陳 超，陳小元，于秉田，吳旦旦

(麗水學(xué)院,麗水 323000)

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陀螺感應(yīng)型無刷電動螺絲刀調(diào)速控制研究

陳 超，陳小元，于秉田，吳旦旦

(麗水學(xué)院,麗水 323000)

采用陀螺感應(yīng)技術(shù)實現(xiàn)調(diào)向調(diào)速控制可使無刷直流電動機驅(qū)動的電動螺絲刀的智能性和操作舒適度得到提升。依據(jù)陀螺儀的應(yīng)用特點，研制了陀螺感應(yīng)型無刷電動螺絲刀系統(tǒng)。詳細敘述了數(shù)字控制模塊和陀螺感應(yīng)模塊電路的設(shè)計；采用了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制策略，操作控制策略和陀螺感應(yīng)控制策略的綜合控制方法，給出了程序流程圖。最后完成對原理樣機測試實驗，實現(xiàn)了應(yīng)用陀螺感應(yīng)功能的無刷直流電動機驅(qū)動的電動螺絲刀用戶操作舒適性和智能性的提升。

陀螺感應(yīng)；無刷直流電動機；電動螺絲刀；控制器；智能操作

0 引 言

電動螺絲刀是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)裝配中提高工作效率和裝配精度的常用工具[1]，傳統(tǒng)電動螺絲刀多數(shù)采用有刷串勵電機作為動力源[2]，但換向火花惡劣，易磨損、無智能控制等缺點限制了其在高精密行業(yè)的應(yīng)用。

無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)采用電子換向裝置來代替?zhèn)鹘y(tǒng)有刷電動機的機械換向裝置，功率密度高，無磨損和火花，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便[3]，逐漸成為國外高端電動工具首選的動力源。另外配以基于高性能MCU的數(shù)字驅(qū)動控制器[4-5]，可以實現(xiàn)數(shù)字變頻的無級調(diào)速?；贐LDCM的高端電動工具產(chǎn)品除具有起動/停止和正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)等基本操作外，還具有軟起動和自制動等功能。當(dāng)用戶觸發(fā)起動操作時，轉(zhuǎn)速會受控逐步升高，保證起動力矩的同時起動電流受限可控。當(dāng)擰緊螺釘扭力增大產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)時，機械機構(gòu)受觸發(fā)產(chǎn)生制動信號，驅(qū)動控制器接收到制動信號后關(guān)斷電機驅(qū)動電源，且采用自制動來快速消耗電機旋轉(zhuǎn)慣性能量，使電機停機，既保證停機速度，又可避免電機受大力矩沖擊和大堵轉(zhuǎn)電流沖擊。

在保證動力輸出的可靠性和高效性的同時，智能性的提升成為了國內(nèi)外高端電動螺絲刀的設(shè)計新方向。如市面上有些電動螺絲刀就采用數(shù)碼管顯示、按鍵操作和喇叭實現(xiàn)計件功能，可保證工件上的螺絲全部安裝和無遺漏。

在一些需要頻繁改變螺絲安裝時速度和轉(zhuǎn)向的裝配領(lǐng)域，即便采用數(shù)字型的電動螺絲刀，亦需要通過設(shè)置正反按鍵和調(diào)速按鍵進行調(diào)向調(diào)速操作，致使裝配工作變得繁瑣，降低了裝配效率。且操作工人疲勞操作，易導(dǎo)致裝配誤操作，使得產(chǎn)品合格率下降。

為了提升電動螺絲刀的智能性和操作舒適度，本文采用陀螺儀傳感器去感應(yīng)扭轉(zhuǎn)方向和幅度，將陀螺儀傳感器輸出的信號經(jīng)分析處理后作為調(diào)向調(diào)速信號，配合硬件和控制策略的相應(yīng)設(shè)計，實現(xiàn)一種陀螺感應(yīng)調(diào)向調(diào)速的無刷驅(qū)動電動螺絲刀控制系統(tǒng)，并通過實驗驗證。

1 工作原理

基于BLDCM的電動螺絲刀系統(tǒng)由驅(qū)動控制器、BLDCM和減速制動機構(gòu)等三大部件組成[6]。圖1為基于陀螺感應(yīng)的無刷電動螺絲刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，其中驅(qū)動控制器由起動操控板、正反轉(zhuǎn)操控板、陀螺感應(yīng)模塊、數(shù)字控制模塊、功率驅(qū)動模塊、電壓電流檢測模塊和霍爾檢測模塊組成。

