伍艮常

(株洲職業(yè)技術學院,湖南株洲 412001)

0 引言[1-2]

過去,直流電動機大多采用電刷和滑環(huán)組成的機械整流子進行機械換向,而這種機械換向方式具有燥聲大、火花、無線電干擾、壽命短等缺點?，F(xiàn)在,電子換向式直流無刷電動機不僅克服了機械換向式的缺點,而且既具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點,還具備直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點。再加上近年來電力電子技術的飛速發(fā)展、新材料和新型電力電子器件的不斷涌現(xiàn),為直流無刷電動機的推廣應用打下了堅實的基礎。直流無刷電動機在航空航天、機器人控制、醫(yī)療器械、儀器儀表、家用電器等諸多領域得到了廣泛的應用。

近年來,隨著 DSP芯片制造和使用技術的不斷成熟,基于 DSP的無刷直流電動機控制系統(tǒng)的研究越來越被人們所重視。基于 DSP的無刷直流電動機控制正逐步取代基于單片機的無刷直流電動機控制。TMS320F2812是美國德州儀器公司(TI公司)專門為工業(yè)應用而設計的新一代 DSP處理器。該芯片采用了高性能的 32位中央處理器、哈佛總線結(jié)構(gòu),高性能靜態(tài) CMOS技術,主頻最高可達 150MHZ(時鐘周期為6.67ns);具有外部存儲器接口 XINTF,可擴展多達1MB的存儲空間。

1 驅(qū)動控制工作原理

1.1 系統(tǒng)交聯(lián)關系

圖 1是系統(tǒng)交聯(lián)關系框圖,執(zhí)行機構(gòu)使用直流無刷電機作為驅(qū)動本體。控制計算機給驅(qū)動控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號,驅(qū)動控制系統(tǒng)把控制信號轉(zhuǎn)換成相應功率信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)中的電機運動。

圖 1 系統(tǒng)交聯(lián)框圖

驅(qū)動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)字控制和速度控制。數(shù)字控制是指控制系統(tǒng)只需給定目標位置,運行速度規(guī)劃由驅(qū)動控制系統(tǒng)自動完成;速度控制是指控制系統(tǒng)按周期規(guī)劃好運動速度,驅(qū)動控制系統(tǒng)根據(jù)其指定速度進行運動,然后把位置信息反饋給控制計算機。

1.2 驅(qū)動控制系統(tǒng)原理[3-4]

圖 2、3分別是驅(qū)動控制框圖和原理圖。驅(qū)動控制板與電機信號接口有三相功率信號接口、霍爾傳感器換向接口、編碼器角度位置反饋接口,驅(qū)動控制板對外接口有數(shù)字通信接口、速度控制模擬輸入接口、位置反饋接口和報警檢測接口等。

驅(qū)動控制系統(tǒng)由 DSP控制子系統(tǒng)和功率放大器組成,DSP子系統(tǒng)依據(jù)位移、速度及加速度參數(shù)設定實現(xiàn)電機位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)控制,即實現(xiàn)數(shù)字化驅(qū)動,產(chǎn)生 PWM驅(qū)動三相功率放大器,然后輸出 A、B、C信號驅(qū)動電機運轉(zhuǎn);電機內(nèi)側(cè)霍爾換向傳感器的信號決定當前那個功率管導通。編碼器發(fā)出兩相相差 90°的脈沖信號,通過對脈沖數(shù)計數(shù),可知電機當前角位移,即實現(xiàn)位置閉環(huán)控制。驅(qū)動控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)通信接口或模擬信號接口與上位機通信,交互電機運行狀態(tài)信息和位置信息等。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 驅(qū)動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計

驅(qū)動控制系統(tǒng)由 DSP控制板和功率驅(qū)動板構(gòu)成,DSP控制板負責數(shù)據(jù)通信、控制算法和監(jiān)控,功率驅(qū)動板包括功率放大電路、電流檢測電路、接口電路和電源變換電路等。兩塊板連接形式如圖 4所示,采用背靠背連接,中間走兩板之間信號,旁邊為固定螺絲孔,這種結(jié)構(gòu)牢靠,模塊化設計便于維修。

圖 4 硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 控制板原理設計

2.2.1 控制板硬件設計

控制板的硬件原理框圖如圖 5所示,包括兩個接口,即系統(tǒng)接口和功率驅(qū)動板接口。由于采用集成度高的器件,板上器件比較少,主要有 DSP處理器、RAM、電源模塊、信號隔離、通信電平轉(zhuǎn)換接口、模擬信號接口、IO離散量轉(zhuǎn)換接口,其中電源模塊是把 5V電源轉(zhuǎn)換成為 DSP處理器需要的 3.3V和 1.8V電源;信號隔離是指 DSP的信號電平 3.3V,而外部信號電平5V,若 5V信號直接輸入到 DSP的引腳,會燒壞 DSP處理器,因此需要在3.3V和 5V加入信號隔離器件;通信接口是提供傳輸數(shù)據(jù)接口電平;IO離散量即轉(zhuǎn)換成某軍工控制系統(tǒng)需要的信號電平。

