塑机交流伺服驱动器的设计
作者：罗达智
来源：《电子世界》2013年第09期
【摘要】结合全电动注塑机的特点，介绍了一种基于DSP 的全电动注塑机交流伺服驱动器的控制原理、硬件组成和软件设计。控制电路采用DSP+FPGA，功率电路采用智能功率模块（IPM ）+开关电源的设计方案，同时采用独立的主电源模块，实现多个功率电路共用母线电压，具有紧凑的系统结构。实验结果表明该伺服驱动器设计的有效性和可靠性，能够较好地满足对全电动注塑机控制精度和稳定性的要求。
【关键词】全电动注塑机交流伺服驱动器；TMS320F2812；智能功率模块；矢量控制；开关电源
1.引言
传统液压型注塑机存在功耗大、噪音大、污染较大及控制精度不够精确等问题，开发节能环保、高速高效、低噪声以及高度自动化的全电动注塑机成为注塑行业的趋势和热点。
全电动注塑机的性能在很大程度上依赖于其运动控制系统的精密性和稳定性，因此好的动态响应性、大扭矩输出、高精度闭环控制、良好的制动性能等是设计控制系统方案时需要考虑的因素。全电动注塑机是高端注塑机绿色技术的代表，目前已被广泛应用于精密光学、生物医药、汽车电子、精密齿轮、数码电子、食品包装和微型连接器等中高端注塑行业中[1]。
永磁同步电动机（PMSM ）具有动态响应性好、输出扭矩大、闭环控制精度高、制动性能好等性能特点[2]，能够很好地满足全电动注塑机的性能需求。为此，全电动注塑机的注射、锁模、计量和顶针部分的驱动控制通常都采用了交流伺服驱动器。
本文介绍基于DSP 的全电动注塑机交流伺服驱动器的控制原理、硬件组成和软件设计，并给出了实验结果。
2.全电动注塑机伺服驱动器的应用结构
全电动注塑机伺服电动控制系统主要是在注塑机的注射、锁模、计量和顶针等四个单元采用交流伺服驱动器控制[3]，其结构如图1所示。
各个驱动单元通过串行数据方式将位置信号反馈到注塑机控制系统，同时通过模拟量输出接口将转矩和速度信息反馈到注塑机控制系统；注塑机控制系统根据驱动单元的反馈信息和注塑工艺的需求，进行位置和压力控制得到速度和转矩指令，通过模拟量输出接口输出到具体的驱动单元，驱动单元将按照给定指令实现电机的实时控制。同时各个驱动单元还将电源和驱动单元故障信息反馈给注塑机系统，实现系统的可靠控制。
3.永磁同步电机的控制原理
永磁同步电机是一个多变量、强耦合、非线性的系统，为了对其进行深入了解，需要引入坐标变换[4]，通过永磁同步电机的数学模型经过坐标变换，我们可以得到以下在坐标系的数学模型：
定子电压方程为：
（1）
定子磁链方程为：
（2）
电磁转矩表达式改写为：
（3）
式中、为坐标系下的两相电压；、为坐标系下的两相电流；、为坐标系下的定子磁链；为电磁转矩；为定子电阻；、为两相定子电感；为两相电流、合成的电流矢量；为两相电流、合成的电流矢量；为电流矢量与轴的夹角；为永磁体的磁链；为电机磁极对数。
永磁同步电机矢量控制方案如图2所示，速度指令与实际速度的偏差经过速度调节器产生相应的轴电流给定，电机相电流经坐标变换后转换到坐标系上，坐标系上的给定电流和实际电流分别进行电流调节器的结果经过PARK 逆变换后得到相应的参考电压，再通过SVPWM 调制产生PWM 信号驱动智能功率模块（IPM ），从而控制电机的转矩、速度。位置检测采用17位绝对式编码器，根据位置变化算出电机的实际速度。
4.伺服控制器的硬件系统实现
硬件电路主要包括主电源电路、控制板电路和功率板电路三部分，主电源主要提供稳定的直流母线电压，控制板电路主要包括DSP 和FPGA ，功率板电路主要包括IPM 和开关电源，其原理框图见图3。
4.1 主电源电路硬件设计
主电源单元的输入电源分为控制电源和功率电源，控制电源使用220V ，功率电源使用380V 。主电源电路在自检正常后，由注塑机系统控制380V 输入功率电源的断开和吸合。输入功率电源经整流滤波后得到直流母线电压，直流母线电压作为后级各个功率电路的母线电压输入。主电源的报警检测电路对输入功率电源进行欠压、过压和缺相实时检测，同时对直流母线