圖1 陀螺感應(yīng)無刷電動螺絲刀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2為基于陀螺感應(yīng)的無刷電動螺絲刀安裝示意圖。陀螺感應(yīng)模塊安裝在電動螺絲刀體內(nèi)部，通過對扭轉(zhuǎn)動作作出感應(yīng)，輸出感應(yīng)的調(diào)向信號和調(diào)速信號。另外本電動螺絲刀系統(tǒng)亦設(shè)置了正反轉(zhuǎn)操控板，也可以輸出調(diào)向信號。陀螺感應(yīng)調(diào)速信號可直接作為電機轉(zhuǎn)速命令信號?；谕勇莞袘?yīng)調(diào)向信號和正反轉(zhuǎn)調(diào)向信號可以設(shè)計為基本調(diào)向操作模式和陀螺感應(yīng)調(diào)向操作模式兩種。基本調(diào)向模式時，陀螺感應(yīng)信號不起作用，正反轉(zhuǎn)調(diào)向信號獨立使用作為調(diào)向命令信號；陀螺感應(yīng)調(diào)向模式時，陀螺感應(yīng)調(diào)向信號和正反轉(zhuǎn)操控板調(diào)向信號配合使用作為調(diào)向命令信號。

圖2 陀螺感應(yīng)無刷電動螺絲刀安裝示意圖

2 硬件電路設(shè)計

基于陀螺感應(yīng)的無刷電動螺絲刀硬件電路設(shè)計在文獻[6]中所述的基礎(chǔ)上，把微控制器更換為性能更強的8位16 MHz主頻單片機STM8S103，以此來提升系統(tǒng)性能，以及支持計件和陀螺感應(yīng)等智能功能。

2.1 數(shù)字控制模塊

單片機及外圍電路的原理圖如圖3所示，具體功能如下：

圖3 單片機及外圍電路原理圖

(1)PWMUH、PWMUL、PWMVH、PWMVL、PWMWH和PWMWL分別為單片機用于驅(qū)動三相全橋6個開關(guān)管的驅(qū)動信號。其中，PWMUH、PWMVH和PWMWH采用PWM模式，驅(qū)動三相全橋的3個上開關(guān)管，PWMUL、PWMVL和PWMWL采用電平控制模式，用于驅(qū)動三相全橋的3個下開關(guān)管。

(2)HALL_A、HALL_B和HALL_C為霍爾位置信號接口，用于檢測判斷轉(zhuǎn)子瞬時位置，分析計算后可以得到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

(3)三路采樣信號V_ADC、IADC和T_ADC分別是獲取母線電壓信號Vin、母線電流信號iin和MOS管附近溫度信號Temp的接口。

(4)START_IN、DIR_IN和BREAK_IN分別為起動信號、正反轉(zhuǎn)信號和制動信號的接口。陀螺感應(yīng)采樣信號G_ADC經(jīng)單片機分析處理后即可得到陀螺感應(yīng)出的正反調(diào)向和調(diào)速命令。

2.2 陀螺感應(yīng)模塊設(shè)計

陀螺儀傳感器采用ENC-03型號，它是一種應(yīng)用科氏原理的角速度傳感器，可以±0.67mV/[(°)·s-1]的轉(zhuǎn)換率將檢測到的扭轉(zhuǎn)角速度轉(zhuǎn)換為電壓信號。如將其固定在電動螺絲刀上，隨著用戶對電動螺絲刀本體的扭轉(zhuǎn)動作，ENC-03對扭轉(zhuǎn)角速度產(chǎn)生感應(yīng)，經(jīng)過如圖4所示的陀螺儀感應(yīng)電路后，最終輸出的信號G_ADC是一個以1.35 V偏置電壓為基準(zhǔn)、隨角速度變化而線性變化的電壓信號。此外，圖4中陀螺儀感應(yīng)模塊電路中C15和R20組成的高通濾波器用于減小溫度變化的影響；R22和C17組成的低通濾波電路用于抑制傳感器信號噪聲。

