伍艮常

(株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南株洲 412001)

0 引言[1-2]

過去,直流電動(dòng)機(jī)大多采用電刷和滑環(huán)組成的機(jī)械整流子進(jìn)行機(jī)械換向,而這種機(jī)械換向方式具有燥聲大、火花、無線電干擾、壽命短等缺點(diǎn)。現(xiàn)在,電子換向式直流無刷電動(dòng)機(jī)不僅克服了機(jī)械換向式的缺點(diǎn),而且既具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn),還具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。再加上近年來電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展、新材料和新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn),為直流無刷電動(dòng)機(jī)的推廣應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。直流無刷電動(dòng)機(jī)在航空航天、機(jī)器人控制、醫(yī)療器械、儀器儀表、家用電器等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

近年來,隨著 DSP芯片制造和使用技術(shù)的不斷成熟,基于 DSP的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的研究越來越被人們所重視?；?DSP的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制正逐步取代基于單片機(jī)的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制。TMS320F2812是美國(guó)德州儀器公司(TI公司)專門為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的新一代 DSP處理器。該芯片采用了高性能的 32位中央處理器、哈佛總線結(jié)構(gòu),高性能靜態(tài) CMOS技術(shù),主頻最高可達(dá) 150MHZ(時(shí)鐘周期為6.67ns);具有外部存儲(chǔ)器接口 XINTF,可擴(kuò)展多達(dá)1MB的存儲(chǔ)空間。

1 驅(qū)動(dòng)控制工作原理

1.1 系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系

圖 1是系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系框圖,執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用直流無刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)本體?？刂朴?jì)算機(jī)給驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)把控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)功率信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

圖 1 系統(tǒng)交聯(lián)框圖

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制和速度控制。數(shù)字控制是指控制系統(tǒng)只需給定目標(biāo)位置,運(yùn)行速度規(guī)劃由驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)完成;速度控制是指控制系統(tǒng)按周期規(guī)劃好運(yùn)動(dòng)速度,驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)其指定速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng),然后把位置信息反饋給控制計(jì)算機(jī)。

1.2 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理[3-4]

圖 2、3分別是驅(qū)動(dòng)控制框圖和原理圖。驅(qū)動(dòng)控制板與電機(jī)信號(hào)接口有三相功率信號(hào)接口、霍爾傳感器換向接口、編碼器角度位置反饋接口,驅(qū)動(dòng)控制板對(duì)外接口有數(shù)字通信接口、速度控制模擬輸入接口、位置反饋接口和報(bào)警檢測(cè)接口等。

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由 DSP控制子系統(tǒng)和功率放大器組成,DSP子系統(tǒng)依據(jù)位移、速度及加速度參數(shù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)控制,即實(shí)現(xiàn)數(shù)字化驅(qū)動(dòng),產(chǎn)生 PWM驅(qū)動(dòng)三相功率放大器,然后輸出 A、B、C信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn);電機(jī)內(nèi)側(cè)霍爾換向傳感器的信號(hào)決定當(dāng)前那個(gè)功率管導(dǎo)通。編碼器發(fā)出兩相相差 90°的脈沖信號(hào),通過對(duì)脈沖數(shù)計(jì)數(shù),可知電機(jī)當(dāng)前角位移,即實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通信接口或模擬信號(hào)接口與上位機(jī)通信,交互電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息和位置信息等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由 DSP控制板和功率驅(qū)動(dòng)板構(gòu)成,DSP控制板負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信、控制算法和監(jiān)控,功率驅(qū)動(dòng)板包括功率放大電路、電流檢測(cè)電路、接口電路和電源變換電路等。兩塊板連接形式如圖 4所示,采用背靠背連接,中間走兩板之間信號(hào),旁邊為固定螺絲孔,這種結(jié)構(gòu)牢靠,模塊化設(shè)計(jì)便于維修。

圖 4 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 控制板原理設(shè)計(jì)

2.2.1 控制板硬件設(shè)計(jì)

控制板的硬件原理框圖如圖 5所示,包括兩個(gè)接口,即系統(tǒng)接口和功率驅(qū)動(dòng)板接口。由于采用集成度高的器件,板上器件比較少,主要有 DSP處理器、RAM、電源模塊、信號(hào)隔離、通信電平轉(zhuǎn)換接口、模擬信號(hào)接口、IO離散量轉(zhuǎn)換接口,其中電源模塊是把 5V電源轉(zhuǎn)換成為 DSP處理器需要的 3.3V和 1.8V電源;信號(hào)隔離是指 DSP的信號(hào)電平 3.3V,而外部信號(hào)電平5V,若 5V信號(hào)直接輸入到 DSP的引腳,會(huì)燒壞 DSP處理器,因此需要在3.3V和 5V加入信號(hào)隔離器件;通信接口是提供傳輸數(shù)據(jù)接口電平;IO離散量即轉(zhuǎn)換成某軍工控制系統(tǒng)需要的信號(hào)電平。

2.2.2 核心器件介紹[5-6]

