劉國松，唐 帥，萬彥超

(1.中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系, 重慶 401331; 2.軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院 軍事新能源技術(shù)研究所， 北京 100091； 3.中國人民解放軍63926部隊(duì), 北京 100192)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，人工智能機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用已成為一個研究熱點(diǎn)。電機(jī)作為機(jī)器人的“關(guān)節(jié)”，是機(jī)器人能夠自由運(yùn)動的關(guān)鍵部件，而電機(jī)控制器又是連接電機(jī)和主控制芯片的關(guān)鍵部件。一個好的電機(jī)控制器能充分發(fā)揮電機(jī)的性能，同時能保護(hù)電機(jī)，延長電機(jī)的壽命?，F(xiàn)有的控制器驅(qū)動電路存在電流不均、開關(guān)時間不一等問題[1-4]。本文采用改進(jìn)的全橋驅(qū)動電路，對橋臂上開關(guān)統(tǒng)一采用N型場效應(yīng)管，通過改變算法達(dá)到同樣的控制效果，同時解決了電流不均、開關(guān)時間不一等問題。

1 電機(jī)控制器的基本結(jié)構(gòu)

電機(jī)控制器[5]由通訊模塊、控制模塊、驅(qū)動模塊、電源模塊和檢測模塊5個模塊組成，電機(jī)及各模塊之間的關(guān)系如圖 1所示。驅(qū)動模塊控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；控制模塊接收來自通訊模塊的控制信號及檢測模塊的檢測信號，并向驅(qū)動模塊發(fā)送控制信號以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制及糾正，同時將信息反饋給通訊終端；電源模塊則用于保證整個控制器及電機(jī)的穩(wěn)定供電。

圖1 電機(jī)控制器模塊構(gòu)成

根據(jù)電機(jī)控制器模塊功能不同，將控制器的驅(qū)動模塊和控制模塊分別置于PCB板兩端，并增加地層和電源層，有效地隔離了驅(qū)動模塊中的強(qiáng)電流對控制信號的干擾?？刂菩酒瑒t采用獨(dú)立的電源芯片(HDW-24S05)供電。該芯片是一款高性能的電源芯片，輸出電壓精度為±1%，輸入電壓幅值為18～36 V。同時，該芯片具有電磁兼容的特性，能在強(qiáng)磁環(huán)境下工作。另外，由于其采用一體化灌封，使其具有防腐、防潮、防震性能以及良好的導(dǎo)熱性能?？刂菩酒捎酶咝阅艿腡MS320F2808[6]控制芯片。該芯片為專門的數(shù)字信號處理器，主要有如下特性：高性能CMOS技術(shù)、32位CUP、多達(dá)16個脈寬調(diào)制(PWM)輸出、多達(dá)2個正交編碼器接口、多達(dá)2個控制器局域網(wǎng) (CAN) 模塊、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，16個通道。最終設(shè)計的PCB版實(shí)物如圖2所示。

圖2 PCB板實(shí)物

2 改進(jìn)的全橋控制電路設(shè)計

典型全橋電路[7]如圖3所示。它由2個P型場效應(yīng)管Q1、Q2與2個N型場效應(yīng)管Q3、Q4組成，所以又稱P-NMOS 管H橋。橋臂上的4個場效應(yīng)管相當(dāng)于4個開關(guān)。通過控制開關(guān)的通斷，可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)供電以及供電方向的控制。當(dāng)Q2、Q3導(dǎo)通，Q1、Q4斷開時，電機(jī)將沿箭頭所指方向轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)Q2、Q3的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制；相反，當(dāng)Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3斷開時，電機(jī)將沿箭頭所指方向反方向轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)Q1、Q4的導(dǎo)通與關(guān)斷，同樣可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制。

圖3 典型H橋電路

但是，這種P-NMOS管H橋同時存在P型場效應(yīng)管和N型場效應(yīng)管[8]，而這兩種場效應(yīng)管在性能上不可避免地存在著差異。因此，驅(qū)動電路中必然存在著電流不均、開關(guān)時間不一等不利影響。為了提高控制的精度，消除不同場效應(yīng)管帶來的影響，本設(shè)計對P-NMOS管H橋進(jìn)行了改進(jìn)：4個場效應(yīng)管均采用N型場效應(yīng)管。由于采用完全相同的場效應(yīng)管，因此每個橋臂在相同電壓下允許流過的電流將完全一致，同時開關(guān)時間也將相同，從而消除了不同場效應(yīng)管間帶來的誤差。改進(jìn)的全橋電路如圖4所示。

