孔祥洪， 錢衛(wèi)國(guó)， 郭陽(yáng)雪， 宋連偉， 王偉杰， 陳 功

(1．上海海洋大學(xué)a．物理實(shí)驗(yàn)中心，b．工程學(xué)院，上海201306;2．國(guó)家遠(yuǎn)洋漁業(yè)工程技術(shù)研究中心，上海201306)

0 引言

20世紀(jì)50年代魷釣漁業(yè)中所采用的釣機(jī)為單滾筒手搖釣機(jī)［1-2］。隨著科技的進(jìn)步，以及提高漁獲效率因素的驅(qū)動(dòng)，20世紀(jì)60年代中期開始采用機(jī)械控制的雙滾筒自動(dòng)釣機(jī)。20世紀(jì)70年代中、末期逐漸發(fā)展成為電控型自動(dòng)釣機(jī)。由于電腦控制技術(shù)的應(yīng)用，20世紀(jì)80年代開發(fā)電腦型自動(dòng)釣機(jī)，且從單機(jī)控制發(fā)展為集中遙控［3-5］。釣機(jī)的作業(yè)水深也從原來(lái)的300 m，發(fā)展到1 000 m。自動(dòng)釣機(jī)可實(shí)現(xiàn)作業(yè)深度、起放線速度、起線速度脈沖幅值(即抖動(dòng)強(qiáng)度)等各方面的調(diào)節(jié)功能。電腦型釣機(jī)除了可顯示數(shù)字控制外，還可以使?jié)L筒脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)記憶和模擬人的手釣動(dòng)作，釣線的脈沖速度調(diào)節(jié)范圍更為廣闊。

國(guó)內(nèi)對(duì)魷釣機(jī)的研制開始于1973年，由農(nóng)業(yè)部立項(xiàng)，1974年初廈門水產(chǎn)學(xué)院漁機(jī)廠仿造了日本的VP-3型自動(dòng)魷魚釣機(jī)。自行設(shè)計(jì)制造了SYD75型自動(dòng)魷魚釣機(jī)，經(jīng)過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，各種性能達(dá)到了當(dāng)時(shí)魷魚釣機(jī)的“機(jī)械化”設(shè)計(jì)要求［6］。隨著我國(guó)魷釣漁業(yè)的成功開創(chuàng)，1990年5月根據(jù)農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)司立項(xiàng)要求，上海水產(chǎn)大學(xué)研制了2臺(tái)電控魷魚釣機(jī)，使國(guó)產(chǎn)化魷魚釣機(jī)向機(jī)械化電氣化方面跨出了一大步［7］。但使用情況不理想，未能進(jìn)行技術(shù)推廣。國(guó)內(nèi)部分漁業(yè)裝備生產(chǎn)企業(yè)和科研院校也等先后開展過(guò)魷釣機(jī)的研制［8-10］，但所有產(chǎn)品均未能成功應(yīng)用于實(shí)際漁場(chǎng)生產(chǎn)，多數(shù)停留在理論探討階段。

魷魚釣機(jī)是魷釣漁業(yè)中最基本的生產(chǎn)工具，而我國(guó)作為世界上最主要的魷釣漁業(yè)國(guó)家，魷魚釣機(jī)仍舊依賴于從國(guó)外進(jìn)口或使用國(guó)外淘汰的二手產(chǎn)品，嚴(yán)重阻礙了魷釣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為此，研究開發(fā)國(guó)產(chǎn)魷釣機(jī)成為魷釣漁業(yè)生產(chǎn)企業(yè)和科研單位最為關(guān)心的問(wèn)題，如何成功研制出先進(jìn)的國(guó)產(chǎn)魷釣機(jī)成為當(dāng)務(wù)之急。本文嘗試使用16 bit變頻芯片SPMC75F2313A單片機(jī)、功率器件智能模塊IPM FSBB20CH60和霍爾傳感位置偵測(cè)，實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和調(diào)速，并采用變頻技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)魷魚釣機(jī)的控制電路，為國(guó)產(chǎn)魷釣機(jī)研制的軟件控制單元提供參考。

