潘 璐 ，張爭(zhēng)氣

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710072）

雙電機(jī)控制系統(tǒng)在吊放電纜壽命試驗(yàn)臺(tái)中的應(yīng)用方案

潘 璐 ，張爭(zhēng)氣

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710072）

主要闡述了吊放電纜壽命試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)方案，其主要采用雙直流電機(jī)和美國德州儀器公司的TMS320F2812構(gòu)成控制系統(tǒng)，包括電源電路、PWM產(chǎn)生電路、DSP外圍電路、速度控制及檢測(cè)電路等硬件模塊設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)能同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，并能精確實(shí)現(xiàn)同步控制。

雙直流電機(jī)；DSP；TMS320F2812;控制系統(tǒng)

吊放聲納主要裝備在反潛直升機(jī)上，用吊放電纜將聲吶探頭垂入水中探測(cè)目標(biāo)。用于對(duì)潛艇、水雷等的探測(cè)和定位。它主要由探頭、電子機(jī)柜、吊放電纜及其收放裝置3部分構(gòu)成。吊放電纜及其收放裝置包括吊放電纜、鼓輪、絞車及轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，用于控制吊放電纜及探頭的收放。在探測(cè)工作中，當(dāng)直升機(jī)在探測(cè)點(diǎn)上低空懸停時(shí)，聲吶探測(cè)器需要用吊放電纜通過絞車送入水中，電纜隨洋流等條件不斷擺動(dòng)。在這一過程中對(duì)吊放電纜的損傷非常大。目前尚沒有針對(duì)電纜與滑輪磨損并模擬水下分機(jī)隨洋流擺動(dòng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。傳統(tǒng)的做法是在不考慮電纜擺動(dòng)的情況下來確定吊放電纜的使用壽命。

文中是以DSP及雙直流電機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要針對(duì)吊放電纜的收放及吊放電纜的擺動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)聯(lián)動(dòng)工作的功能。當(dāng)一臺(tái)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)另一臺(tái)電機(jī)同時(shí)停止工作。

1 雙電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由兩臺(tái)無刷直流電動(dòng)機(jī)構(gòu)成，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min,額定功率為4 kW，主要用于收放電纜和模擬電纜擺動(dòng)，因此需要兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)工作，而且能夠根據(jù)所需各自調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，已達(dá)到兩臺(tái)電機(jī)聯(lián)動(dòng)的目的。

無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)主要分為控制電路部分、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)電路、逆變電路部分及電流采樣電路等幾部分。此控制系統(tǒng)的核心部分主要是TMS320F2812芯片，它主要承擔(dān)控制運(yùn)算、模擬采樣等任務(wù)。其中TMS320F2812以其事件管理器模塊最為突出：由于它有EVA和EVB兩個(gè)事件管理器，因此可以輸出8個(gè)16位脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)。本控制系統(tǒng)就是借助這一突出特點(diǎn)來設(shè)計(jì)的，在PWM波的輸出上相當(dāng)簡(jiǎn)單方便;可編程的PWM死區(qū)可以避免上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖造成的直通；控制電路輸出的弱電信號(hào)被驅(qū)動(dòng)電路功率放大，輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的電信號(hào)來控制逆變電路的開關(guān)管，供給電動(dòng)機(jī)交流電，實(shí)現(xiàn)控制電動(dòng)機(jī)的目的；位置檢測(cè)電路用來檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子信號(hào)，并輸送給控制電路來處理；電流采樣電路主要完成對(duì)直流電源電流的檢測(cè)工作。本控制系統(tǒng)外圍器件減少,設(shè)計(jì)難度小，高性能傳感器檢測(cè)電路的采用，使系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度大大提高。

2 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制主要是換相，其控制方法為雙環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，經(jīng)過雙環(huán)調(diào)節(jié)，得所需的PWM信號(hào)，信號(hào)控制哪個(gè)開關(guān)管由霍爾檢測(cè)信號(hào)決定。其無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)如圖1所示。

