驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案

1、 .無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)方案2009 年 3 月. .1.總體需求與方案1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)的配套連接框圖如圖 1所示，共需要 6臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，分別控制 6臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其中：兩臺(tái)電機(jī) 1的驅(qū)動(dòng)器由上位機(jī) 1經(jīng) rs422總線給出控制信號(hào)；兩臺(tái)電機(jī) 2的驅(qū)動(dòng)器由上位機(jī) 2經(jīng) rs422總線給出控制信號(hào)；兩臺(tái)電機(jī) 3 的驅(qū)動(dòng)器由操作人員經(jīng) i/o 接口給出控制信號(hào)，控制電機(jī)以低速、點(diǎn)動(dòng)方式運(yùn)行；具有自檢測(cè)功能。12 電機(jī)控制系統(tǒng)的相關(guān)配置無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的內(nèi)外部配置：（1）無(wú)刷直流電機(jī)（maxon ec-max 30 40w 型號(hào) 272769）機(jī)載電源 dc28v（2）活門(mén)減

2、速器變比 ：134：1電機(jī)行星齒輪箱減速比：33：1總減速比：4422：1 ？（3）旋轉(zhuǎn)變壓器 精度 10 minutes（分）（4）霍爾傳感器（電機(jī)自帶），位置傳感器1.3 控制性能指標(biāo)1） 排氣活門(mén)控制范圍：0-90度；2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)保證負(fù)載能夠在 01.6rpm（0-7075r/min）速度范圍內(nèi)任意可調(diào)，特別是保證負(fù)載在 0.05rpm（221r/min）左右的調(diào)速性能的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；3）無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用28v直流電源供電，即額定電壓為28v；4）電機(jī)轉(zhuǎn)速控制范圍：05500r/min。. .2電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的硬件功能需求1）具有 rs422 通訊接口

3、，與上位機(jī)通訊，以接收控制指令和報(bào)告活門(mén)的位置狀態(tài)；2）接收電機(jī)的位置信號(hào)，并且根據(jù)上位機(jī)指令能夠?qū)o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高低速、正反轉(zhuǎn)控制；3）具有自檢測(cè)與保護(hù)功能，包括過(guò)流、短路、欠壓保護(hù)，當(dāng)電機(jī)工作狀態(tài)異常時(shí)向上位機(jī)報(bào)告。2.2 控制器方案控制器的功能要求見(jiàn)圖 2，采用數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)來(lái)實(shí)現(xiàn)，型號(hào)選用最新型的 tms320f2812。. .圖 2 控制器結(jié)構(gòu)框圖具體功能如下：1tms320f2812 有異步串行接口 rs232，將其轉(zhuǎn)換為 rs422a，作為與上位機(jī)的接口；2tms320f2812 輸出 pwm 信號(hào)，采用軟件控制，輸出與電機(jī)的位置信號(hào)綜合，控制三相橋電路的上（或者下

4、）3 個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件，以控制電機(jī)的電壓達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的；3tms320f2812 有同步的串行數(shù)據(jù)接口 spi，將其與旋轉(zhuǎn)變壓器的數(shù)字變換電路(rdc)連接，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采樣，rdc 集成電路選用 ad2s90；4tms320f2812 采用兩路 adc 接口，能夠擴(kuò)展為 16 路模擬量數(shù)據(jù)輸入接口，采集位置信號(hào)和電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電流和位置反饋。5留出 8 位 pio 接口信號(hào)，作為手動(dòng)控制、運(yùn)行使能，以及其他需要增加控制時(shí)的信號(hào)。2.3 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路電機(jī)的速度傳感器采用無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器，與電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋時(shí)的轉(zhuǎn)速測(cè)量。2.3.1 信號(hào)變換電路無(wú)刷正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器由環(huán)形變壓器

5、與正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)兩部分組成。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 3。. .圖 3 無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)當(dāng)環(huán)型變壓器的定子繞組上施加勵(lì)磁電壓，環(huán)型變壓器的轉(zhuǎn)子繞組感生的電動(dòng)勢(shì)送到旋轉(zhuǎn)變壓器原邊的轉(zhuǎn)子繞組作為勵(lì)磁電源，該勵(lì)磁電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)使副邊的定子兩相繞組中感應(yīng)出按下式變化的電動(dòng)勢(shì)。u = u sinwt sinq1mru = u sinwt cosq2mr其中 為電機(jī)的機(jī)械軸角度， 為轉(zhuǎn)子激磁電源的角頻率，u 為電壓幅值。qwrm位置傳感器采用無(wú)刷旋轉(zhuǎn)變壓器、勵(lì)磁信號(hào)發(fā)生電路、數(shù)字變換電路組成，結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖 4。圖 4 位置傳感器結(jié)構(gòu)其中1勵(lì)磁信號(hào)發(fā)生器. .采用 ad2s99 集成電路產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器的勵(lì)磁信號(hào)，

