前言

随着工业自动化程度的提高，伺服电机的驱动组件已被越来越多地应用于各行各业。从安全、可靠、稳定的角度出发，介绍了安全集成伺服电机驱动器。论文从设计原理、硬件实现和软件设计进行了论述；通过对试验结果的分析，提出了切实可行的方案。

1  安全集成伺服电机驱动模块概述

安全集成伺服电机驱动器是一种集伺服电机驱动与安全控制于一体的模组。该模块在保证高精度、高性能的前提下，具有安全保护和故障诊断的能力，能够有效地提高系统的安全可靠性。该系统可用于自动生产线、机器人、CNC机床等。

2  安全集成伺服电机驱动模块设计

2.1  PMSM 驱动器硬件构成

在此基础上，提出了基于永磁同步电机的伺服驱动器的设计方案。设计了控制器模块、变换器模块、传感器接口模块。每个模块的主要作用是：

（1）电源模块通过稳压、补偿外界输入的电力，为逆变器提供稳定的母线供电。

(2)一外部信号输入界面，其接收一数字式 PWM信号和一模拟电压信号，它是一种伺服命令，还包含一外部限制开关，启动，安全输入等。

(3) 总线接口模块，用来构建物理层的硬件模块，与外设总线进行通讯。

(4) 控制器部分，其功能是对外部设备接口的信号进行采集和处理；闭环控制算法的运算，以及变换器模块的切换。

(5)转换器模块，将控制模组的切换讯号转换成电机控制所需要的动力讯号；

(6)传感器接口，用于为驱动及控制程序提供每一相位的电流电压传感器，电机编码器，负载编码器；汇流排电压和电流感应电路。

2. 2  PMSM 驱动器软件功能

针对永磁同步电动机的特点，提出了基于永磁同步电动机的驱动控制算法的设计方法。该系统的软件设计以三环控制器为核心，完成了三环控制器的设计，其中包含了指令输入、采集、通讯处理和反馈传感信号的处理；三回路的控制算法及安全防护.

该系统由指令处理函数、反馈处理函数、三环控制函数三个部分组成。指令处理模块主要是将脉冲、模拟、通讯等外部指令信号经信号调理后，转换成具有真实物理单元的控制命令。尤其是在对模拟信号进行处理的过程中，需要对其进行漂移补偿和滤波以消除干扰。反馈处理部分完成了电流、速度、位置等信号的采集与处理，并将其转化为闭环控制的电流、速度、位置等信息。该三环控制功能模块按照不同的驱动方式、指令和反馈信号，完成闭环控制。

三环控制系统的基本结构是： PI+前馈+命令滤波器。该方法利用 PI实现了无静差的控制，前馈回路改善了系统的动态响应，并利用命令滤波器消除了外界的噪声。但是，受电机反向电动势冲击、摩擦不均匀或质心偏移引起的力矩扰动、负载机械结构谐振等因素的影响，常规三环控制器难以实现多参数扰动下的高性能伺服电机控制。在此基础上，提出了三环控制系统加减速规划、摩擦补偿和振动抑制等多个功能模块，以提升其在复杂环境下的应用能力。

3  安全集成伺服电机驱动模块的安全性能分析

在复杂多变的工业环境下，执行器内部部件的随机故障、电路连接失效、负载失效等可能造成执行器闭环控制失效，从而引发安全事故。

3.1 失效模式

伺服驱动器的主要任务就是按照外界的指令和传感器的反馈，实现对伺服电动机和负荷的闭环控制。参加闭环操作，反馈，操作；若其中的任一部分发生故障，如负荷故障，将使闭环系统无法正常工作，并引起电动机和负荷的失控。

在此基础上，结合伺服驱动器的硬件结构和模块划分，从实现伺服驱动器闭环控制函数的角度，对各个组件的故障成因和对系统的作用进行了分析，从而确定了驱动器的故障模式。在各个模块中，通过外部信号输入、总线接口等方式为闭环控制提供必要的命令信息；该传感器模块为闭环控制提供电流，速度，位置等反馈信息，实现对系统的实时控制。