3 控制系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計(jì)

控制板以TMS320F2812為核心，一些外圍電路和接口組成。該系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)控制指令的接收與執(zhí)行，電流采樣信號(hào)接收與轉(zhuǎn)換，速度信號(hào)的接收與處理，電流閉環(huán)與速度閉環(huán)控制算法的運(yùn)行。系統(tǒng)硬件電路如圖2所示。

圖1 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)Fig.1 Brushless dc motor control system

圖2 系統(tǒng)硬件電路Fig.2 System hardware circuit

3.1 TMS320F2812主要性能

TMS320F2812芯片非常適用于電機(jī)控制等場(chǎng)合，它是目前市場(chǎng)上最強(qiáng)大的定點(diǎn)32位DSP芯片。采用了先進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，將程序空間與數(shù)據(jù)空間分隔，數(shù)據(jù)的吞吐率提高了整整一倍。

電機(jī)控制主要采用片上的兩個(gè)事件管理器EVA和EVB。T1和T2兩個(gè)通用定時(shí)器產(chǎn)生兩個(gè)六路PWM波形正好可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)三相橋電路。用捕獲單元CAP1-6來捕獲外部輸出脈沖的上升沿和下降沿，已達(dá)到計(jì)數(shù)和調(diào)速的目的。同時(shí)TMS320F2812有兩個(gè)12位AD轉(zhuǎn)換模塊對(duì)電機(jī)輸出的電流信號(hào)和電壓信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路

無刷直流電動(dòng)機(jī)不同時(shí)刻各相的通斷狀態(tài)是由自身的霍爾傳感器各相位置信號(hào)所決定。DSP芯片產(chǎn)生PWM信號(hào)并放大后，用來控制逆變電路中的開關(guān)管狀態(tài)。逆變電路輸出需要的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。本系統(tǒng)選擇了專用集成功率驅(qū)動(dòng)芯片IR2131，該芯片只需要一個(gè)供電電源就能驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)MOSFET管，進(jìn)而讓驅(qū)動(dòng)電路變得可靠簡(jiǎn)單。IR2131內(nèi)部設(shè)計(jì)有過流、過壓及欠壓保護(hù)。驅(qū)動(dòng)部分電路如圖(3)所示，其中PWM1-6是由DSP輸出的波形信號(hào)，U、V、W分別接到電動(dòng)機(jī)的不同相。

驅(qū)動(dòng)電路采用24 V電壓，采用三相全橋與電機(jī)連接。PWM調(diào)制方法為軟斬波方法，當(dāng)導(dǎo)通時(shí),下橋臂功率管狀態(tài)保持為打開，上橋臂功率管由 信號(hào)控制其開關(guān)。集成功率開關(guān)器件采用HITACHI公司的6AM15，由3個(gè)N MOSFET管和P型MOSFET管組成三相全橋功率開關(guān)電路。從而提高了系統(tǒng)的集成度，使電路板面積減小。其中每個(gè)MOSFET管帶有的二極管使其在關(guān)閉期間起到反向續(xù)流作用，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

功率驅(qū)動(dòng)部分電路框圖如圖3所示。L01、L02、L03代表三路低側(cè)輸出，H01、H02、H03代表三路高側(cè)輸出。

圖3 功率驅(qū)動(dòng)部分電路框圖Fig.3 Power drive part of the circuit

3.3 外圍電路設(shè)計(jì)

3 .3 .1 霍爾檢測(cè)電路

對(duì)于無刷直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)上集成霍爾元件，即轉(zhuǎn)子位置傳感器上帶有霍爾元件，傳感器輸出H1、H2、H3三個(gè)脈沖信號(hào)用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子所在位置。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的功率管的導(dǎo)通順序是依據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)改變的，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速，因此，實(shí)際霍爾檢測(cè)信號(hào)的獲取在無刷直流電動(dòng)機(jī)控制中至關(guān)重要。傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過整形后送入DSP的CAP單元，在每個(gè)上升或下降沿的CAP口的狀態(tài)決定轉(zhuǎn)子的位置和速度，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)正確換相和電動(dòng)機(jī)速度的調(diào)節(jié)。利用CAP1-3和CAP4-6為EVA和EVB單元中的霍爾信號(hào)采樣端口，實(shí)現(xiàn)霍爾信號(hào)檢測(cè)。