TMS320F2812是 TI公司為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制研制的

圖 5 控制板硬件原理框圖

專用控制芯片,該器件主要特點(diǎn)如下：

(1)32位定點(diǎn) CPU;

(2)150MHz時(shí)鐘頻率;

(3)128K×16位片上 FLASH存儲(chǔ)器;

(4)18K×16位單周期片內(nèi) RAM;

(5)4K×16位 BOOT ROM;

(6)兩個(gè)事件管理器(EVMA、EVMB);

(7)兩個(gè) UART接口模塊(SCIA、SCIB);

(8)CAN2.0B接口模塊;

(9)12位、16通道 A/D模塊,80ns轉(zhuǎn)換時(shí)間,0～3V模擬電壓范圍;

(10)3個(gè) 32位 CPU定時(shí)器;

(11)3個(gè)外部中斷;

(12)56個(gè)通用 I/O引腳。

事件管理器 EVM模塊主要包括：

(1)8通道 16位 PWM;

(2)死區(qū)產(chǎn)生和配置單元;

(3)正交脈沖編碼接口 QEP;

(4)3個(gè)捕獲單元,捕捉直流無刷霍爾換向信號(hào);

(5)外部可屏蔽功率或驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷。

由于該款芯片具有事件管理器,特別適合于做電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。

2.2.3 通信接口設(shè)計(jì)[7]

TMS320F2812具有雙通道串口和 CAN總線接口,在設(shè)計(jì)中利用現(xiàn)有通信接口來實(shí)現(xiàn)需要功能的開發(fā)。串口是最常用的通信方式,故系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用串行接口。

2.3 功率驅(qū)動(dòng)板原理設(shè)計(jì)[8-9]

2.3.1 功率驅(qū)動(dòng)板硬件設(shè)計(jì)

功率驅(qū)動(dòng)板的硬件原理框圖如圖 6所示,包括功率驅(qū)動(dòng)、電平轉(zhuǎn)換接口和檢測(cè)電路。功率 MOS模塊和三相橋驅(qū)動(dòng)芯片組成電機(jī)功率模塊,驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作,其他電路用于確保電機(jī)可靠地運(yùn)行。

2.3.2 三相橋驅(qū)動(dòng)芯片

圖 6 功率驅(qū)動(dòng)板硬件原理框圖

IR2132可用來驅(qū)動(dòng)工作在母電壓不高于 600V的電路中的功率 MOS門器件,其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為 250mA,而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為 500mA。它內(nèi)部設(shè)計(jì)有過流、過壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò),使用戶可方便的用來保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的 MOS門功率管。器件的門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生 2μs互鎖延時(shí)時(shí)間,可以防止同一橋臂上、下兩個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(3～20V),在它的內(nèi)部還設(shè)計(jì)有與被驅(qū)動(dòng)的功率器件所通過的電流成線性關(guān)系的電流放大器,電路設(shè)計(jì)還保證了內(nèi)部的 3個(gè)通道的高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器可單獨(dú)使用,亦可只用其內(nèi)部的 3個(gè)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器,并且輸入信號(hào)與 TTL及COMS電平兼容。

2.3.3 電流檢測(cè)電路

首先,電流的檢測(cè)是用分壓電阻 R來實(shí)現(xiàn)的,經(jīng)運(yùn)算放大電路放大后送入 DSP的 ADC輸入端,A/D轉(zhuǎn)換的最大轉(zhuǎn)換電壓為 3V,每一次 PWM周期對(duì)電流采樣一次,PWM的周期設(shè)為 50μs,即電流的采樣頻率為20KHz。

其次,要確定何時(shí)對(duì)電流采樣。直流無刷電機(jī)采用全橋雙極性驅(qū)動(dòng),即兩個(gè)對(duì)角開關(guān)管的上、下橋臂開關(guān)管都采用 PWM控制,開關(guān)管在 PWM周期的“開”瞬間,電流上升并不穩(wěn)定,也不宜采樣,所以電流采樣時(shí)刻在 PWM周期的“開”期間的中部,如圖 7所示,對(duì)V 1、V6開關(guān)管的控制的波形。

圖 7 PWM控制時(shí)電阻壓降波形

電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)主要是分壓電阻參數(shù)、電壓跟隨等的設(shè)計(jì),由于采用的直流無刷三相電機(jī),故需要有三個(gè)電流通道。

2.3.4 霍爾換相電路

為了保證得到恒定的轉(zhuǎn)矩,必須要對(duì)三相直流無刷電機(jī)進(jìn)行換相。掌握好恰當(dāng)?shù)膿Q相時(shí)刻,可以減少轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。

電機(jī)的換相信號(hào)是通過三個(gè)霍爾傳感器得到的。每個(gè)霍爾傳感器產(chǎn)生 180°脈寬的輸出信號(hào),如圖 8所示三個(gè)霍爾傳感器的輸出信號(hào)互相差 120°相位,在每個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)中共有六個(gè)上升或下降沿,正好對(duì)應(yīng)六個(gè)換相時(shí)刻。