控制器模块按照控制命令及反馈信息，对控制算法进行计算，并将闭环计算的结果输出给控制器。该逆变器模块将闭环控制结果转换成对伺服马达进行控制的电源。闭环控制以伺服电机和负载为终极目标，按照指令完成相应的动作。供电模块为闭环控制操作提供了基本的供电状态。

3.2 安全运行区间设计

从理论上讲，冗余的硬件电路可以有效地解决故障带来的危害，但是也会增加成本和占用空间。因此，研究具有较高诊断覆盖率的安全诊断技术是一种有效的手段。

高效的指令输入，准确的传感器反馈，适当的控制器参数；闭环系统在满足工作要求的情况下，其负荷状况才能满足要求。在此基础上，利用 FOC控制理论，监测系统的主要内部参量，设定各参量的安全工作区间，当各参量超出安全范围时，立即启动应急保护。

3.2.1 外部接口信号合理性监测

在此基础上，设计了基于信号逻辑与信号物理的分析方法。外部脉冲信号一般是具有90度相位差的两个差分正交脉冲信号，用作驱动位置图形命令的输入。其中，脉冲数代表了系统的位置增量，而脉冲频率代表了系统的速度，而双通道脉冲的领先-滞后关系则反映了系统的位置增量。外部的类比电压，一般被用来控制驱动器的转矩和转速，并以相应的单位电压的扭矩或转速为增益。因此，这两种类型的信号必须具备以下特性：（1）其差分输入信号具有逻辑上的反向关系。(2)所产生的脉冲频率比驱动电路的硬件所能达到的最高取样频率要低。(3)两个正交脉冲的相位差要达到90度。(4) 所述模拟讯号的输入电压幅度必须处于所述驱动装置硬件所能探测的范围之内（一般是±10伏）。另外，由脉冲频率 f、模拟电压幅度 A表示的命令转速和命令扭矩都要比电动机的最大值小。

3.2.2电源状态参数监测

该模块实现了对母线电压、控制电压、母线电流等运行状况的监测与诊断。为了确保电动机能正常输出，汇流排电压 Vdc必须比电动机所要求的转速高。汇流排电压不能超过马达或其他动力装置所能承受的最高电压，不然会造成马达或动力装置的损坏。控制电压 Vctr是给芯片供电的一个工作电压，它应当按照集成电路的要求来限制电源的起伏，通常在5%以内。母线电流 Ibus是按照电源装置的通断情况来反映每一相的电流值，而电动机的感性负荷特点决定了母线上的电流不会超过每一相的最大值。

3.2.3逆变器及电机状态参数监测

在此基础上，提出了基于三相电流、温度传感器状态、功率管切换状态的方法，实现了对逆变器及电动机状态的监控与诊断。逆变电源的功率元件主要是由温度引起的，温度升高会使漏电源的最大电流 Ids减小，而当实际流过的电流超出 Ids时，可能会造成功率元件的损坏。由电力装置资料说明书，可求出 F （T）与温度的关系式。利用此方程，可以求出电动机最大电流下的工作温度阈值。

3.2.4 闭环状态监测

在闭环控制中，通过对指令状态及反馈状态的监控，对电机的电流、速度、位置等参数与指令的偏离程度进行诊断。每一种方式下的指令反馈都会出现较大的偏差，这主要是由于控制器的参数设置不合理，驱动器输出容量不足，负载结构卡死等。在实际应用中，转矩闭环偏差 Etor，转速闭环偏差 Evel，位置闭环偏差 Epos，以及在实际偏差超过给定值时，闭环品质不再符合系统要求。

结论

本文针对安全集成伺服电机驱动模块设计进行了深入分析。经过软硬件设计，并对其安全性进行了分析与试验，结果表明，本系统的安全性、可靠性都很高。在此基础上，通过本项目的研究，提出一种新型的、具有自主知识产权的新型伺服电机驱动模块。

参考文献

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