圖4 陀螺儀感應(yīng)模塊電路原理圖

圖5為電動螺絲刀驅(qū)動控制器實物圖。主控制板板集成了數(shù)字控制模塊、功率驅(qū)動模塊和電壓電流等檢測模塊，副控制板主要集成了陀螺感應(yīng)模塊。兩控制板可以上下層疊加，便于安裝。起動操控板和正反操控板通過接口與主控制板連接。圖6為基于陀螺感應(yīng)的無刷電動螺絲刀樣機。

圖5 驅(qū)動控制器實物圖

圖6 新型電動螺絲刀樣機實物圖

3 控制策略設(shè)計

BLDCM的驅(qū)動控制方法有很多，本文采用經(jīng)典的兩相導(dǎo)通星型三相6狀態(tài)導(dǎo)通方式，調(diào)制方式為H_PWM-L_ON，具體見參考文獻[6]。

3.1 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制策略設(shè)計

圖7 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制框圖

相較于轉(zhuǎn)速單閉環(huán)控制策略，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制策略增加了一個電流內(nèi)環(huán)控制，即保證轉(zhuǎn)速控制精度的同時，又使電流受控，可抑制起動或堵轉(zhuǎn)時的電流過沖，系統(tǒng)更為穩(wěn)定可靠。在用戶觸發(fā)起動時，為給螺絲刀頭與螺絲槽口留一段嚙合時間，又要保證起動迅速，轉(zhuǎn)速的加速須設(shè)計為先緩再急的控制方式。因此軟起動功能可通過設(shè)定轉(zhuǎn)速n*分檔加速的方法再配合轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)來實現(xiàn)。

轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制策略需要實時檢測母線電流iin和實際轉(zhuǎn)速n。母線電流iin可通過檢測串在母線電流檢測電阻獲取[6]，實際轉(zhuǎn)速n可通過分析霍爾信號變化得到。在圖7的控制框圖中，每個定時器中斷(對應(yīng)一個PWM脈沖時間)需要分析三路霍爾信號來進行一次轉(zhuǎn)子位置檢測，并計算一次電機驅(qū)動控制策略。轉(zhuǎn)子磁勢旋轉(zhuǎn)一周時，每個霍爾信號也高低電平變化一次，因此可以累計霍爾信號高低電平變化一次時定時器中斷個數(shù)Sum，來推算轉(zhuǎn)子此周期的轉(zhuǎn)速n。本單片機的定時器中斷頻率為16 kHz，因此,分別將三個霍爾信號變化一周的中斷個數(shù)代入式(1)，可以得到三個轉(zhuǎn)速值，再求平均后轉(zhuǎn)速會更精確。

(1)

3.2 操作控制策略設(shè)計

START_IN、DIR_IN和BREAK_IN作為起動信號、正反轉(zhuǎn)信號和制動信號，可以實現(xiàn)電動螺絲刀基本操作功能，新型電動螺絲刀增加了陀螺感應(yīng)功能后，陀螺感應(yīng)信號與這三種信號配合操作。表1所示為操作狀態(tài)說明表。

表1 操作狀態(tài)說明表

在電動螺絲刀上電后的5 s內(nèi)，若檢測到DIR_IN信號為低電平，則此次上電期間不啟用陀螺感應(yīng)功能，進入基本調(diào)向操作模式，由正反轉(zhuǎn)操控板輸出的DIR_IN信號來決定螺絲刀電機輸出的轉(zhuǎn)向，低電平時為正轉(zhuǎn)(順時針方向)，高電平時為反轉(zhuǎn)(逆時針方向)。

在電動螺絲刀上電后5 s內(nèi)，若檢測到DIR_IN信號為高電平，則起動陀螺感應(yīng)功能，進入陀螺感應(yīng)調(diào)向操作模式。此時，由陀螺感應(yīng)方向信號和DIR_IN共同控制電機輸出方向。兩者分別為低/低或高/高時，電機正轉(zhuǎn);分別為高/低或低/高時，電機反轉(zhuǎn)。因此，不同的扭轉(zhuǎn)方向都可以通過正反轉(zhuǎn)操控板的設(shè)置實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)輸出，滿足了不同用戶的操作習(xí)慣要求。