2.2.2 核心器件介紹[5-6]

TMS320F2812是 TI公司為電機驅(qū)動控制研制的

圖 5 控制板硬件原理框圖

專用控制芯片,該器件主要特點如下：

(1)32位定點 CPU;

(2)150MHz時鐘頻率;

(3)128K×16位片上 FLASH存儲器;

(4)18K×16位單周期片內(nèi) RAM;

(5)4K×16位 BOOT ROM;

(6)兩個事件管理器(EVMA、EVMB);

(7)兩個 UART接口模塊(SCIA、SCIB);

(8)CAN2.0B接口模塊;

(9)12位、16通道 A/D模塊,80ns轉(zhuǎn)換時間,0～3V模擬電壓范圍;

(10)3個 32位 CPU定時器;

(11)3個外部中斷;

(12)56個通用 I/O引腳。

事件管理器 EVM模塊主要包括：

(1)8通道 16位 PWM;

(2)死區(qū)產(chǎn)生和配置單元;

(3)正交脈沖編碼接口 QEP;

(4)3個捕獲單元,捕捉直流無刷霍爾換向信號;

(5)外部可屏蔽功率或驅(qū)動保護中斷。

由于該款芯片具有事件管理器,特別適合于做電機驅(qū)動控制。

2.2.3 通信接口設計[7]

TMS320F2812具有雙通道串口和 CAN總線接口,在設計中利用現(xiàn)有通信接口來實現(xiàn)需要功能的開發(fā)。串口是最常用的通信方式,故系統(tǒng)設計中采用串行接口。

2.3 功率驅(qū)動板原理設計[8-9]

2.3.1 功率驅(qū)動板硬件設計

功率驅(qū)動板的硬件原理框圖如圖 6所示,包括功率驅(qū)動、電平轉(zhuǎn)換接口和檢測電路。功率 MOS模塊和三相橋驅(qū)動芯片組成電機功率模塊,驅(qū)動電機工作,其他電路用于確保電機可靠地運行。

2.3.2 三相橋驅(qū)動芯片

圖 6 功率驅(qū)動板硬件原理框圖

IR2132可用來驅(qū)動工作在母電壓不高于 600V的電路中的功率 MOS門器件,其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動電流為 250mA,而反向峰值驅(qū)動電流為 500mA。它內(nèi)部設計有過流、過壓及欠壓保護、封鎖和指示網(wǎng)絡,使用戶可方便的用來保護被驅(qū)動的 MOS門功率管。器件的門極驅(qū)動信號產(chǎn)生 2μs互鎖延時時間,可以防止同一橋臂上、下兩個功率管同時導通。它自身工作和電源電壓的范圍較寬(3～20V),在它的內(nèi)部還設計有與被驅(qū)動的功率器件所通過的電流成線性關系的電流放大器,電路設計還保證了內(nèi)部的 3個通道的高壓側(cè)驅(qū)動器和低壓側(cè)驅(qū)動器可單獨使用,亦可只用其內(nèi)部的 3個低壓側(cè)驅(qū)動器,并且輸入信號與 TTL及COMS電平兼容。

2.3.3 電流檢測電路

首先,電流的檢測是用分壓電阻 R來實現(xiàn)的,經(jīng)運算放大電路放大后送入 DSP的 ADC輸入端,A/D轉(zhuǎn)換的最大轉(zhuǎn)換電壓為 3V,每一次 PWM周期對電流采樣一次,PWM的周期設為 50μs,即電流的采樣頻率為20KHz。

其次,要確定何時對電流采樣。直流無刷電機采用全橋雙極性驅(qū)動,即兩個對角開關管的上、下橋臂開關管都采用 PWM控制,開關管在 PWM周期的“開”瞬間,電流上升并不穩(wěn)定,也不宜采樣,所以電流采樣時刻在 PWM周期的“開”期間的中部,如圖 7所示,對V 1、V6開關管的控制的波形。

圖 7 PWM控制時電阻壓降波形

電流檢測電路的設計主要是分壓電阻參數(shù)、電壓跟隨等的設計,由于采用的直流無刷三相電機,故需要有三個電流通道。

2.3.4 霍爾換相電路

為了保證得到恒定的轉(zhuǎn)矩,必須要對三相直流無刷電機進行換相。掌握好恰當?shù)膿Q相時刻,可以減少轉(zhuǎn)矩的波動。

電機的換相信號是通過三個霍爾傳感器得到的。每個霍爾傳感器產(chǎn)生 180°脈寬的輸出信號,如圖 8所示三個霍爾傳感器的輸出信號互相差 120°相位,在每個機械旋轉(zhuǎn)中共有六個上升或下降沿,正好對應六個換相時刻。