圖 8 霍爾傳感器輸出波形

只是知道換相時(shí)刻還不能正確換相,還需要知道應(yīng)該換哪一相。通過將 TMS320F2812的捕捉端口設(shè)置為 I/O口,并檢測(cè)該口的電平狀態(tài),就可以知道哪一個(gè)霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷。捕捉端口的電平狀態(tài)稱為換相控制字,換相控制字和換相的對(duì)應(yīng)關(guān)系參照軟件設(shè)計(jì)。

霍爾換相電路就是對(duì)從霍爾傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行濾波,電平轉(zhuǎn)換電路。

2.4 接口信號(hào)定義

2.4.1 某控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)接口

表 1 控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)信號(hào)接口

2.4.2 控制板與功率驅(qū)動(dòng)板間信號(hào)接口

表 2 控制板與功率驅(qū)動(dòng)板間的信號(hào)接口

(續(xù)表)

2.4.3 功率驅(qū)動(dòng)與電機(jī)接口

表3 功率驅(qū)動(dòng)與電機(jī)間信號(hào)接口

2.5 軟件設(shè)計(jì)方案

2.5.1 軟件設(shè)計(jì)要求

采用 C語(yǔ)言編制和模塊化設(shè)計(jì)。

2.5.2 軟件總體功能

軟件系統(tǒng)工作主要完成驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能選擇模式、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、電機(jī)控制算法、數(shù)據(jù)通信、模擬量采集、運(yùn)行監(jiān)視和其他故障診斷工作。

電機(jī)控制算法是軟件開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn),控制算法依據(jù)給定參數(shù)和電機(jī)實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)電機(jī)實(shí)時(shí)控制,該模塊性能直接影響到驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)性能;另一個(gè)工作軟件冗余度設(shè)計(jì)和故障邏輯處理,主要用途是保證系統(tǒng)工作的可靠性和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全性。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)字化驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)字化驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是指驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)接收某控制系統(tǒng)的位置信息,驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)規(guī)劃電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制速度、位置檢測(cè),同時(shí)實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前電機(jī)工作狀態(tài)和位置信息。

采用數(shù)字化驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),可提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性及控制精度。為了保證此項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn),采用了以下方法和措施：

(1)采用集成度高、頻率高的 DSP芯片,選用TMS320F2812器件其工作頻率可達(dá) 150MHz;

(2)電機(jī)的三環(huán)控制由軟件實(shí)現(xiàn),三環(huán)為位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán),避免了模擬電路中模擬元器件因?yàn)槭墉h(huán)境因素影響而發(fā)生時(shí)漂、溫漂,影響控制精度;

(3)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用串口/CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互;

(4)速度規(guī)劃采用直線加降速算法保證運(yùn)行穩(wěn)定;

(5)軌跡點(diǎn)預(yù)先連續(xù)規(guī)劃,某軍工自動(dòng)控制系統(tǒng)給定的是離散位置點(diǎn),驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)通過軌跡擬合算法,使各個(gè)位置點(diǎn)平滑過渡,避免了電機(jī)頻繁停止啟動(dòng),有利于提高電機(jī)壽命和運(yùn)行平穩(wěn)性。

3.2 雙通道的設(shè)計(jì)

雙通道是指一個(gè)控制板有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電氣通道,一個(gè)通道控制一個(gè)電機(jī),每個(gè)通道都可以獨(dú)立工作。若檢測(cè)到功率驅(qū)動(dòng)硬件異常,立即啟動(dòng)另一通道工作。

雙通道的設(shè)計(jì)即驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)引入冗余設(shè)計(jì)思想,提高驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性、可靠性。為了保證此項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn),采用以下方法和步驟：

(1)在硬件電路設(shè)計(jì)中,引入功率驅(qū)動(dòng)自檢電路,通過自檢電路可以確定是電機(jī)故障、功率驅(qū)動(dòng)電路故障、軟件故障;

(2)在發(fā)生故障時(shí),首先進(jìn)行軟件自檢測(cè)。

(3)在軟件設(shè)計(jì)中,引入冗余設(shè)計(jì),對(duì) DSP兩個(gè)EVM事件管理器進(jìn)行分別控制,同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)視通道中的硬件工作狀態(tài);

(4)軟件復(fù)位,并通知工業(yè)控制計(jì)算機(jī)當(dāng)前故障原因。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)直流無刷電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)及新型 DSP芯片TMS320F2812的性能等作了詳細(xì)的介紹,并對(duì)基于DSP的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作了認(rèn)真的分析和介紹,并將該設(shè)計(jì)應(yīng)用于某軍工控制系統(tǒng),取得了非常好的效果,為 DSP芯片 TMS320F2812在直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)中的開發(fā)、利用,作了很好的探索,具有一定的理論和實(shí)踐價(jià)值。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用成熟技術(shù),降低研制風(fēng)險(xiǎn);采用集成化、模塊化,提高可靠性和維修性;采用數(shù)字化設(shè)計(jì),提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性;采用雙通道設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)的安全性。

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