直流無刷伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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Motionchip是一種性能優(yōu)異的專用運(yùn)動(dòng)控制芯片，擴(kuò)展容易，使用方便。本文基于該芯片設(shè)計(jì)了一款可用于直流有刷/無刷伺服電機(jī)的智能伺服驅(qū)動(dòng)器，并將該驅(qū)動(dòng)器運(yùn)用到加氫反應(yīng)器超聲檢測(cè)成像系統(tǒng)中，上位機(jī)通過485總線分別控制直流有刷電機(jī)和無刷電機(jī)，取得了很好的控制效果，滿足了該系統(tǒng)的高精度要求。
在傳統(tǒng)的電機(jī)伺服控制裝置中，一般采用一個(gè)或多個(gè)單片機(jī)作為伺服控制的核心處理器。由于這種伺服控制器外圍電路復(fù)雜，計(jì)算速度慢，從而導(dǎo)致控制效果不理想。近年來，許多新的電機(jī)控制算法被研究并運(yùn)用于電機(jī)控制系統(tǒng)中，如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。隨著這些控制算法的日益復(fù)雜，必須具備高速運(yùn)算能力的處理器才能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算和控制。為了適應(yīng)這種需要，國(guó)外許多公司開發(fā)了控制電機(jī)專用的高檔單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）?，F(xiàn)在，通常使用的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP和大規(guī)模可編程邏輯器件組成，這種方案可以根據(jù)不同需要，靈活的設(shè)計(jì)出性能很好的專用伺服控制器，但是一般研制周期都比較長(zhǎng)。
MotionChip的特點(diǎn)
MotionChip是瑞士Technosoft公司開發(fā)的一種高性能且易于使用的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制芯片，它是基于TMS320C240的DSP，外圍設(shè)置了許多電機(jī)伺服控制專用的可編程配置管腳。TMS320C240是美國(guó)TI公司推出的電機(jī)控制專用16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，其具有高速的運(yùn)算能力和專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的外圍接口電路。MotionChip很好的利用了該DSP的優(yōu)點(diǎn)，并集成多種電機(jī)控制算法于一身，以簡(jiǎn)化用戶設(shè)計(jì)難度為目的，設(shè)計(jì)成為一種新穎的電機(jī)專用控制芯片。MotionChip有著集成全部必要的配置功能在一塊芯片的優(yōu)點(diǎn)，它是一種為各種電機(jī)類型進(jìn)行快速和低投入設(shè)計(jì)全數(shù)字、智能驅(qū)動(dòng)器的理想核心處理器。具有如下特點(diǎn)：
·可用于控制5種電機(jī)類型：直流有刷/無刷電機(jī)、交流永磁同步電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，且易于嵌入到用戶的硬件結(jié)構(gòu)中；
·可以選擇獨(dú)立或主從方式工作，并可根據(jù)需要，設(shè)置成通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行多伺服控制器協(xié)同工作；
·全數(shù)字控制環(huán)的實(shí)現(xiàn)，包括電流/轉(zhuǎn)矩控制環(huán)、速度控制環(huán)、位置控制環(huán)；
·可實(shí)現(xiàn)各種命令結(jié)構(gòu)：開環(huán)、轉(zhuǎn)矩、速度、位置或外環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)的微步進(jìn)控制，并可實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的配置，其中包括交流矢量控制；
·可以配置使用各種運(yùn)動(dòng)和保護(hù)傳感器（位置、速度、電流、轉(zhuǎn)矩、電壓、溫度等）；
·使用各種通訊接口，可以實(shí)現(xiàn)RS232/RS485通訊、CAN總線通訊；
·基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平臺(tái)，強(qiáng)大功能的IPM Motion Studio 高級(jí)圖形編程調(diào)試軟件：可通過RS232快速設(shè)置，調(diào)整各參數(shù)與編程運(yùn)動(dòng)控制程序。其功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)語(yǔ)言包括：34種運(yùn)動(dòng)模式、判決、函數(shù)調(diào)用，事件驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制、中斷。因此便于開發(fā)和使用。
·可以通過動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)TMLlib,利用VC/VB實(shí)現(xiàn)PC機(jī)控制；也可以與Labview和PLC無縫連接，通過動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，用戶可以在上層開發(fā)電機(jī)的控制程序，研究控制策略。
運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本文是以MotionChip為控制器核心，直流無刷電機(jī)/有刷電機(jī)/永磁同步電機(jī)為控制對(duì)象進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)指標(biāo)為：適應(yīng)12—36V寬范圍直流母線電壓輸入，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5V邏輯電源輸入，最大輸出電流3A，峰值電流6A。在進(jìn)行伺服控制器設(shè)計(jì)之前，根據(jù)MotionChip的特點(diǎn)和伺服電機(jī)的特性進(jìn)行總體功能設(shè)計(jì)如下：
·采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的三環(huán)結(jié)構(gòu)；三環(huán)都采用PID調(diào)節(jié)器；電機(jī)參數(shù)設(shè)置采用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和工程整定相結(jié)合的辦法；
·具有通用伺服控制器接口，并可利用提供的人機(jī)接口進(jìn)行獨(dú)立參數(shù)設(shè)置，有網(wǎng)絡(luò)通訊接口進(jìn)行獨(dú)立參數(shù)設(shè)置，有網(wǎng)絡(luò)通訊接口方便外部監(jiān)視和控制。