圖 8 霍爾傳感器輸出波形

只是知道換相時刻還不能正確換相,還需要知道應該換哪一相。通過將 TMS320F2812的捕捉端口設置為 I/O口,并檢測該口的電平狀態(tài),就可以知道哪一個霍爾傳感器的什么沿觸發(fā)的捕捉中斷。捕捉端口的電平狀態(tài)稱為換相控制字,換相控制字和換相的對應關系參照軟件設計。

霍爾換相電路就是對從霍爾傳感器輸出信號進行濾波,電平轉(zhuǎn)換電路。

2.4 接口信號定義

2.4.1 某控制系統(tǒng)與驅(qū)動控制系統(tǒng)接口

表 1 控制系統(tǒng)與驅(qū)動控制系統(tǒng)信號接口

2.4.2 控制板與功率驅(qū)動板間信號接口

表 2 控制板與功率驅(qū)動板間的信號接口

(續(xù)表)

2.4.3 功率驅(qū)動與電機接口

表3 功率驅(qū)動與電機間信號接口

2.5 軟件設計方案

2.5.1 軟件設計要求

采用 C語言編制和模塊化設計。

2.5.2 軟件總體功能

軟件系統(tǒng)工作主要完成驅(qū)動控制系統(tǒng)的功能選擇模式、運行參數(shù)設置、電機控制算法、數(shù)據(jù)通信、模擬量采集、運行監(jiān)視和其他故障診斷工作。

電機控制算法是軟件開發(fā)的重點和難點,控制算法依據(jù)給定參數(shù)和電機實時反饋數(shù)據(jù)進行對電機實時控制,該模塊性能直接影響到驅(qū)動控制系統(tǒng)性能;另一個工作軟件冗余度設計和故障邏輯處理,主要用途是保證系統(tǒng)工作的可靠性和執(zhí)行機構(gòu)的安全性。

3 關鍵技術

3.1 數(shù)字化驅(qū)動控制系統(tǒng)的設計

數(shù)字化驅(qū)動控制系統(tǒng)是指驅(qū)動控制系統(tǒng)接收某控制系統(tǒng)的位置信息,驅(qū)動控制系統(tǒng)自動規(guī)劃電機運動控制速度、位置檢測,同時實時反饋當前電機工作狀態(tài)和位置信息。

采用數(shù)字化驅(qū)動控制系統(tǒng),可提高整個系統(tǒng)的可靠性及控制精度。為了保證此項關鍵技術的實現(xiàn),采用了以下方法和措施：

(1)采用集成度高、頻率高的 DSP芯片,選用TMS320F2812器件其工作頻率可達 150MHz;

(2)電機的三環(huán)控制由軟件實現(xiàn),三環(huán)為位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán),避免了模擬電路中模擬元器件因為受環(huán)境因素影響而發(fā)生時漂、溫漂,影響控制精度;

(3)驅(qū)動控制系統(tǒng)采用串口/CAN總線進行數(shù)據(jù)交互;

(4)速度規(guī)劃采用直線加降速算法保證運行穩(wěn)定;

(5)軌跡點預先連續(xù)規(guī)劃,某軍工自動控制系統(tǒng)給定的是離散位置點,驅(qū)動控制系統(tǒng)通過軌跡擬合算法,使各個位置點平滑過渡,避免了電機頻繁停止啟動,有利于提高電機壽命和運行平穩(wěn)性。

3.2 雙通道的設計

雙通道是指一個控制板有兩個驅(qū)動電機的電氣通道,一個通道控制一個電機,每個通道都可以獨立工作。若檢測到功率驅(qū)動硬件異常,立即啟動另一通道工作。

雙通道的設計即驅(qū)動控制系統(tǒng)引入冗余設計思想,提高驅(qū)動控制系統(tǒng)的安全性、可靠性。為了保證此項關鍵技術的實現(xiàn),采用以下方法和步驟：

(1)在硬件電路設計中,引入功率驅(qū)動自檢電路,通過自檢電路可以確定是電機故障、功率驅(qū)動電路故障、軟件故障;

(2)在發(fā)生故障時,首先進行軟件自檢測。

(3)在軟件設計中,引入冗余設計,對 DSP兩個EVM事件管理器進行分別控制,同時實時監(jiān)視通道中的硬件工作狀態(tài);

(4)軟件復位,并通知工業(yè)控制計算機當前故障原因。

4 結(jié)束語

本文對直流無刷電動機的特點及新型 DSP芯片TMS320F2812的性能等作了詳細的介紹,并對基于DSP的無刷直流電動機控制系統(tǒng)的設計作了認真的分析和介紹,并將該設計應用于某軍工控制系統(tǒng),取得了非常好的效果,為 DSP芯片 TMS320F2812在直流無刷電機控制系統(tǒng)中的開發(fā)、利用,作了很好的探索,具有一定的理論和實踐價值。

本文作者創(chuàng)新點：采用成熟技術,降低研制風險;采用集成化、模塊化,提高可靠性和維修性;采用數(shù)字化設計,提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性;采用雙通道設計,提高系統(tǒng)的安全性。

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