3 .3 .2 電壓檢測(cè)電路

電壓檢測(cè)電路主要檢測(cè)電源輸出電壓及直流母線電壓。采用電阻分壓方法對(duì)母線電壓進(jìn)行檢測(cè)。電阻分壓后取母線電壓的1/10，經(jīng)隔離運(yùn)放后送入AD采樣口，實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。過壓閾值設(shè)定為27 V，若母線電壓大于27 V,比較器輸出低電平，進(jìn)而觸發(fā)故障保護(hù)。

欠壓故障檢測(cè)開關(guān)電源12 V輸出電壓，當(dāng)開關(guān)電源12 V輸出電壓小于10 V時(shí)，則為欠壓，若發(fā)生VCC欠壓，則欠壓檢測(cè)器快速速翻轉(zhuǎn)，故障邏輯處理單元輸出低電平。

3.4 其他外圍電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的外圍電路包括RS232通訊電路、JATG仿真接口電路、手動(dòng)復(fù)位電路、晶振電路等。在這里只介紹下RS232通訊電路。RS232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232E,它只支持3.3V低電壓；連接頭則采用標(biāo)準(zhǔn)的9針插頭。

4 結(jié)論

文中提出了一套完整的雙電機(jī)聯(lián)動(dòng)步控制系統(tǒng)的硬件方案，采用TI公司的TMS320F2812作為主處理器，整個(gè)系統(tǒng)的集成度高，易于設(shè)計(jì)應(yīng)用。一個(gè)控制器同時(shí)控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)完全取決于TMS320F2812有兩個(gè)功能相同的EV模塊，本設(shè)計(jì)節(jié)省了成本，為實(shí)現(xiàn)吊放電纜壽命試驗(yàn)臺(tái)的雙電機(jī)同步控制提供了穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以將控制系統(tǒng)和實(shí)際的控制策略相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)不同的控制功能，故應(yīng)用較為廣泛。

[1]王曉明，王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP控制—TI公司DSP應(yīng)用[M].北京北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2]陳忠，吳靚.基于DSP的雙電機(jī)同步控制系統(tǒng)在中小水電站中的應(yīng)用方案[J].中國農(nóng)村水利水電，2010（3):1-2.

CHEN ZHONG,WU JING.Double motor synchronous control system based on DSP application in small and medium-sized hydropower station scheme[J].China's Rural Water Conservancy and Hydropower,Preceding,2010(3):1-2.

[3]Wang YF,Xia CL.Adaptive speed control for brushless DC motors based on genetic algorithm and RBF neural network[J].IEEE International Conference on Control and Automation,China,2007,1210-1216.

[4]Texas Instruments.TMS320C28X DSP Controllers System and Peripherals Reference Guide [M]. Beijing: Texas Instruments,2002,21-33.

[5]蘇奎峰，呂強(qiáng)，耿慶峰，等.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[6]顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP—基于TMS320X281x[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

Double motor control system in the application of sling the cable life test rig

PAN Lu,ZHANG Zheng-qi
（Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072，China）

Mainly expounds the sling the cable longevity test-beds motor control system design of the hardware part,it mainly adopts the TMS320F2812 of ti and double dc mechanism into control system,including power circuit,PWM circuit,DSP peripheral circuit,speed control and detection circuit hardware module design,etc.The control system can be driven by two dc motors at the same time,and can be accurate synchronization control.

double Dc motor;DSP;TMS320F2812;control system

TN710.9

A

1674-6236（2014）13-0094-02

2013-10-11 稿件編號(hào)：201310047

潘 璐（1987—），女，陜西西安人，碩士研究生。研究方向：聲學(xué)與電子工程。