王 偉，馬瑞卿，張慶超，張 震

（西北工業(yè)大學 自動化學院，陜西 西安 710129）

無刷直流電機（BLDCM）利用電子換相代替機械換相，既有直流電動機的調(diào)速性能，又有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，而且體積小、重量輕、效率高[1-2]。因此其在國民經(jīng)濟各個領域的應用日益普及，特別是在高性能交流伺服驅(qū)動領域具有廣闊的應用前景[3]。適于實時控制系統(tǒng)的工業(yè)單片機和高速數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn)使得全數(shù)字伺服控制技術不但可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)性能，還可為進一步采用神經(jīng)網(wǎng)絡等智能控制策略及高速網(wǎng)絡通訊接口，實現(xiàn)開放式運動控制打下基礎[4-5]。隨著監(jiān)控計算機被大量應用到工業(yè)現(xiàn)場，RS-485串行通信方式以其結(jié)構(gòu)簡單、傳輸距離遠、抗干擾能力強、支持多主機通信、對系統(tǒng)硬件要求低等諸多優(yōu)點，已成為廣泛應用于下位控制器與上位監(jiān)控計算機間的通訊方式[6]。

本文以無刷直流電動機伺服系統(tǒng)為對象，設計了一套基于DSP和CPLD的全數(shù)字、高精度控制器及其配套的上位機軟件，控制器與上位機軟件之間通過RS-485方式通信。被控對象按照上位機給定位置作動，具有良好伺服性，同時系統(tǒng)運行參數(shù)可上報上位機，以便實時監(jiān)控和分析。

1 串口通信原理

上位機（PC機）軟件采用LabVIEW編寫，其通信接口采用USB2.0接口，下位機（控制器）通信接口采用RS-485總線接口，兩者之間通過USB/RS-485轉(zhuǎn)換器進行電平轉(zhuǎn)換。RS-485數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，也稱平衡傳輸，傳輸介質(zhì)為一對雙絞線。

串口通信數(shù)據(jù)內(nèi)容以字符串格式進行傳輸，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，一幀數(shù)據(jù)由幀頭、幀內(nèi)容、幀校驗、幀尾組成。幀頭、幀尾是一幀數(shù)據(jù)開始和結(jié)束的標識，在自然狀態(tài)下EB和90、55和AA連續(xù)出現(xiàn)的概率幾乎為0，故一般采用EB90或55AA作為幀頭或幀尾；幀校驗是指對傳輸數(shù)據(jù)按規(guī)定算法在上下位機各進行一次校驗運算，若兩者運算結(jié)果一致即可保證數(shù)據(jù)傳輸正確；幀內(nèi)容代表被傳輸信號的值，通信協(xié)議需對實際信號的分辨率進行定義，如不能滿足分辨率要求時需擴展該信號所占字長，在上下位機接收到幀內(nèi)容后，可能還需根據(jù)實際信號對幀內(nèi)容所代表的數(shù)值進行適當縮放。

2 硬件電路設計

2.1 控制電路設計

2.1.1 系統(tǒng)供電設計

控制器的輸入電源電壓是270 V，需要通過DC/DC變換器將其變換為28 V電源后再變換產(chǎn)生±15 V、5 V、15 V等控制電。其中，±15 V用于給運算放大器、電壓/電流傳感器等供電，15 V用于給電機的霍爾位置傳感器及驅(qū)動電路等供電；對于主控芯片所需的3.3 V、1.9 V可通過5 V變換得到，同時還設計了DSP要求的先上1.9 V再上3.3 V的上電順序電路。

2.1.2 數(shù)字信號處理電路

數(shù)字信號處理電路由DSP和CPLD組成。DSP選用TI公司的浮點型數(shù)字信號處理器TMS320F28335，該器件精度高、成本低、功耗小、外設集成度高、數(shù)據(jù)以及程序存儲量大、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速、處理速度快。用于實現(xiàn)閉環(huán)控制算法，發(fā)揮了DSP計算能力強的優(yōu)點。CPLD采用MAX II系列新一代CPLD芯片EPM1270，該芯片集成度高、功耗小、成本低、可以同時處理多路邏輯綜合和時序組合、采用硬件描述語言VHDL實現(xiàn)靈活設計、可靠性高。CPLD用于采集ADC輸出的各參量的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)、地址總線、內(nèi)部寄存器與DSP實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，減輕DSP中斷開銷。