6、信號(hào)頻率 510khz，電壓7v，輸出電流 200ma。2數(shù)字信號(hào)變換器(rdc)數(shù)字信號(hào)變換器(rdc)采用集成電路 ad2s90，將正余弦信號(hào)變換為 12位的數(shù)字位置信號(hào)，直接送至數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)。2.3.2數(shù)字信號(hào)變換器(rdc)的應(yīng)用在該位置傳感器中，數(shù)字信號(hào)變換器 (rdc)的應(yīng)用是其關(guān)鍵技術(shù)，這里采用了集成電路 ad2s90。ad2s90與旋轉(zhuǎn)變壓器的連接電路見(jiàn)圖 5。圖 5 ad2s90與旋轉(zhuǎn)變壓器的連接電路ad2s90 接收旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào) sin(u )、cos(u )、ref(u )，將模擬機(jī)械軸位in12置信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字型信號(hào)，可供單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)直

7、接讀取，處理器從 ad2s90可以獲得以下數(shù)字位置信號(hào)：(1)12位串行二進(jìn)制表示的絕對(duì)位置信息，即用十六進(jìn)制數(shù) 0x0000xfff表示的對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)機(jī)械角 0360位置。(2)1024線模仿編碼器的增量式 2路正交脈沖(a、b)位置信息，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)機(jī)械角一周分別產(chǎn)生 1024個(gè)脈沖，將2路信號(hào)“異或”可獲得2048個(gè)脈沖，若取其跳變沿還可獲得 4096個(gè)脈沖。(3)能夠提供與速度成正比的模擬測(cè)速信號(hào) vel，典型線性度 1% ，最大輸. .出電壓 2.5v，每伏電壓相當(dāng)于轉(zhuǎn)速 9000r/min。由于模擬測(cè)速信號(hào) vel 精度較低，增量式信號(hào)為 10 位，而絕對(duì)位置信號(hào)為12 位，本方案擬采

8、用絕對(duì)位置信號(hào)，并且 rdc 和 dsp 有合適的同步串行數(shù)據(jù)接口。2.4 功率控制電路方案本系統(tǒng)功率電路為低壓的三相逆變電路，它由驅(qū)動(dòng)電路與功率電路組成。在器件的選擇中，考慮到選用集成度高，功率損耗小的器件。2.4.1 功率開(kāi)關(guān)器件的選擇根據(jù)被控電機(jī)的額定、極限工作參數(shù)，從眾多商家的產(chǎn)品（見(jiàn)附錄）中進(jìn)行篩選，最終決定采用 ixys公司型號(hào)為 gwm 100-01x1的產(chǎn)品，其基本性能參數(shù)如下：id25, tc = 25c, (a)id90, tc = 90c, (a)rds(on), max, tj = 25c, (mohms)rthjc, max, (k/w)8.50.9表中的數(shù)據(jù)表明，該

9、電路集成度高(6管集成)，功率損耗小（8.5m歐），選擇了電流范圍大的器件，是因 mosfet 的特點(diǎn)是大電流期間導(dǎo)通電阻小。 gwm100-01x1的外觀尺寸（37.5*32.2*8.7）及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 6。. .圖 6 gwm 100-01x1的外觀尺寸與內(nèi)部結(jié)構(gòu)mosfet器件的導(dǎo)通特性是電阻不變，當(dāng)選用上述的 mosfet導(dǎo)通電阻為 8.5m，計(jì)算得到單管導(dǎo)通損耗為 0.5w左右，功率電路的工作時(shí)兩管導(dǎo)通，導(dǎo)通損耗將為 1w左右。2.4.2 驅(qū)動(dòng)電路方案滿足性能指標(biāo)要求的 mosfet驅(qū)動(dòng)芯片有不少，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都差不多，考慮通用性等方面的因素， 決定選用 international r

10、ectifier(國(guó)際整流)公司的ir2136芯片。ir2136芯片有以下特點(diǎn)：1. 具有獨(dú)立的三相橋驅(qū)動(dòng)功能，集成度高；2. 能提供 10v至 20v的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓，符合 mosfet驅(qū)動(dòng)要求；3. 具有獨(dú)立的欠壓及過(guò)流保護(hù)功能。該器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 6，外形尺寸見(jiàn)圖 7。. .圖 6 ir2136的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 7 ir2136的外部尺寸外觀尺寸（40*15*8）2.5 換相控制電路. .本系統(tǒng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)采用霍爾元件位置傳感器實(shí)現(xiàn)換相控制，因此可以采用可編程邏輯 gal器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。換相控制電路的邏輯關(guān)系見(jiàn)圖 8，圖中的信號(hào)為：dir：轉(zhuǎn)速方向控制信號(hào)，為“1”時(shí)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，為“0”時(shí)控

