季蘭龍，曹榮敏，周惠興

（1.北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京100192；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

1 引言

控制系統(tǒng)的研究對象為永磁式動圈型直流直線電機。直線電機的結(jié)構(gòu)可以看作是將一臺旋轉(zhuǎn)電機沿徑向剖開，并將電機的圓周展開成直線而形成的。其中定子相當(dāng)于直線電機的初級，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線電機的次級，在直線電機的三相初級繞組通入三相正弦交流后，會產(chǎn)生行波磁場，次級導(dǎo)條在行波磁場切割次下產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并產(chǎn)生電流。導(dǎo)條的電流和氣隙磁場相互作用便產(chǎn)生電磁推力［1］。在這個電磁推力的作用下，如果初級和次級中的一個固定不動，則另一個就會作相對運動。從而實現(xiàn)運動部件的直線運動，如圖1所示。

圖1 交流直線電機氣隙中的行波磁場Fig.1 Traveling magnetic field of linear motor

圖1中，a 為初級，b 為次級，c 為行波磁場在直線方向上呈正弦分布，v為行波磁場的移動速度也等于動子的運動速度。

由于直線電機的負載直接與直線電機的動子相連，負載的運動變化和外部擾動直接作用于直線電機上，因此對直線電機的控制提出了較高的要求。結(jié)合現(xiàn)階段直線電機的控制理論和應(yīng)用研究現(xiàn)狀，本文采用德州儀器（TI）推出一款可驅(qū)動無刷直流（BLDC）與永磁同步（PMSM）電機的完整電機控制評估套件。該控制器基于專用集成型電機控制芯片比較傳統(tǒng)分立式器件組成的控制器具有結(jié)構(gòu)簡單、外圍器件少、功能齊全、可靠性高等特點。因為直線電機的工作原理和BLDC 相似，故采用該套件可以加快直線電機驅(qū)動控制的研發(fā)和應(yīng)用。

2 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計

本系統(tǒng)應(yīng)用TI公司旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動器，實現(xiàn)直線電機的伺服驅(qū)動控制。通過直線電機的閉環(huán)控制，實現(xiàn)跟蹤電機位置和速度指令的變化。

2.1 系統(tǒng)組成

直線電機控制系統(tǒng)總體框架圖如圖2所示。

圖2 直線電機控制系統(tǒng)總體框架圖Fig.2 Linear motor control system overall frame

驅(qū)動器的控制芯片采用TI公司的DSP TMS 320F28035，設(shè)定電機運行速度指令，由DSP芯片發(fā)出PWM 信號，通過DRV8312 芯片進行調(diào)理、放大、處理后將PWM 信號傳送給三相全橋逆變電路，控制逆變電路MOSFET器件的依次通斷狀態(tài)，產(chǎn)生直線電機運動所需的三相交流電流，驅(qū)動直線電機運動。DSP產(chǎn)生的PWM信號通過實時檢測直線電機中的霍耳傳感器反饋的電機次級位置信號來確定［2］。

直線電機采用U型直線電機，具體參數(shù)為：額定輸出力30 N，定位精度5 μm，最大運行速度1 m/s，允許加速度（3～5）g，最大有效行程380 mm。

電機驅(qū)動器的硬件電路分為控制電路和功率驅(qū)動電路?？刂齐娐分饕刂菩酒珼SP及其外圍電路、DRV8312 驅(qū)動芯片及其外圍電路、霍耳傳感器接口電路、RS232通訊電路和數(shù)字I/O電路等。功率驅(qū)動電路包括輸入電源及其保護電路、電平轉(zhuǎn)換電路、三相逆變電路、PWM 信號驅(qū)動電路、電流采樣電路等。

2.2 功率驅(qū)動電路

功率驅(qū)動逆變電路控制器件的通斷，實現(xiàn)將直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娏鞯姆绞絹眚?qū)動電機。在本設(shè)計中使用的電壓型PWM三相全橋逆變器由6 個MOSFET 開關(guān)管和6 個續(xù)流二極管組成，其中逆變電路原理圖如圖3所示。

