直流無刷伺服電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計

1、直流無刷伺服電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計Motionchip是一種性能優(yōu)異的專用運動控制芯片，擴展容易，使用方便。本文基于該芯片設(shè)計了一款可用于直流有刷/無刷伺服電機的智能伺服驅(qū)動器，并將該驅(qū)動器運用到加氫反應(yīng)器超聲檢測成像系統(tǒng)中，上位機通過485總線分別控制直流有刷電機和無刷電機，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)的電機伺服控制裝置中，一般采用一個或多個單片機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，許多新的電機控制算法被研究并運用于電機控制系統(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，必須具備高速運算

2、能力的處理器才能實現(xiàn)實時計算和控制。為了適應(yīng)這種需要，國外許多公司開發(fā)了控制電機專用的高檔單片機和數(shù)字信號處理器（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。MotionChip的特點MotionChip是瑞士Technosoft公司開發(fā)的一種高性能且易于使用的電機運動控制芯片，它是基于TMS320C240的DSP，外圍設(shè)置了許多電機伺服控制專用的可編程配置管腳。TMS320C240是美國TI公司推出的電機控制專用16位定點數(shù)字信號處理器，其具有高速的運算能力

3、和專為電機控制設(shè)計的外圍接口電路。MotionChip很好的利用了該DSP的優(yōu)點，并集成多種電機控制算法于一身，以簡化用戶設(shè)計難度為目的，設(shè)計成為一種新穎的電機專用控制芯片。MotionChip有著集成全部必要的配置功能在一塊芯片的優(yōu)點，它是一種為各種電機類型進行快速和低投入設(shè)計全數(shù)字、智能驅(qū)動器的理想核心處理器。具有如下特點：?可用于控制5種電機類型：直流有刷/無刷電機、交流永磁同步電機、交流感應(yīng)電機和步進電機，且易于嵌入到用戶的硬件結(jié)構(gòu)中；?可以選擇獨立或主從方式工作，并可根據(jù)需要，設(shè)置成通過網(wǎng)絡(luò)接口進行多伺服控制器協(xié)同工作；?全數(shù)字控制環(huán)的實現(xiàn)，包括電流/轉(zhuǎn)矩控制環(huán)、速度控制環(huán)、位置控制

4、環(huán)；?可實現(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，步進電機的微步進控制，并可實現(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動和保護傳感器（位置、速度、電流、轉(zhuǎn)矩、電壓、溫度等）；?使用各種通訊接口，可以實現(xiàn)RS232/RS485通訊、CAN總線通訊；?基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平臺，強大功能的IPM Motion Studio 高級圖形編程調(diào)試軟件：可通過RS232快速設(shè)置，調(diào)整各參數(shù)與編程運動控制程序。其功能強大的運動語言包括：34種運動模式、判決、函數(shù)調(diào)用，事件驅(qū)動運動控制、中斷。因此便于開發(fā)和使用。?可以通過動態(tài)鏈接庫TMLlib,

5、利用VC/VB實現(xiàn)PC機控制；也可以與Labview和PLC無縫連接，通過動態(tài)鏈接庫，用戶可以在上層開發(fā)電機的控制程序，研究控制策略。運動控制系統(tǒng)設(shè)計本文是以MotionChip為控制器核心，直流無刷電機/有刷電機/永磁同步電機為控制對象進行伺服驅(qū)動器設(shè)計。設(shè)計指標為：適應(yīng)1236V寬范圍直流母線電壓輸入，工業(yè)標準5V邏輯電源輸入，最大輸出電流3A，峰值電流6A。在進行伺服控制器設(shè)計之前，根據(jù)MotionChip的特點和伺服電機的特性進行總體功能設(shè)計如下：?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；電機參數(shù)設(shè)置采用計算機輔助計算和工程整定相結(jié)合的辦法；?具有通用伺服控制器接

6、口，并可利用提供的人機接口進行獨立參數(shù)設(shè)置，有網(wǎng)絡(luò)通訊接口進行獨立參數(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)動電路、電流反饋檢測、外部控制接口、通訊接口等，如圖1所示。伺服驅(qū)動器的硬件結(jié)構(gòu)分為2個主要部分：驅(qū)動電路部分：主要包括逆變橋、前置驅(qū)動、電流檢測；控制電路部分：包括反饋檢測、外部控制接口、通訊接口、MotionChip最小系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計在MotionChip的基本系統(tǒng)中，選用美國 Xicor公司的SPI串行EEPROM：X25650來存儲TML運動指令。該EEPROM的存儲容量為8K×8bit，最大時鐘頻率