2.2 驅(qū)動和保護電路設計

BLDCM功率驅(qū)動電路是工作在兩相導通120?三相六狀態(tài)模式的橋式逆變器，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。T1-T6為構(gòu)成三相全橋逆變器的6個功率管，用于實現(xiàn)無刷直流電機的換相控制，每個橋臂控制一相繞組。D1-D6為功率管的續(xù)流二極管，用于給繞組續(xù)流提供續(xù)流回路。T7是剎車開關管，R是剎車電阻、D7是剎車續(xù)流二極管，當母線電壓升高時，開關管T7導通，多余能量經(jīng)R釋放，母線電壓降低。為避免充電電流過大，上電時電流先經(jīng)過R1給電容充電，電容充電后讓T8導通從而旁路R1，減小回路壓降。為減少系統(tǒng)的體積，增強系統(tǒng)的可靠性，方案擬采用智能功率模塊IPM作為BLDCM的驅(qū)動電路，型號為PM150RL1A060。IPM兼有GTR高電流、低飽和電壓和高耐壓的優(yōu)點，以及MOSFET（場效應晶體管）高輸入阻抗、高開關頻率和低驅(qū)動功率的優(yōu)點，且內(nèi)部集成了邏輯、控制、檢測和保護電路等功能。

圖1 功率電路拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The power circuit topology

保護電路主要包括母線過、欠壓保護、過流保護、過溫保護、霍爾信號紊亂保護。當母線電壓超過壓保護閾值時，過壓信號變?yōu)橛行?，剎車功率管開通，泄放多余能量，降低母線電壓，過壓信號無效時，剎車功率管關斷，不影響母線電壓；當母線電壓低于欠壓保護閾值時，欠壓信號變?yōu)橛行?，系統(tǒng)停機保護；對母線電流和電機三相電流進行監(jiān)控，當母線電流和任一相電流幅值超過保護閾值時，進行過流保護，系統(tǒng)停機；監(jiān)測控制器和電機溫度，當溫度超過溫度保護閾值時停機保護時監(jiān)控電機的三路霍爾位置信號，當霍爾信號出現(xiàn)“全0”或“全1”故障時，實施停機保護。故障發(fā)生后系統(tǒng)及時保護并設置故障信號指示燈報警。

2.3 通信接口電路設計

通訊用收發(fā)器選擇MAXIUM公司的RS-485通信低功耗收發(fā)器MAX483模塊。該芯片的電磁輻射EMI極低，減小了因電纜不良匹配所造成的反射，在高達250kbps的數(shù)據(jù)速率下可進行無差錯數(shù)據(jù)傳輸。DSP與MAX483的接口采用串行通信接口SCI，其外部引腳有三個，發(fā)送引腳SCITXD、接收引腳SCIRXD、控制端GPIO口，分別對應RS-485收發(fā)器的發(fā)送輸入端DI、接收輸出端RO和發(fā)送使能端DE。SCI的接收和發(fā)送均為雙緩沖，且有獨立的使能中斷位，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程通過中斷方式或查詢方式實現(xiàn)。

3 軟件程序設計

3.1 控制器程序設計

3.1.1 DSP程序設計

DSP控制程序采用C語言編寫，開發(fā)環(huán)境采用TI公司DSP系列芯片專用集成開發(fā)環(huán)境CCS3.3。DSP控制程序由主程序及中斷服務子程序組成，中斷程序包括主中斷程序和串口中斷程序。主程序執(zhí)行DSP初始化程序和系統(tǒng)自檢，并等待接收上位機的給定指令。主中斷程序主要用于完成雙閉環(huán)控制算法，速度環(huán)采用PI算法、電流環(huán)采用P算法。串口中斷程序的主要作用是接收上位機的給定指令，下位機控制電機按照給定指令作動并向上位機以5ms的定時反饋系統(tǒng)運行參數(shù)。