圖3 逆變電路工作原理圖Fig.3 Principle diagram of the inverter circuit

圖3中M1，M2，M3，M4，M5，M6為6 個MOSFET 開關(guān)管和6 個續(xù)流二極管，每個開關(guān)管和續(xù)流二極管反相并聯(lián)組成三相全橋的3個橋臂。M為直線電機；U為直流電壓；Hall為霍耳傳感器檢測的電機信號。不考慮觸發(fā)信號的死區(qū)時間，上橋臂開關(guān)管的控制信號和下橋臂開關(guān)管的控制信號成互補關(guān)系，即上橋臂觸發(fā)信號為“1”時，下橋臂觸發(fā)信號就為“0”。每個橋臂的導(dǎo)通角度為180°，同一相的上下兩個橋臂交替導(dǎo)通，每個相開始導(dǎo)通的角度依次相差120°，這樣在任意時間只有一對上下兩臂同時導(dǎo)通［3］。這樣就形成了驅(qū)動電機運動的三相交流電流。

2.3 控制信號電路

控制電路主要完成轉(zhuǎn)子位置信號的譯碼、驅(qū)動信號的生成、PWM斬波信號的控制、轉(zhuǎn)速檢測與控制等功能。

位置和速度傳感器采用3 個霍耳效應(yīng)（HALL）傳感器，霍耳傳感器通過檢測永磁體磁極信號脈沖到達的時刻不同和時間間隔，得到直線電機動子的位置速度和運動方向信息?；舳盘柦?jīng)過編碼后發(fā)送給DSP F28035 輸入捕獲引腳（CAP，QEP），依據(jù)轉(zhuǎn)子信號的不同決定三相全橋逆變電路中上下橋臂的關(guān)斷次序。3個霍耳效應(yīng)傳感器給出3 個180°重疊信號，從而提供6 個強制換相點。當(dāng)檢測到傳感器輸出的上升和下降邊沿時，生成相應(yīng)的標志［4］。

電流檢測電路，由放置在主線路上的采樣電阻檢測電機電流大小，將電流信號處理轉(zhuǎn)換為電壓信號，后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）送至DSP芯片處理運算［5］。因為三相逆變電路每一次換流是在同一個相上下兩臂之間進行的，電機內(nèi)部每次只有1個電流。因此，只需放置1 個電流傳感器就可檢測電機3個相電流［4］。每一次電流測量使DSP在一個PWM周期開始載入全新的PWM占空比。

整體硬件功能原理示意圖如圖4所示。

圖4 整體硬件功能原理示意圖Fig.4 The overall hardware function principle diagram

圖4左側(cè)為DSP芯片內(nèi)部硬件工作原理示意圖，PWM1～PWM3可以產(chǎn)生6 路PWM 信號，并分別控制右側(cè)逆變電路中6 個開關(guān)管的通斷。CAP，QEP為捕獲和正交編碼單元用于對電機Hall信號處理，ADC 單元用檢測逆變電路的電流。UART用于DSP程序和計算機上位機的通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)

程序設(shè)計目標針對開發(fā)板上控制DSP 控制芯片編程，實現(xiàn)采用霍耳效應(yīng)傳感器的直線電機控制。

3.1 程序設(shè)計流程

程序采用Code Composer Studio v5.3 版本進行開發(fā)，采用結(jié)構(gòu)體模塊化、功能遞增構(gòu)建方案。

程序進行一系列相關(guān)初始化后，DSP 啟動PWM 波形產(chǎn)生程序，進入中斷循環(huán)。采樣電阻測量到的直流總線電流通過模數(shù)轉(zhuǎn)化器（ADC）發(fā)送給DSP。在電路板上對采集到的電機霍耳效應(yīng)信號進行處理，并將信號發(fā)給DSP 的GPIO引腳，DSP控制芯片根據(jù)反饋回來的電流和直線電機位置速度信號進入PID 調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)控制電機的伺服控制［6］。

程序流程圖分為主流程圖和中斷程序圖，如圖5a、圖5b所示。

3.2 程序結(jié)構(gòu)功能

程序主控制芯DSP 28035 設(shè)為60 kHz 的PWMDAC；中斷采用DSP 定時器0 執(zhí)行40 kHz的中斷服務(wù)程序；控制器芯片TMS320F28035 配置為PWM1，PWM2，PWM3用于電機控制，PWM6A，PWM6B，PWM7A和PWM7B用于DAC輸出［8］。系統(tǒng)程序主要配置信息如表1所示。