7、可達5MHz。由于在MotionChip正常運行時指令訪問時間21ns，所以為了使程序高速有效的運行，增加了2片32可×8bit的靜態(tài)RAM：ASC256-12JC，該SRAM的存取時間為12ns，所以MotionChip對該芯片的存取時間為12ns，所以MotionChip對該芯片的存取數(shù)據(jù)時不需要插入等待狀態(tài)。并且該SRAM具有較低的活躍功耗，在待機狀態(tài)時可自動進入更加低功耗的節(jié)能狀態(tài)。MotionChip芯片本身提供了電機控制專用的接口，包括6路PWM信號，在使用中可以配置作為三相電機逆變橋的驅(qū)動信號。當(dāng)保護中斷PDPINT有效或電機使能信號ENABLE無效時，6路PWM信號立

8、即進入高阻狀態(tài)，使逆變橋全部截至，電機停轉(zhuǎn)。另外，MotionChip為每個PWM輸出對提供了可編程死區(qū)時間設(shè)置（0102s），所以不需要外部的死區(qū)邏輯電路。碼盤反饋信號接口有ENCA，ENCB，ENCZ，其中ENCA和ENCB是相位差90°的脈沖信號，ENCZ是碼盤清零信號。MotionChip可以對ENCZ和ENCB信號進行四倍頻和辨向，然后送入增量計數(shù)器計數(shù)產(chǎn)生電機的位置信號，碼盤清零信號ENCZ可對計數(shù)誤差進行修正。電機霍爾反饋信號HALL1，HALL2，HALL3，是為直流無刷電機/永磁同步電機進行定位磁極設(shè)計的。其它重要引腳如DIR、PULSE直接作為電機脈沖指令的輸入接

9、口。LSP，LSN可用來擴展作為運動系統(tǒng)左、右限位事件的捕捉輸入。MotionChip有2個10位的A/D轉(zhuǎn)換器，每個都內(nèi)建了采樣保持電路，最快采樣速率可達10kHz。模擬信號的輸入范圍通過MotionChip參考電平輸入管腳VREFLO和VREFHI確定。MotionChip可以工作在獨立運行和檢測引腳AUTORUN進行方式選擇的，該引腳接高電平，MotionChip工作在從屬方式，接低電平工作在獨立運行方式。在獨立方式的工作條件下，MotionChip上電后，選檢測到AUTORUN的低電平，進入獨立運行方式；然后自動從SPI串行EEPROM中的開始執(zhí)行TML程序。驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計電機的驅(qū)動主要

10、包括2個環(huán)節(jié)：電機PWM驅(qū)動電路和電流檢測。電機的PWM驅(qū)動電路如圖2所示。本電路中，無刷直流電機采用全橋驅(qū)動，這樣可以使用電機工作于四象限（正向驅(qū)動、制動及反向驅(qū)動、制動）。驅(qū)動一個無刷直流電機需要6路PWM信號，而MotionChip的每個事件管理模塊（EV）中3個帶可編程死區(qū)控制的比較單元可以產(chǎn)生獨立的3對共6路PWM信號。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，其輸出引腳為PWM7PWM12，其中PWM7PWM9輸出設(shè)為驅(qū)動MOSFET功率管橋路的上半橋，PWM10PWM12輸出驅(qū)動下半橋。DSP輸出的這兩種3路PWM信號經(jīng)過IR2102

11、前置放大后分別驅(qū)動MOSFET功率管橋路的上半橋（Q1，Q3，Q5）和下半橋（Q2，Q4，Q6）進行電機的驅(qū)動。電流檢測電機電流檢測電路可提供重要的反饋信息，將該信息與來自主控DSP的控制信號相結(jié)合，可以控制MOSFET或IGBT的柵極驅(qū)動芯片并最終調(diào)整電機速度。如果要實現(xiàn)過流保護，還必需進行電流監(jiān)控，不過對于低端應(yīng)用而言，傳統(tǒng)的過流保護卻顯得過于昂貴。電流采樣的方案是在逆變橋的下橋臂串一0.027采樣電阻如圖3（a），采樣電流范圍為06.22A，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