1 控制原理

1．1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)和控制原理

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)BLDC采用電子換向器替代了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置，克服了電刷和換向器所引起的噪聲、火花、電磁干擾、壽命短等弊病。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)既具備交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，也具有直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)。SPMC75F2313A為馬達(dá)驅(qū)動(dòng)專用芯片，方便產(chǎn)生各種驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)［11-13］。

電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，與三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似［14］。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，功能是:接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng);接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩;接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來(lái)控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速;提供保護(hù)和顯示等。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制原理簡(jiǎn)圖

主電路是一個(gè)典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5～24 kHz調(diào)制波的對(duì)稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的 H3、H2、H1方波，從而產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號(hào):010、011、001、101、100、110，通過(guò)邏輯組件處理產(chǎn)生V6－V1導(dǎo)通、V5－V6導(dǎo)通、V4－V5導(dǎo)通、V3－V4導(dǎo)通、V2－V3導(dǎo)通、V1－V2導(dǎo)通，也就是說(shuō)將直流母線電壓依次加在U→V、W→V、W→U、V→U、V→W、U→W 上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)一對(duì) N-S 極，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定組合成6種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸線在空間轉(zhuǎn)動(dòng)60°電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于60°電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸再前進(jìn)60°電角度，如此循環(huán)，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

1．2 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)

本方案采用120°方波的算法驅(qū)動(dòng) IPM的內(nèi)置IGBT從而來(lái)驅(qū)動(dòng)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。對(duì)IGBT信號(hào)的分配必然和電動(dòng)機(jī)的位置有著緊密的聯(lián)系，從BLDC的霍爾傳感器反饋回來(lái)的位置信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼后是:010、011、001、101、100 和110 6 種狀態(tài)，所以可以根據(jù)這六種位置狀態(tài)信息來(lái)分配IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在這里我們優(yōu)先選用了IGBT的上橋臂用分配PWM信號(hào)，下橋臂分配高低電平的驅(qū)動(dòng)方式，所以可以通過(guò)改變上橋臂PWM的占空比來(lái)改變加在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)上的端電壓。信號(hào)分配和位置關(guān)系如圖2所示。

圖中:V1、V2、V3、V4、V5和 V6表示 IGBT 組成的三相全控橋電路，上橋的V1、V3和V53個(gè)功率管，下橋的V2、V4和V63個(gè)功率管，分別控制這U、V和W三相直流電的流向，如圖1所示連接方式。H1、H2和H3是霍爾傳感器的3個(gè)信號(hào)出線。

圖2 位置驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)系

如果正轉(zhuǎn)的位置信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)系如圖2所示:010(H3H2H1)V6－ V1、011(H3H2H1)V5－ V6、001(H3H2H1)V4－ V5、101(H3H2H1)V3－ V4、100(H3H2H1)V2－V3、110(H3H2H1)V1－V2的順序來(lái)?yè)Q流的話，那么我們可以同樣根據(jù)位置信號(hào)給出反轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的換流關(guān)系。即:001(H3H2H1)V1－V2、011(H3H2H1)V2－ V3、010(H3H2H1)V3－ V4、110(H3H2H1)V4－V5、100(H3H2H1)V5－ V6、101(H3H2H1)V6－V1。具體電機(jī)的相序一定要搞清楚，如果換流不對(duì)或不當(dāng)?shù)脑捴绷鳠o(wú)刷電動(dòng)機(jī)就會(huì)左右振動(dòng)根本旋轉(zhuǎn)不起來(lái)，或者電流很大且電流波形不對(duì)。

通過(guò)上述控制信號(hào)來(lái)控制各個(gè)功率管的on/off，使得電流依序流入U(xiǎn)、V、W三相線圈，而在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如圖3所示，指出了在控制信號(hào)的作用下各相的電壓、電流方向的關(guān)系。

圖3 電流時(shí)序

1．3 PWM方式調(diào)速

在控制功率組件的信號(hào)中加入PWM，調(diào)整PWM的占空比，即輸出PWM的占空比，使得調(diào)整輸入電動(dòng)機(jī)的端電壓的大小，進(jìn)而控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，其中控制信號(hào)PWM的加入有4種方式:上相PWM、下相PWM、前半PWM和后半PWM。如圖4所示。