圖2 接收和發(fā)送一幀數(shù)據(jù)流程圖Fig.2 Flow diagram of receiving and sending a frame

下位機串口通信由主控芯片TMS320F28335的SCI模塊實現(xiàn)，該模塊具有以下特點：1～8位數(shù)據(jù)全雙工方式；偶數(shù)、奇數(shù)或無奇偶校驗選擇；一或兩個停止位；16字深先進先出FIFO （First－In－First－Out） 發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖器和接收數(shù)據(jù)緩沖器；獨立的發(fā)送和接收中斷。圖2所示為接收和發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的流程圖。判斷數(shù)據(jù)接收程序數(shù)據(jù)幀錯誤須符合以下原則：數(shù)據(jù)幀格式不正確；有一個字節(jié)奇偶校驗錯誤；數(shù)據(jù)幀校驗碼不正確。

3.1.2 CPLD程序設計

CPLD的開發(fā)設計采用硬件描述語言VHDL，開發(fā)環(huán)境采用Altera公司的Quartus II 9．2。CPLD將PWM信號、電機霍爾位置傳感器信號、正/反轉(zhuǎn)信號、故障狀態(tài)信號通過組合邏輯產(chǎn)生驅(qū)動逆變功率管開通關斷的6路斬波換相信號；通過I/O讀取保護電路輸出，進行故障保護，故障保護信號都經(jīng)過延時、濾波，濾除高頻毛刺干擾，確保識別真實的故障保護信號，消除誤動作；CPLD與DSP之間設計并行通信接口，CPLD通過地址線和數(shù)據(jù)線作為DSP的外設被訪問，用以快速提取讀入CPLD的位移、電流等反饋信號數(shù)據(jù)。

3.2 上位機軟件程序設計

上位機軟件在 LabVIEW （Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench）2010開發(fā)環(huán)境進行設計，LabVIEW是一種圖形化的編程語言，它集成了滿足GPIB、VXI、RS－232和RS－485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，被視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。

3.2.1 串口配置程序

利用LabVIEW自帶的VISA函數(shù)模塊，實現(xiàn)串口通訊硬件接口與軟件的連接，這就要求VISA的配置必須與下位機SCI的配置完全一致，主要包括串口選擇、數(shù)據(jù)長度、奇偶檢驗選擇、停止位長度、波特率等。

3.2.2 數(shù)據(jù)打包和發(fā)送程序

數(shù)據(jù)發(fā)送程序比較簡單，只需采用VISA寫函數(shù)輸入要發(fā)送的ASCII字符串即可。因此，對于給定指令為位移等數(shù)字量時需要對其按照通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)打包轉(zhuǎn)換為字符串數(shù)據(jù)包。

圖3 給定位移數(shù)據(jù)打包程序Fig．3 Data package program of given displacement

如圖3所示的是按照通信協(xié)議對給定位移數(shù)據(jù)打包程序，對給定位移處理為字符串后增加幀頭、幀尾、檢驗和后形成一個字符串數(shù)據(jù)幀。

3.2.3 數(shù)據(jù)接收和解包程序

上位機通過VISA讀函數(shù)接收反饋數(shù)據(jù)。為獲得傳輸信號的值，需對接收的字符串數(shù)據(jù)幀進行解包，如圖4所示的反饋數(shù)據(jù)的解包程序。

圖4 反饋數(shù)據(jù)解包程序Fig．4 Feedback data deconstructed program

由圖可知，只有接收的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度、幀頭、幀尾、檢驗和與協(xié)議中定義的完全相同時才表示正確接收到一幀數(shù)據(jù)，再對該幀數(shù)據(jù)按照協(xié)議依次解碼為位移、電流、故障信號等內(nèi)容從而實時顯示和監(jiān)控系統(tǒng)運行參數(shù)。

3.2.4 數(shù)據(jù)存儲和制表程序

為方便分析和查看測試數(shù)據(jù)，上位機具有存儲實驗數(shù)據(jù)并將其制成XLS文件的功能。本軟件選擇了高速數(shù)據(jù)流文件TDMS來存儲數(shù)據(jù)，其讀寫文件速度快、接口屬性定義簡單，只需要對數(shù)據(jù)名稱、存儲路徑等屬性進行設置。

數(shù)據(jù)制表功能即將本測試周期的給定指令和反饋數(shù)據(jù)保存至Excel文件，并將其置于指定存儲路徑下，制表結(jié)束后有指示燈提示制表完成，可將TDMS文件中存儲的數(shù)據(jù)按照編輯好的Excel模板依次放置以形成實驗報表。