圖4 全橋驅(qū)動模塊

全橋驅(qū)動模塊采用4N-MOS管全橋驅(qū)動，驅(qū)動電壓為12 V，同時加入了IR21834芯片，可將控制信號的5 V電壓升到12 V。模塊還加入了電流傳感器芯片ACS712。該芯片由Allegro公司推出，是一種線性電流傳感器，它內(nèi)部有精確的低偏置線性霍爾傳感器，能輸出并檢測到與直流或者交流電流成比例的電壓。同時，該芯片帶寬為50 kHz，總輸出誤差最大為4%，具有噪聲低、響應(yīng)時間快(對應(yīng)步進(jìn)輸入電流，輸出上升時間為5 s)、輸出靈敏度高(66～185 mV/A)、使用方便、性價比高、絕緣電壓高等特點(diǎn)。由于驅(qū)動電路采用4個N型場效應(yīng)管，因此控制算法將與典型的全橋驅(qū)動電路不同，所以應(yīng)重新設(shè)計控制算法。

3 控制算法設(shè)計

控制算法考慮流過電機(jī)的電流、電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及電機(jī)當(dāng)前的位置3個因素的影響，設(shè)計了三環(huán)控制系統(tǒng)。

整個控制流程如圖5所示?？刂破靼恢铆h(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)，后一環(huán)嵌入前一環(huán)。由于電流的響應(yīng)急快，同時對電流的檢測是評斷電機(jī)是否過流的安全保證，因此將其作為最內(nèi)環(huán)控制。速度環(huán)響應(yīng)快于位置環(huán)，因此將速度環(huán)作為中間環(huán)，將位置環(huán)作為最外環(huán)。無論是位置環(huán)、速度環(huán)還是電流環(huán)，均采用PID控制算法[9-10]，前一環(huán)的輸出結(jié)果作為下一環(huán)的輸入，形成相互嵌套的三環(huán)控制系統(tǒng)[11]。相應(yīng)的控制程序流程如圖6所示，左側(cè)為主程序流程，右側(cè)為調(diào)用的子程序。

圖5 控制流程

圖6 控制程序流程

4 實(shí)驗(yàn)測試與分析

實(shí)驗(yàn)采用90 W的帶減速箱的Maxon電機(jī)進(jìn)行?？刂破鲗?shí)物如圖7所示。測試實(shí)驗(yàn)共分為啟動實(shí)驗(yàn)、軌跟隨實(shí)驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)3部分，分別用于測試電機(jī)的啟動響應(yīng)、跟隨性能和過流保護(hù)性能。

圖7 控制器實(shí)物

3種實(shí)驗(yàn)均記錄了電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律和電流變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8～17。

圖8 啟動測試的轉(zhuǎn)速曲線

圖9 啟動測試的電流曲線

圖10 正弦跟隨的轉(zhuǎn)速曲線

圖11 正弦跟隨的電流曲線

圖12 方波跟隨的轉(zhuǎn)速曲線

圖13 方波跟隨的電流曲線

圖14 未加限流條件下堵轉(zhuǎn)測試的轉(zhuǎn)速曲線

圖15 未加限流條件下堵轉(zhuǎn)測試的電流曲線

圖16 加限流條件下堵轉(zhuǎn)測試的轉(zhuǎn)速曲線

圖17 加限流條件下堵轉(zhuǎn)測試的電流曲線

啟動實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖8、圖9所示，啟動響應(yīng)時間在0.1 s左右，響應(yīng)較快。速度啟動平滑，啟動后能夠穩(wěn)定在最大速度值上，且誤差小于5%，符合設(shè)計要求。由于加入了電流環(huán)，電流在啟動時沒有產(chǎn)生過流現(xiàn)象。跟隨實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10～13所示，電機(jī)的速度能很好地跟隨設(shè)定的速度，能滿足設(shè)計要求。同時，電流能夠維持在一個較低的值，沒有突變的發(fā)生。電流在速度反向時會產(chǎn)生較小的波峰，但在誤差允許范圍內(nèi)。電機(jī)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14～17所示，在未加過流保護(hù)的情況下，電流過流值達(dá)60 mA；在加入過流保護(hù)后，電流值被限定在30 mA以內(nèi)，平均值在20 mA左右，在電機(jī)突然堵轉(zhuǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)了過流保護(hù)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的電機(jī)控制器，針對驅(qū)動電路存在電流不均、開關(guān)時間不一等問題，采用改進(jìn)的全橋控制電路，有效解決了這一問題，并設(shè)計了相應(yīng)的控制算法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電機(jī)能夠控制啟動電流，達(dá)到安全、穩(wěn)定、快速的啟動效果，同時具有良好的跟隨性能和過流保護(hù)能力。該控制器能還可應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。