3.3 陀螺感應(yīng)的調(diào)向調(diào)速控制策略設(shè)計

圖4的陀螺感應(yīng)模塊電路輸出信號G_ADC是一個包含扭轉(zhuǎn)時的角速度信息的電壓信號，經(jīng)單片機分析處理后獲取實時的角速度量ω(t)。考慮陀螺儀傳感器ENC-03輸出信號特點，將角速度量ω(t)代入式(2)獲取扭轉(zhuǎn)時的角位移量θ(t)，將θ(t)的正負作為陀螺感應(yīng)調(diào)向命令信號，θ(t)的絕對值大小作為陀螺感應(yīng)調(diào)速信號?？紤]用戶對螺絲刀的調(diào)速要求，設(shè)計為有級調(diào)速，共4個速度檔。

(2)

3.4 主控程序設(shè)計

控制器的主控程序由主程序和定時器中斷程序兩部分組成。主程序除完成單片機相關(guān)功能初始化配置外，在循環(huán)中還要完成對DIR_IN，BREAK_IN和START_IN等操作信號的檢測處理，獲取操作控制命令，并對系統(tǒng)監(jiān)控保護。中斷程序完成所有電機控制功能，其處理流程圖如圖8所示。

圖8 中斷處理流程圖

在中斷程序中，首先執(zhí)行電壓、電流和溫度等采樣參數(shù)的數(shù)據(jù)處理，然后檢測霍爾信號并判斷處理轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，接著根據(jù)主程序循環(huán)中得到的操作命令來使電機工作于不同狀態(tài)。在待機狀態(tài)時，關(guān)閉電機驅(qū)動功能；在制動狀態(tài)時，電機三相繞組短路實現(xiàn)快速制動；在運行狀態(tài)時，控制電機運行于相應(yīng)工作模式。

系統(tǒng)工作于運行模式時，如果陀螺儀功能已經(jīng)啟用，則須先處理陀螺感應(yīng)功能獲取陀螺感應(yīng)調(diào)向和調(diào)速命令信號，然后執(zhí)行調(diào)向調(diào)速操作處理，確定最終電機運行命令。當(dāng)電機處于初始運行時刻，執(zhí)行軟起動功能，設(shè)定轉(zhuǎn)速n*采用先緩后急的方式，逐步逼近調(diào)速檔位對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，最終穩(wěn)定在檔位對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。n*交由轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)處理后得到占空比d，再由電機驅(qū)動控制策略算法計算后輸出6路MOS管驅(qū)動信號給功率驅(qū)動電路。

4 實驗驗證

圖9為正向扭轉(zhuǎn)時操作信號及母線電流波形，顯示了從待機狀態(tài)開始，正反轉(zhuǎn)設(shè)置，按下起動，扭轉(zhuǎn)使陀螺感應(yīng)，運行以及最后制動過程中，信號DIR_IN、BREAK_IN、START_IN、G_ADC和I_ADC的變化情況。

圖9 正向扭轉(zhuǎn)時操作信號及母線電流波形

從圖9中可以看出，起動前START_IN為低電平，G_ADC電平維持在1.35 V左右。當(dāng)用戶操作起動操控板，使START_IN變?yōu)楦唠娖胶蟮臅r間段(1)內(nèi)，起動操作時的抖動導(dǎo)致G_ADC波形出現(xiàn)了一個低于1.35 V的凹谷，角速度量ω(t)為負值，經(jīng)時間積累后的角位移量θ(t)較小，沒有達到起動最低速度檔位1的閾值，故無陀螺感應(yīng)命令信號，電機無法起動。在時間段(2)，用戶正向扭轉(zhuǎn)電動螺絲刀，G_ADC波形高于1.35 V，在整個時間段內(nèi)隨角速度量ω(t)的累加，使角位移量θ(t)增大，在扭轉(zhuǎn)結(jié)束時，經(jīng)單片機分析計算判斷速度檔位為2擋。此后在時間段(3)，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制策略開始工作，初始軟起動時隨著設(shè)定轉(zhuǎn)速n*從0開始逐步逼近檔位轉(zhuǎn)速，母線電流IADC上升直至穩(wěn)定在0.3 A左右。在時間段(3)的后半段，由于螺絲擰入塑料件螺紋深處時，需要的扭力變大，IADC超過0.4 A；特別是在最后時刻，螺絲擰緊堵轉(zhuǎn)，IADC超過0.6 A，此時減速制動機構(gòu)傳輸給單片機一個制動信號，控制器使電機制動停機，IADC瞬間降為0，一次工作結(jié)束。

