EnglishРабота выполнялась по заказу одной известной тайваньской компании в 2019-2020г. НПФ «ВЕКТОР» разработала аппаратную и программную часть инвертора (сервоусилителя) для электродвигателя мощностью 400Вт и номинальным напряжением 220В (310В на шине постоянного тока).
Отличительной особенностью является использование GaN-транзисторов, допускающих высокую частоту ШИМ (сотни кГц), что позволяет существенно поднять полосу пропускания по току и скорости привода. Также сервоусилитель был интегрирован в единую сборку с электродвигателем заказчика для получения компактной конструкции с минимумом кабелей и EtherCAT интерфейсом управления.
Стадии разработки сервоусилителя
Разработанный инвертор (сервоусилитель) в сборе с серводвигателем
Технические параметры инвертора и двигателя
- Интегрированный с двигателем трёхфазный инвертор
- Мощность 400Вт
- Ток 2.5А номинальный / 10А максимальный
- Ключи на базе нитрида галлия Texas Instruments LMG341xR150 600-V, 150-mΩ, GaN
- Напряжение питания инвертора 310В пост. тока
- Микроконтроллер Texas Instruments TMS320F28377D
- Датчики тока: шунтовые в фазах, обработка sigma-delta модуляторами AMC1306
- Двигатель с постоянными магнитами, ЭДС синусоидальная
- Частота вращения двигателя 6000 об/мин
- Датчик положения абсолютный TAMAGAWA SSI 23 бит
- Момент инерции двигателя 0.05 г*м2
- Размер инвертора 60х90х90 мм
- Размер двигателя 60х60х90 мм
- Размер радиатора привода 250 x 250 мм (эквивалент площади корпуса станка)
- Интерфейсы связи: EtherCAT, USB, CAN
- Приборное питание инвертора 24В
- Реализация драйвера EtherCAT на чипе Microchip LAN9252 с частотой цикла до 8кГц
- Дискретные входы/выходы для концевых выключателей и тормоза
- Ближайший аналог YASKAWA SGD7S-2R8A00A SGM7J-04A7A2C (не интегрированный инвертор)
Особенности системы управления
- Частота расчёта контура тока до 160кГц – такие возможности дают GaN ключи инвертора. Для расчёта контуров тока используется сопроцессор CLA. Используется двойная загрузка уставок сравнения на частоте ШИМ.
- Частота расчёта контура скорости 58кГц – ограничена частотой обратной связи энкодера.
- Для высоких полос пропускания по контуру скорости требуется бороться с механическими резонансами – делать полосовые фильтры (notch).
- Микроконтроллер TMS320F28377D двухъядерный – на одном ядре реализована система управления, на втором драйвер EtherCAT.
- Для уменьшения времени позиционирования (Settling time) применялся планировщик движения с предуправлением (feedforward)
Подробнее о разработке смотрите в докладе и презентации PDF
Сравнения нашего привода с YASKAWA
|
Привод |
SGM7J-04A7A2C |
Наш привод |
|
Датчик положения |
YASKAWA 24 bit |
TAMAGAWA 23 bit |
|
Время разгона, мс от -3000 до +3000 об/мин |
8.27 |
6.57 |
|
Перерегулирование (%) |
1.03 |
2.5 – без фильтрации скорости 0.1 – с фильтрацией скорости |
|
Время установления контура положения на холостом ходу (окно 20 угловых секунд, ms) |
8.78 – regular control 4.1 – model predictive control |
4.9 – regular control 0.75 – with acceleration feedforward and fine tuning |
|
Полоса пропускания контура тока |
— |
12 кГц (50кГц ШИМ, 64 OSR SDFM) 17 кГц (100кГц ШИМ, 32 OSR SDFM) |
|
Полоса пропускания контура скорости |
3.1 кГц полоса пропускания из рекламного буклета
Опытные данные: Время регулирования 800мкс Полоса пропускания не более 1кГц |
3.13 кГц исходя из АЧХ в замкнутом режиме 224 мкс время регулирования Примечание: наиболее агрессивное усиление ПИ, большое перерегулирование, дрожание положения +-5 инкрементов (для 23-битного датчика положения) |
|
2 кГц исходя из АЧХ в замкнутом режиме 300мкс мкс время регулирования Примечание: низкие коэффициенты усиления ПИ, дрожание положения +-2 приращения (для 23-битного датчика положения) |
Для заказчиков: по контракту с тайваньской компанией мы полноправно разделяем все интеллектуальные права на данную работу, поэтому мы можем адаптировать или продать разработку заинтересованным российским компаниям, либо произвести опытную серию образцов. Серийно данные инверторы нами не выпускаются.