圖5 電機控制程序流程圖Fig.5 Motor control program flow chart

表1 系統(tǒng)程序配置特性Tab.1 System configuration features

程序結(jié)構(gòu)功能總體方框圖直觀表示如圖6所示。

圖6 程序結(jié)構(gòu)功能總體方框圖Fig.6 The overall program structure function block diagram

圖6中，虛線方框模塊為DSP 程序中定義的功能函數(shù)結(jié)構(gòu)體形式［9］。

MOD6_CNT模塊輸出6個可能值0，1，2，3，4或5。用來對應(yīng)生成驅(qū)動三相全橋逆變電路中功率器件的6個換相狀態(tài)。

PWM 模塊用來產(chǎn)生PWM 實際輸出波形PWM1～PWM6用來控制逆變電路開關(guān)管的關(guān)斷。

PID模塊為程序中PID結(jié)構(gòu)體的定義和對電機速度設(shè)定值和返回值進行電機PID調(diào)節(jié)控制。

SPEED模塊為電機速度測量模塊，依據(jù)霍耳效應(yīng)采集的信號進行速度測量。

Hall_Sensor 模塊為電機中霍耳效應(yīng)傳感器對采集到的霍耳信號編碼等處理。

VIRTUAL_TIMER 模塊用來在程序中設(shè)置時間長度，其他模塊中對電機速度的測量和控制。

其中，SPEED 模塊程序控制主要代碼如下所列。

3.3 用戶界面（UI）設(shè)計操作

DRV8312 電機驅(qū)動控制板擁有良好的用戶交互控制顯示界面。能夠很好地顯示電機運行狀態(tài)和程序中重要的變量參數(shù)變化信息。

在確保硬件連接正確的情況下，把GUI程序?qū)懭氲紻SP F28035 的固化Flash 中，然后運行DRV8312GUIv X.exe 程序，便會出現(xiàn)用戶交互（UI）界面，如圖7所示。

圖7 上位機DRV8312界面Fig.7 PC interface of DRV8312

可通過圖7用戶交互（UI）界面左側(cè)旋鈕來調(diào)節(jié)電機運行速度，中間為電機速度實時顯示，最下方的條形刻度條為電機相電流值。右側(cè)曲線為程序中主要變量變化：第1 欄為程序中變量Counter 的6 個取值（對應(yīng)6 個PWM 換相狀態(tài)）；第2 欄為霍耳傳感器采集到的電機位置編碼信號；第3、第4欄為相電壓的反電動勢。

4 實驗調(diào)試

4.1 程序設(shè)定和霍耳信號驗證

運行時程序中變量Counter 的6 個取值變化和對應(yīng)的霍耳傳感器采集到的電機位置編碼信號波形圖如圖8所示。

圖8 變量Counter和霍耳信號波形圖Fig.8 Variables Counter and the hall signal waveforms

分析圖8 可知變量Counter 的6 種可能取值（第1欄）分別上下對應(yīng)電機霍耳信號（第2欄）的6種狀態(tài)，也與電機6個運行狀態(tài)對應(yīng)，和程序設(shè)計思想一致。這樣可以使PWM波形精確控制全橋逆變電路中功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷，實現(xiàn)直流轉(zhuǎn)化為三相交流驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。

4.2 逆變電路和反電動勢驗證

電機A，B，C相反電動勢波形如圖9所示。

圖9 反電動勢A，B，C相波形圖Fig.9 The back emf waveforms figure

圖9由上向下依次為A，B，C 相的反電動勢，分析可以看出實驗所得A，B，C 反電動勢在同一時刻只有一個導(dǎo)通（處于最高值），依次導(dǎo)通形成三相交流電流，和電機控制所需電壓波形相符合。

由于反電動勢取決于電機的運行速度，可以通過監(jiān)控顯示3 個反相電動勢變量的值交替變化，來驗證每相中采樣電流ADC的運行情況。由圖9可以看出反電動勢波形圖和梯形圖與理論上的波形圖符合。直流驅(qū)動電流與梯形反電動勢組合作用使得電機能夠產(chǎn)生一個恒定轉(zhuǎn)矩。