4 實驗結(jié)果

打開上位機軟件，輸入正確的用戶名和密碼后使能軟件，選擇串口和數(shù)據(jù)存儲路徑后，按下“系統(tǒng)自檢”按鈕，對系統(tǒng)進行自檢測。設置并確定給定階梯波位移指令后按下“電機調(diào)零”和“設定初始位置”按鈕，以校正電機初始位置。按下“發(fā)送給定位移”按鈕并開始伺服系統(tǒng)實驗。上位機通過串口將給定位移及其對應時刻的指令打包后發(fā)送至下位機，下位機通過閉環(huán)控制程序控制電機作動到給定位移處，在作動過程中一旦控制系統(tǒng)發(fā)生故障，控制電路進行硬件保護，并將故障信號反饋至上位機報警并調(diào)用報警聲音，從而達到實時監(jiān)控系統(tǒng)的目的。

下位機控制器將采集到的位移、母線電流和三相電流、母線電壓等運行參數(shù)反饋至上位機實現(xiàn)監(jiān)控、分析伺服性能和其他運行性能。圖5所示的是上位機反饋參數(shù)顯示界面，圖中較平滑的曲線為給定位移指令曲線，另一條為BLDCM的實際位移曲線，圖6所示的是控制系統(tǒng)運行后示波器觀測所得的部分位移曲線。

圖6 觀測的部分位移曲線Fig.6 Part of displacement curve

經(jīng)實驗驗證，電機的實際作動位置按照上位機的給定位移變化，系統(tǒng)實現(xiàn)了對上位機給定指令良好的跟隨性；同時，電機在作動過程中位移具有較小的超調(diào)量，如圖7所示的是電機的正向作動和反向作動的位移曲線，這是由于控制器進行了較好的PID參數(shù)整定并嚴格的進行了電流限幅保證了電機的平滑作動。

實驗結(jié)束后將實驗數(shù)據(jù)進行制表并形成的測試報告，如圖8所示。由結(jié)果可以看出該方法可準確的對電機作動位置進行遠程控制，并可對電機溫度、實際位移等系統(tǒng)參數(shù)進行了采集和顯示，同時對系統(tǒng)實時監(jiān)控，一旦發(fā)生故障及時保護并報警，保證系統(tǒng)安全可靠的運行。

圖7 電機正向作動和反向作動位移曲線Fig.7 Displacement curve of forward and reverse actuation

圖8 數(shù)據(jù)制表后形成的報告Fig.8 Report after data tabulate

5 結(jié)束語

文中設計和實現(xiàn)了一套BLDCM全數(shù)字伺服控制器及其上位機控制軟件，并采用RS-485串口通信方式實現(xiàn)了總線控制與監(jiān)控。系統(tǒng)的響應速度快、控制精度高、保護功能全，伺服性能好，并具有較好的實時可監(jiān)控性。系統(tǒng)已成功運用于某型電力作動系統(tǒng)中，經(jīng)實驗驗證可以穩(wěn)定、可靠的運行，應用效果良好。

[1]湯蘊璮，史乃．電機學[M]．2版.北京：機械工業(yè)出版社，2005：344-353.

[2]李鐘明，劉衛(wèi)國．稀土永磁電機[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1999：40-48.

[3]李凡．基于FPGA的全數(shù)字無刷直流電機控制系統(tǒng)研究[D]．重慶：重慶大學，2010.

[4]郭鵬．基于DSP的全數(shù)字無刷直流電機控制器的設計與研究[D]．西安：西北工業(yè)大學，2004.

[5]張東亮，常宏敏，田新誠，等．無刷直流伺服電機的DSP全數(shù)字控制系統(tǒng)研究[J]．山東大學學報：工學版，2002，32（5）：485-489.ZHANG Dong-liang，CHANG Hong-min，TIAN Xin-cheng，et al．Research on vrushless DC motor digital control system based on DSP[D]．Journal of Shandong University：Engineering and Technology Edition，2002，32（10）：485-489.

[6]朱耀春，白焰．RS485總線通信雙機監(jiān)控程序的設計及應用[J]．工業(yè)控制計算機，2006，19（8）：14-16.ZHU Yao-chun，BAI Yan．Design and Application of RS485 bus communication and monitor program between machines[J]．The Industrial Control Computer，2006，19（8）：14-1.