《基于TMS320D28377F伺服驱动系统调试》有奖问答-- 第四期/共四期

第四篇 伺服驱动系统中的保护策略

伺服驱动系统中，完善的保护策略可以避免电机因为过载、过压、欠压、过流、过热、堵转、缺相等原因造成的系统异常、板卡损坏，是伺服驱动系统设计的重点。一般而言，电压、电流的异常会导致如下结果：

● 母线电压欠压，可能使伺服电机无法工作在额定工况下;

● 母线电压过压，可能超过功率开关、驱动器硬件的耐压而损坏器件;

● 驱动电流过流，可能使伺服电机发生过热而损坏电机，或损毁驱动器硬件。

因此电流、电压的保护策略是所有保护策略中最基本、最重要的。

伺服驱动系统的保护策略可以划分为软件保护和硬件保护。软件保护具有保护条件可调节、人性化特点。硬件保护不依赖于软件工作流程，完全依赖硬件执行保护动作，具有更好的时效性。

软件保护的主要工作是及时切断PWM驱动信号的输出。TMS320F28377D的ePWM模块有数字比较子模块和高级的Trip-zone功能，可以实现软件保护策略的实时快速保护，在电流、电压保护中使用最能体现它的优点。

TMS320F2377D的比较器子系统(CMPSS)和SDFM比较单元的输出可以作为信号源，输出至Trip-zone触发PWM强制事件。通过ePWM X-BAR连接到ePWM的数字比较子模块，其原理如图1所示：

图1

使用ADC采集电流信息时，可以使用TMS320F28377D的比较器子系统(CMPSS)作为Trip-zone的信号源。每个比较子系统模块包含两个模拟比较器、两个12位可编程的DAC，比较器的负输入可由外部信号或者内部DAC驱动。输出端CTRIPxH、CTRIPxL连接至ePWMX-BAR，CTRIPOUTxH、CTRIPOUTxL连接至OUTPUT X-BAR。其输入输出关系如图2所示：

图2 比较器输入输出关系图

使用CMPSS模块进行软件保护的实现如下：

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采集电流信息时，可以使用TMS320F28377D的SD!FM模块内部的比较单元作为Trip-zone的信号源，其内部原理框图如图3所示：

图3 SDFM内部原理框图

前文中提到TMS320F28377D具有ADC模块和SDFM模块，可用于电流信息采集亦可用于电压信息采集。当用于电压信息采集时，对母线电压进行电阻分压。例如，使用SDFM模块配合TI带有隔离功能、专门针对电阻采样优化的AMC1305进行电压采样，如图4所示。同样，CMPSS或者SDFM的比较单元亦可以用作电压的软件保护。

图4 AMC1305电压采样原理框图

伺服系统中驱动的设计通常有两种，一种是分立功率器件与驱动芯片组合，另一种是使用智能功率模块(IPM)。我们的项目使用智能功率模块作为电机驱动器件。IPM将功率开关器件和驱动芯片集成在一起，包括一个外部控制信号(Itrip)，用于外部切断驱动芯片对功率开关器件的操作。这个功能非常适合进行功率驱动的硬件保护。

如图5所示为电流的硬件保护策略。当Ifb-U或Ifb-V高于TrpRef时，Trp输出高信号触发IPM的Itrip，IPM主动关闭所有功率器件完成保护动作。

图5 硬件过流保护原理

上图中：

● Ifb-U和Ifb-V：线电流信号

● TrpRef：电流硬件保护阈值

● Trp：过流信号(IPM中Itrip的驱动信号)

● TrpN：主控制器的硬件保护触发信号

综上所述，通过软、硬件保护策略配合的方式，采用更加全面的保护策略，使伺服驱动系统具有更好的可调节、时效性，使整个伺服系统运行更稳定、更安全。