圖4 PWM加入方式

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括:電源，控制器系統(tǒng)，IPM模塊及驅(qū)動(dòng)，位置偵測(cè)和RS485通信5個(gè)部分。各部分的框圖和硬件電路原理如圖5所示。

2．1 SPMC75F2313A控制系統(tǒng)

設(shè)計(jì)使用凌陽(yáng)16 bit變頻芯片SPMC75F2313A和功率器件智能模塊IPM，結(jié)合基本的驅(qū)動(dòng)算法通過(guò)功率器件智能模塊IPM來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)三相繞組直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速，控制電路如圖6所示。

在程序開發(fā)過(guò)程中，通過(guò)SPMC75F2313A的Probe來(lái)連接內(nèi)嵌在線仿真，降低了驅(qū)動(dòng)及系統(tǒng)開發(fā)的難度，提高了生產(chǎn)效率、加快開發(fā)進(jìn)度。

2．2 IPM模塊及驅(qū)動(dòng)

智能模塊IPM方便和簡(jiǎn)化了微控制器和被控對(duì)象之間聯(lián)系關(guān)系，IPM模塊及驅(qū)動(dòng)自身保護(hù)機(jī)能，如電流保護(hù)、電壓保護(hù)、溫度保護(hù)等，提高了系統(tǒng)的可靠性。IPM電路圖如圖7所示。圖中:IC8為 IPM FSBB20CH60;C31、C35、C37為自舉電容 0．22 μF/50 V;C41為故障脈寬定時(shí)電容(陶瓷材料)0．022μF/50 V;C42為去耦電容0．22μF/50 V;C43為控制電源濾波電容33μF/35 V;C47為短路采樣RC濾波3 300 pF;R46為短路電流大小限制電阻0．082Ω。

圖5 系統(tǒng)框圖

圖6 SPMC75F2313A控制系統(tǒng)電路圖

2．3 IPM出錯(cuò)信號(hào)的處理

IPM出錯(cuò)信號(hào)處理是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不正常狀況下的自我的保護(hù)功能，它采用軟件處理的同時(shí)，用硬件控制來(lái)加強(qiáng)的方法，并設(shè)計(jì)了一個(gè)“保護(hù)鎖”，一旦IPM智能模塊軟件檢測(cè)到IPM出錯(cuò)，硬件電路會(huì)立即自動(dòng)切斷送往IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)向MCU申請(qǐng)中斷要求控制器及時(shí)處理故障。故障消除以后，MCU重新使能信號(hào)輸出才能使IPM再次的工作起來(lái)。硬件保護(hù)電路見圖8。

2．4 位置檢測(cè)電路

圖7 IPM電路圖

位置偵測(cè)對(duì)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)(BLDC)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)，因?yàn)橹绷鳠o(wú)刷電動(dòng)機(jī)的換相是依據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來(lái)的，轉(zhuǎn)子現(xiàn)在的位置將決定下個(gè)激磁相，所以換相完全是由轉(zhuǎn)子位置來(lái)決定的。三相帶霍爾傳感器的BLDC電機(jī)控制。有些直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)內(nèi)部就已經(jīng)安裝了用于位置檢測(cè)的霍爾傳感部分來(lái)方便電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，本設(shè)計(jì)選用了帶有霍爾傳感器的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。如圖9霍爾傳感位置檢測(cè)電路原理圖的設(shè)計(jì)。

2．5 隔離驅(qū)動(dòng)

為了保護(hù)MCU微控制器部分這里實(shí)施了高壓直流IPM部分和MCU部分的電氣隔離［15］，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定和可靠性，控制系統(tǒng)和IPM之間用光耦來(lái)隔離驅(qū)動(dòng)。光耦來(lái)隔離驅(qū)動(dòng)電路原理圖，如圖10所示。

光耦兩邊必須使用不同的電源才能達(dá)到隔離的效果，否則不能起到電氣隔離的作用。光耦建議選擇快速光耦，如果對(duì)載波的頻率要求的不是特別高的話，也可以考慮選擇PC817/TLP521等，來(lái)降低成本。