伺服系統(tǒng)的總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為：MotionChip最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、電流反饋檢測(cè)、外部控制接口、通訊接口等，如圖1所示。伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件結(jié)構(gòu)分為2個(gè)主要部分：驅(qū)動(dòng)電路部分：主要包括逆變橋、前置驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)；
控制電路部分：包括反饋檢測(cè)、外部控制接口、通訊接口、MotionChip最小系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在MotionChip的基本系統(tǒng)中，選用美國(guó) Xicor公司的SPI串行EEPROM：X25650來存儲(chǔ)TML運(yùn)動(dòng)指令。該EEPROM的存儲(chǔ)容量為8K×8bit，最大時(shí)鐘頻率可達(dá)5MHz。由于在MotionChip正常運(yùn)行時(shí)指令訪問時(shí)間21ns，所以為了使程序高速有效的運(yùn)行，增加了2片32可×8bit的靜態(tài)RAM：ASC256-12JC，該SRAM的存取時(shí)間為12ns，所以MotionChip對(duì)該芯片的存取時(shí)間為12ns，所以MotionChip對(duì)該芯片的存取數(shù)據(jù)時(shí)不需要插入等待狀態(tài)。并且該SRAM具有較低的活躍功耗，在待機(jī)狀態(tài)時(shí)可自動(dòng)進(jìn)入更加低功耗的節(jié)能狀態(tài)。MotionChip芯片本身提供了電機(jī)控制專用的接口，包括6路PWM信號(hào)，在使用中可以配置作為三相電機(jī)逆變橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)保護(hù)中斷PDPINT有效或電機(jī)使能信號(hào)ENABLE無效時(shí)，6路PWM信號(hào)立即進(jìn)入高阻狀態(tài)，使逆變橋全部截至，電機(jī)停轉(zhuǎn)。另外，MotionChip為每個(gè)PWM輸出對(duì)提供了可編程死區(qū)時(shí)間設(shè)置（0—102μs），所以不需要外部的死區(qū)邏輯電路。碼盤反饋信號(hào)接口有ENCA，ENCB，ENCZ，其中ENCA和ENCB是相位差90°的脈沖信號(hào)，ENCZ是碼盤清零信號(hào)。MotionChip可以對(duì)ENCZ和ENCB信號(hào)進(jìn)行四倍頻和辨向，然后送入增量計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)產(chǎn)生電機(jī)的位置信號(hào)，碼盤清零信號(hào)ENCZ可對(duì)計(jì)數(shù)誤差進(jìn)行修正。電機(jī)霍爾反饋信號(hào)HALL1，HALL2，HALL3，是為直流無刷電機(jī)/永磁同步電機(jī)進(jìn)行定位磁極設(shè)計(jì)的。其它重要引腳如DIR、PULSE直接作為電機(jī)脈沖指令的輸入接口。LSP，LSN可用來擴(kuò)展作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)左、右限位事件的捕捉輸入。MotionChip有2個(gè)10位的A/D轉(zhuǎn)換器，每個(gè)都內(nèi)建了采樣保持電路，最快采樣速率可達(dá)10kHz。模擬信號(hào)的輸入范圍通過MotionChip參考電平輸入管腳VREFLO和VREFHI確定。MotionChip可以工作在獨(dú)立運(yùn)行和檢測(cè)引腳AUTORUN進(jìn)行方式選擇的，該引腳接高電平，MotionChip工作在從屬方式，接低電平工作在獨(dú)立運(yùn)行方式。在獨(dú)立方式的工作條件下，MotionChip上電后，選檢測(cè)到AUTORUN的低電平，進(jìn)入獨(dú)立運(yùn)行方式；然后自動(dòng)從SPI串行EEPROM中的開始執(zhí)行TML程序。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
電機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要包括2個(gè)環(huán)節(jié)：電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)電路和電流檢測(cè)。
電機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。本電路中，無刷直流電機(jī)采用全橋驅(qū)動(dòng)，這樣可以使用電機(jī)工作于四象限（正向驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)及反向驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)）。驅(qū)動(dòng)一個(gè)無刷直流電機(jī)需要6路PWM信號(hào)，而MotionChip的每個(gè)事件管理模塊（EV）中3個(gè)帶可編程死區(qū)控制的比較單元可以產(chǎn)生獨(dú)立的3對(duì)共6路PWM信號(hào)。所以在電路中，直接選用事件管理模塊B（EVB）中的比較單元來產(chǎn)生6路所需要的PWM信號(hào)，其輸出引腳為PWM7~PWM12，其中PWM7~PWM9輸出設(shè)為驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管橋路的上半橋，PWM10~PWM12輸出驅(qū)動(dòng)下半橋。DSP輸出的這兩種3路PWM信號(hào)經(jīng)過IR2102前置放大后分別驅(qū)動(dòng)MOSFET功率管橋路的上半橋（Q1，Q3，Q5）和下半橋（Q2，Q4，Q6）進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
電流檢測(cè)
電機(jī)電流檢測(cè)電路可提供重要的反饋信息，將該信息與來自主控DSP的控制信號(hào)相結(jié)合，可以控制MOSFET或IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)芯片并最終調(diào)整電機(jī)速度。如果要實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，還必需進(jìn)行電流監(jiān)控，不過對(duì)于低端應(yīng)用而言，傳統(tǒng)的過流保護(hù)卻顯得過于昂貴。電流采樣的方案是在逆變橋的下橋臂串一0.027Ω采樣電阻如圖3（a），采樣電流范圍為0~6.22A，采樣后的電壓放大倍數(shù)為14.63倍，放大電路如圖3（b），并經(jīng)2.5V電壓抬升輸入DSP，所以輸入DSP的電流模擬電壓量為：
UAD=2.5+I×0.027×14.63。
MotionChip AD口的模擬量輸入電壓為0~5V，所以電流采樣經(jīng)量化的值為：
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評(píng)論