12、15;0.027×14.63。MotionChip AD口的模擬量輸入電壓為05V，所以電流采樣經(jīng)量化的值為：應(yīng)用加氫反應(yīng)器超聲檢測成像系統(tǒng)是一套適用于現(xiàn)場檢測的加氫反應(yīng)器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)，實現(xiàn)加氫反應(yīng)器堆焊層層間剝離的在役半自動超聲掃查，檢測數(shù)據(jù)的自動存儲、分析與評判，同時該系統(tǒng)對不同直徑的加氫反應(yīng)器有一定的適用性。加氫反應(yīng)器剝離成像系統(tǒng)的控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個二維的運動控制平臺，從系統(tǒng)要求的性能指標來看，控制系統(tǒng)需要滿足如下指標：?水平掃查速度可達6mm/s無級可調(diào)；垂直掃查速度達300mm/s無級可調(diào)；?能夠?qū)崿F(xiàn)粗掃查和精密掃查，對指定的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精密掃查；?系統(tǒng)的控制方

13、式分為手動/自動，兩者之間可以切換；?X軸（水平）和Y軸（垂直）2個方向上的運動誤差±1mm。系統(tǒng)硬件設(shè)計由此選擇了上述設(shè)計的運動控制系統(tǒng)，具有體積小，性能高，控制簡單，價格低，但是每個只能控制一個電機。若要兩臺電機協(xié)同控制，則須通過RS485總線將其連接起來?？刂葡到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。X向電機用來控制絲杠的運動：選用EC-max32，無刷70W+減速器為行星輪減速箱（速比為23，型號為GP 32C）+碼盤（三通道500線）。Y方向電機用來控制探頭的運動，采用RE-32，有刷80W+減速器為行星輪減速箱，型號為GP42C（速比為33）+碼盤（三通道500線）。圖5示出硬件連接圖。

14、系統(tǒng)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)的軟件是基于Vc+和MotionChip的動態(tài)鏈接庫設(shè)計的，軟件主要完成對探頭位置的運動控制，如圖6。用戶操作界面功能有：?參數(shù)設(shè)置與顯示模塊主要是設(shè)置一些系統(tǒng)參數(shù)（如掃查長度，探測寬度）和控制參數(shù)（如速度參數(shù)、加速度參數(shù)等）；?任何時刻，控制程序都時刻監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀況，隨時對系統(tǒng)故障做出相應(yīng)的處理。軟件部分包括X向運動和Y向的掃查運動，數(shù)據(jù)存儲及處理，手動控制，故障處理，運動狀態(tài)顯示及故障顯示等。操作界面（GUI）給予清晰、簡單的用戶界面，方便用戶調(diào)試、運行，同時能夠?qū)⑺欧?qū)動器傳遞過來的信息顯示出來，便于監(jiān)控。任務(wù)編程模塊將要實現(xiàn)控制任務(wù)的規(guī)劃，如X軸向和Y軸向運動等

15、，包括故障查詢、處理。運行效果智能伺服驅(qū)動器性能的好壞直接決定整個系統(tǒng)設(shè)計的成敗，為此用一直流電機對驅(qū)動器進行測試，電機的電流和位置誤差如圖7（a）、（b）所示，從圖7中可以看出，驅(qū)動器的響應(yīng)時間只有0.12s，位置誤差很小。通過對通訊速度及上位機控制命令的測試顯示，在實時性要求不是非常嚴格的情況下，以RS232串口或者485串口的通訊速率是完全可以滿足系統(tǒng)需求的。結(jié)語本文基于一類新穎的專用伺服控制芯片Motionchip，進行了伺服控制器設(shè)計和實踐研究，并設(shè)計了一個功能較為完善的直流無刷伺服驅(qū)動器的原型。將該控制器運用到加氫反應(yīng)器超聲檢測成像系統(tǒng)中對二維的運動進行控制，保證了整個系統(tǒng)取得良好

16、的性能。Motionchip這種多功能專用的運動控制芯片不僅簡化了整個系統(tǒng)的設(shè)計過程，而且具有很好的開放性和網(wǎng)絡(luò)性，對中小型項目是非常理想的設(shè)計方案。PWM控制技術(shù)直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計直流電機PWM控制調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計一種基于AT89C2051單片機的直流電機調(diào)速裝置 2010-12-08 15:35:21| 分類： 電子技術(shù) | 標簽：at89c2051單片機 pwm 直流電機 調(diào)速 |字號大中小 訂閱 摘要： 本文介紹一種基于AT89C2051單片機的直流電機調(diào)速裝置。該裝置以小型直流電機為對象，由AT89C2051單片機控制輸出PWM信號，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動直流電機，用按鍵實現(xiàn)直流電機