2．6 485 通信電路

SPMC75系列微控制器內(nèi)置一個(gè)UART模塊，與485連接實(shí)現(xiàn):接收數(shù)據(jù)，將外部設(shè)備串行數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù);發(fā)送數(shù)據(jù)，將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，對(duì)外發(fā)送。485通信接口電路如圖11。

圖9 霍爾傳感位置檢測(cè)

圖10 光隔離驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖11 485通信接口

圖12 開關(guān)電源變換電路

本模塊:

·可編程的收發(fā)波特率;

·可進(jìn)行偶校驗(yàn)、奇校驗(yàn)或禁止校驗(yàn);

·停止位可設(shè)置為1位或2位;

·支持發(fā)送中斷;

·支持接收中斷;

·高抗噪聲能力的數(shù)據(jù)接收(接收中連續(xù)進(jìn)行3次采樣，并進(jìn)行多數(shù)決策);

·在接收中進(jìn)行幀校驗(yàn)和奇偶校驗(yàn);

·溢出檢測(cè);

·波特率可在1 200 b/s到115 200 b/s間編程設(shè)定;

·可獨(dú)立激活發(fā)送/接收功能。

2．7 開關(guān)電源變換

圖12是系統(tǒng)的開關(guān)電源變換部分，這部分是由TOP233Y構(gòu)成的開關(guān)電源變換電路。經(jīng)開關(guān)變換后，再通過(guò)穩(wěn)壓后，為系統(tǒng)提供CPU供電的5 V電源和IPM部分工作的15 V，5 V驅(qū)動(dòng)電源。

3 軟件流程

主程序主要完成系統(tǒng)必要的初始化，而對(duì)電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)處理基本上是在中斷中完成的，其中涉及到的中斷主要實(shí)現(xiàn):IRQ0的錯(cuò)誤輸入和輸出中斷、IRQ1的PDC和TCV中斷、IRQ6的UART RXD中斷及CMT0的定時(shí)中斷。如圖13所示主程序設(shè)計(jì)流程圖。

中斷子流程實(shí)現(xiàn):故障輸入、輸出短路、PDC、TCV、RXD和CMT0等中斷協(xié)助完成了對(duì)BLDC的啟動(dòng)、運(yùn)行、速度調(diào)節(jié)和錯(cuò)誤保護(hù)的控制。其中如果使用默認(rèn)各個(gè)中斷源的使用都按照初始化設(shè)置已經(jīng)相應(yīng)的固定下來(lái)。這里只對(duì)PDC、TCV中斷流程示出。PDC、TCV中斷操作流程見圖14。

圖13 主程序設(shè)計(jì)流程圖

圖14 PDC、TCV中斷操作流程

4 測(cè)試

圖15為SPMC75F2313A單片機(jī)控制U相輸出的不同占空比的PWM波形圖。

圖15 不同占空比的PWM波形圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)凌陽(yáng)16位變頻芯片SPMC75F2313做了簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì)其輸出變頻PWM信號(hào)原理進(jìn)行解釋，設(shè)計(jì)了利用該技術(shù)產(chǎn)生PWM波形控制三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速電路及軟件，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，相關(guān)控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出正常，驗(yàn)證了原理的可行性。隨著越來(lái)越多的魷釣漁業(yè)生產(chǎn)企業(yè)和科研單位開始對(duì)魷釣機(jī)關(guān)心，遠(yuǎn)洋捕撈裝置魷釣機(jī)三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)變頻控制電路設(shè)計(jì)不斷深入，研制出高水平、可推廣使用的魷釣工具指日可待。一旦我國(guó)自主研制的魷釣機(jī)得以推廣使用，那么國(guó)內(nèi)海洋漁業(yè)的生產(chǎn)總值將會(huì)翻倍增長(zhǎng)。而三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)變頻控制電路是魷魚釣機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可使魷釣機(jī)這一機(jī)械產(chǎn)品電氣化、自動(dòng)化，降低漁民勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

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