4.3 設(shè)定速度值和實際速度值比較

電機在不同設(shè)定速度下的實際運行速度，實驗結(jié)果如圖10 所示。由于上位機監(jiān)控顯示界面針對的是旋轉(zhuǎn)電機（無刷直流BLDC），此時測量值是將直線電機參數(shù)轉(zhuǎn)化為直流無刷電機運行參數(shù)顯示。該型號無刷直流電機為TI 公司生產(chǎn)的Nema Size 17 BLDC Motor，最高轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。

圖10 設(shè)定轉(zhuǎn)速和實際運行轉(zhuǎn)速Fig.10 Set speed and actual running speed

圖10中上方旋鈕可以設(shè)置電機運行速度，中間條形顯示界面為電機實際反饋的速度，最下面為電機運行時線圈電流值。

由實驗結(jié)果可以看出，圖10a 速度設(shè)定為600 r/min，實際測得電機轉(zhuǎn)速為598 r/min；圖10b速度設(shè)定為800 r/min，實際測得轉(zhuǎn)速為806 r/min。可以看出電機的實際運行速度和設(shè)定速度接近，本次誤差為6 r/min 說明達到預(yù)期速度伺服控制效果。

4.4 PWM占空比調(diào)節(jié)和速度響應(yīng)實驗

圖11a、圖11b 分別為PWM 波形占空比設(shè)定為0.1 和0.2 時速度顯示。上方條形顯示框為電機運行速度顯示，下方旋鈕為PWM 波形占空比設(shè)定，也可通過旋鈕下面輸入框直接輸入PWM占空比值。圖11c為當(dāng)PWM波形占空比由0.1變?yōu)?.2時電機速度響應(yīng)曲線。

圖11 PWM占空比調(diào)節(jié)和速度響應(yīng)實驗Fig.11 PWM duty ratio and speed response experiment

圖11aPWM占空比設(shè)定為0.1時速度測量值為576 r/min；圖11b PWM 占空比設(shè)置為0.2 時速度測量值為1 158 r/min，此時速度約為占空比為0.1 時的2 倍；圖11c 為當(dāng)PWM 波形占空比由0.1變?yōu)?.2 時，電機速度由576 r/min 跳變?yōu)? 158 r/min 時的速度響應(yīng)曲線?？梢钥闯鏊俣葟?76 r/min 到1 158 r/min 響應(yīng)在較為合理的范圍內(nèi)，實現(xiàn)了對直線電機的快速伺服控制。

根據(jù)實驗結(jié)果可以得出：調(diào)節(jié)PWM 波形占空比可相應(yīng)改變電機運行速度；并且速度測量值和PWM 占空比值，成比例對應(yīng)。由此驗證占空比調(diào)節(jié)和電機運行速度響應(yīng)正常。

5 結(jié)論

本文在分析直線電機控制系統(tǒng)原理基礎(chǔ)上，對比傳統(tǒng)分立式器件和DRV8312 集成型電機芯片優(yōu)缺點。實現(xiàn)運用基于TI公司DRV8312 電機驅(qū)動控制芯片的直線電機的伺服控制系統(tǒng)。通過實驗所得電機運行狀態(tài)參數(shù)和上位機界面實驗結(jié)果可以看出，通過此方案可以實現(xiàn)直線電機的伺服控制，實現(xiàn)效果達到預(yù)期設(shè)定目標。

［1］葉云岳.直線電機原理與應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

［2］王健.大推力永磁直線伺服電機及驅(qū)動器設(shè)計［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2005.

［3］馮愷侃.低壓永磁同步電機驅(qū)動器設(shè)計與研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2010.

［4］李兵強.電機控制通用開發(fā)平臺研究和設(shè)計［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［5］姜淑忠，李小海.電機驅(qū)動器中的電流傳感器［J］.電機與控制應(yīng)用，2007，34（6）：29-32.

［6］Texas Instruments Inc.TMS320LF/LC24 系列DSP 指令和編程工具［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［7］Texas instruments Inc.BLDC3-1 Brushless DC-Motor-Control［EB/OL］.http：//www.ti.com/，2013-4-30.

［8］Texas instruments Inc.Digital Motor Control-Software-Library［EB/OL］.http：//www.ti.com/，2003-10.

［9］Texas instruments Inc.6.5A Three Phase Brushless DC Motor Driver with Inrush Protection［EB/OL］.http：//www.ti.com/，2013-4.