17、的加速、減速控制。本文所介紹的開環(huán)調(diào)速裝置成本低廉，且極容易實現(xiàn)，在實際輕載系統(tǒng)中運行穩(wěn)定、可靠。關(guān)鍵詞：AT89C2051單片機，PWM，直流電機，調(diào)速A Kind of DC Motor Speed Regulating System Based on AT89C2051 Single-Chip Computer Abstract:. A kind of DC motor speed regulating system based on AT89C2051 single-chip microcomputer is introduced in this paper. A small-type

18、 of DC motor is regarded as the control object and PWM signal which is controlled and generated by AT89C2051 single-chip computer in the system. PWM signal is used to drive DC motor by power amplifier. The operation of speed up or speed down of DC motor is finished by buttons. The open-loop speed re

19、gulating system is cheap and very easy to do. Its performance in light-load system is stable and reliable.Key Words: AT89C2051 Single-Chip Computer, PWM, DC Motor, Speed Regulating1 引言直流電機由于具有調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速；啟動、制動和過載轉(zhuǎn)矩大；易于控制，可靠性較高等突出優(yōu)點而在對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械上得到了廣泛應(yīng)用1。對于直流電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，最常用的辦法是通過改變電樞端的電壓來實現(xiàn)，即調(diào)節(jié)電阻R的阻值改變

20、端電壓，達到調(diào)速的目的。但由于接入的電阻消耗了部分電壓，因此這種傳統(tǒng)的調(diào)速方法效率很低2。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM（Pulse Width Modulation）控制是常用的一種調(diào)速方法。PWM控制是指在保持周期T不變的情況下，通過調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通的時間，對脈沖寬度進行調(diào)制，從而達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速目的的技術(shù)。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，電機電樞兩端的電壓是脈寬可調(diào)的脈沖電壓，在輸出脈沖頻率足夠快的情況下，由于慣性的存在，只要按照一定的規(guī)律改變通斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一個穩(wěn)定值2。對于直流電機，采用PWM控制技術(shù)構(gòu)成的無級調(diào)速系統(tǒng)，啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊

21、，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。本文設(shè)計了一種基于單片機的直流電機調(diào)速裝置，以價位較低的AT89C2051單片機為核心，與鍵盤和電機驅(qū)動等電路一起構(gòu)成調(diào)速裝置實現(xiàn)了直流電機的無級調(diào)速。2 硬件設(shè)計與實現(xiàn)2.1硬件設(shè)計的基本方案根據(jù)一種基于AT89C2051單片機的直流電機調(diào)速裝置設(shè)計目的的要求，采用AT89C2051單片機為核心產(chǎn)生PWM脈寬信號輸出，外圍電路為電源電路、鍵盤和電機驅(qū)動電路。系統(tǒng)設(shè)計框架圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架圖2.2 供電部分供電部分通過220V-7.5V變壓器變壓隔離、整流橋整流、濾波電容濾波、三端穩(wěn)壓集成電路78M05穩(wěn)壓后輸出5V電壓，供整個裝置使用（其P

22、rotel原理圖見圖2）。圖2 供電部分電路圖2.3 電機驅(qū)動部分PWM脈寬信號由AT89C2051單片機輸出，但由于該單片機的直流輸出電流為25mA3，因此不能直接用來驅(qū)動小型直流電機，必須對輸出的脈寬信號進行功率放大。單片機的P3.2口脈寬信號通過R1送入到TIP127中功率管完成功率放大，放大后的信號就能夠驅(qū)動直流電機，使之工作。其中電容C1為濾波電容，能使輸入直流電機的電壓趨于平滑，同時還具有三極管關(guān)斷后的續(xù)流作用。電路原理圖如圖3所示。圖3 電機驅(qū)動部分電路圖3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)一種基于AT89C2051的直流電機調(diào)速裝置程序流程圖如圖4所示。開機后首先進行初始化；初始化后輸出占空比為0的PWM信號；然后執(zhí)行鍵盤掃描程序，單片機將開始掃描鍵盤。圖4 程序流程圖若加速按鈕：此鍵被按下一次，PWM信號的占空比增加1/50，并鎖定該占空比；若減速按鈕：此鍵被按下一次，PWM信號的占空比減小1/50，并鎖定該