從圖10可看出，起動陀螺感應(yīng)功能后，置DIR_IN為高電平即反轉(zhuǎn)，接著START_IN置為高電平起動電機，反方向扭轉(zhuǎn)電動螺絲刀，陀螺感應(yīng)波形中出現(xiàn)一個低于1.35 V的凹谷，且凹谷比圖9的凸起面積大，單片機采樣處理后判斷陀螺感應(yīng)方向信號為反轉(zhuǎn)，調(diào)速檔位為3擋。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時IADC為0.4 A左右，螺絲擰入塑料件螺紋深處時，IADC大于0.7 A，直至堵轉(zhuǎn)停機。

圖10 反向扭轉(zhuǎn)時操作信號及母線電流波形

圖11演示了空載運行時兩次調(diào)檔的操作信號及母線電流波形圖。起動后正向扭轉(zhuǎn)，在時間段(1)積累了正的位移量θ(t)，產(chǎn)生了調(diào)向和調(diào)擋命令。操作者在完成時間段(1)的動作后電動螺絲刀正向運行，但操作者手腕處于扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，考慮到操作者使用的舒適性，此時操作者手腕需要退出扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，反轉(zhuǎn)扭回到初始位置，即在時間段(2)產(chǎn)生負的角速度量ω(t)，與時間段(1)的積累的θ(t)方向相反，程序處理時屏蔽對時間段(2)的ω(t)的累加計算。當(dāng)檔位較低時，還可以再次扭轉(zhuǎn)，使位移量θ(t)繼續(xù)變大，速度擋位提高。因此在時間段(3)重新正向扭轉(zhuǎn)電動螺絲刀，速度檔位提高，電機提速，而操作者手腕在時間段(4)中的退出，扭轉(zhuǎn)狀態(tài)被屏蔽。

圖11 連續(xù)扭轉(zhuǎn)時操作信號及母線電流波形

5 結(jié) 語

本文基于陀螺感應(yīng)信號實現(xiàn)無刷電動螺絲刀調(diào)向調(diào)速功能，詳細敘述了陀螺感應(yīng)型無刷電動螺絲刀的硬件電路和控制策略設(shè)計。通過對實驗中操作信號、陀螺感應(yīng)信號和母線電流的波形分析，驗證了新型電動螺絲刀可以通過扭轉(zhuǎn)操作，實現(xiàn)調(diào)向和調(diào)速，并可以連續(xù)調(diào)擋。實驗表明，控制器的硬件設(shè)計合理可靠，控制策略清晰有效，用戶操作舒適，滿足電動螺絲刀的智能性要求。

由于陀螺儀傳感器ENC-03性能受限，無法實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)幅度與速度精確對應(yīng)的無級調(diào)速。采用更高分辨率的陀螺儀傳感器，基于本智能電動螺絲刀平臺改進調(diào)向調(diào)速控制算法，可進一步實現(xiàn)無級調(diào)速。

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Speed Control of Brushless DC Electric Screwdriver Based on Gyro Sensor

CHENChao,CHENXiao-yuan,YUBing-tian，WUDan-dan

(Lishui University,Lishui 323000,China)

Gyro sensor technology can be used to the speed control of the electric screwdriver drived by the brushless DC motor for promoting the operation intelligence and comfortableness. The speed control system of brushless DC electric screwdriver based on gyro sensor was designed according the application characteristics of the gyro sensor in this paper. The digital controller and gyro sensor circuit were illustrated in detail. The comprehensive control strategies were included by the losed-loop control of speed and current, operating control and gyro sensoring control, and the program flow chart was gived and analyzed. A prototype of brushless DC electric screwdriver based on gyro sensor was designed with the method presented and the tests were accomplished. The results show that the operation intelligence and comfortableness of the brushless DC electric screwdriver based on gyro sensor are improved effectively.

gyro sensor; brushless DC motor; electric screwdriver; controller; intelligent operation

2015-03-10

浙江省高等教育教學(xué)改革項目(jg2015186);浙江省高校實驗室工作研究重點項目(ZD201502);浙江省訪問學(xué)者發(fā)展項目(FX2013154);麗水市公益性技術(shù)應(yīng)用研究項目(2013ZC004);國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201410352003)

TM33

A

1004-7018(2016)01-0059-05

陳超(1984-)，男，碩士，講師，研究方向為電力電子技術(shù)和電機數(shù)字控制技術(shù)。