11、制電機(jī)反轉(zhuǎn)；pwm：脈寬調(diào)制信號(hào)，通過(guò)占空比控制電機(jī)繞組電壓，來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低；pa、pb、pc：霍爾元件產(chǎn)生的電機(jī)位置信號(hào)，控制電機(jī)換相；g1-g6：三相橋逆變器的控制信號(hào)。圖 8 換相控制電路的邏輯關(guān)系圖 8中的各模塊的功能為：gal 器件的邏輯功能：能夠在換相邏輯變換的同時(shí)，將電機(jī)正/反轉(zhuǎn)信號(hào)、pwm 信號(hào)綜合進(jìn)去，構(gòu)成能夠進(jìn)行電機(jī)高低速、正反轉(zhuǎn)控制的 mosfet 邏輯控制信號(hào) g1-g6；電流驅(qū)動(dòng)電路：在邏輯上可以是反向器或者同向器，將 gal輸出邏輯信號(hào)增加電流驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)后面的光耦電路，通常為 07ma；光耦電路：實(shí)現(xiàn)控制電路和功率電路的隔離，使逆變器的上三管能夠電平浮動(dòng)，

12、同時(shí)也可以克服之間的電磁干擾。3.系統(tǒng)控制方案3.1 系統(tǒng)控制的要求(1)與上位機(jī)通訊：經(jīng) rs422a總線接收上位機(jī)的控制位置、最高轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)，. .到達(dá)位置后向上位機(jī)返回當(dāng)前的位置數(shù)據(jù)；(2)位置控制：根據(jù)上位機(jī)經(jīng) rs422a 總線送入的位置數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)輸出控制到該數(shù)據(jù)指定的位置；(3)轉(zhuǎn)速控制：根據(jù)上位機(jī)經(jīng) rs422a 總線送入的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，將電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速限制在指定的范圍；驅(qū)動(dòng)器要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，以根據(jù)上位機(jī)指令精確控制排氣活門(mén)的開(kāi)度。為實(shí)現(xiàn)精確位置控制，驅(qū)動(dòng)器采用目前最先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器 dsp/tms320f2812 對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、計(jì)算，并給出控制信號(hào)。采

13、用 ad2s90和 ad2s99，對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)解碼，計(jì)算，給出位置計(jì)算的依據(jù)。3.2 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制采用位置、速度閉環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖 9 所示。圖 9 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(1)位置反饋控制，測(cè)量減速器后面的位置傳感器（電位計(jì)型），通過(guò) dsp的 ad 變換電路（12 位）采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；(2)速度反饋控制，由旋轉(zhuǎn)變壓器和數(shù)字變換電路組成速度傳感器，通過(guò) dsp的同步串行數(shù)據(jù)接口采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制；轉(zhuǎn)速的數(shù)字測(cè)量是微處理器讀取 ad2s90 輸出的數(shù)字位置信號(hào)，通過(guò)軟件計(jì)算來(lái)獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過(guò) ad2s90 可以得到三種分辨率的位置信號(hào)，即電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周可以產(chǎn)生 4096、204

14、8 或者 1024 個(gè)脈沖。這里設(shè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的脈沖數(shù)為 n ，轉(zhuǎn)速的算法可以采用脈沖計(jì)數(shù)法 。0所謂脈沖計(jì)數(shù)法是在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)位置脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，以獲得單位時(shí)間的轉(zhuǎn). .角來(lái)計(jì)算速度。若時(shí)間間隔為采樣時(shí)間t ，測(cè)量的脈沖數(shù)為 m，則被測(cè)速度可由s60mn =n t0s計(jì)算得到。脈沖計(jì)數(shù)方法對(duì)轉(zhuǎn)速的測(cè)量可以用絕對(duì)位置信號(hào)通過(guò)軟件完成，m 由兩次采樣的位置差值獲得，即t = kt 時(shí)刻的 m 值為sm (k) = q(k) -q(k -1)式中 ( ) 為t = kt 時(shí)采樣的位置信號(hào)。脈沖計(jì)數(shù)法在采用較大的 n 時(shí)，并q k0s且高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)精度較高，適用于電機(jī)的高速運(yùn)行。3.3 系統(tǒng)的控制

15、方法該系統(tǒng)對(duì)于控制律有比較高的要求，特別是要求在在 0.05rpm 左右的調(diào)速性能，對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為 210r/min 左右，要求系統(tǒng)的調(diào)速范圍為nmaxnd = 30min屬于要求調(diào)速范圍比較大的情況。需要保證高速時(shí)系統(tǒng)的快速性和低速時(shí)的穩(wěn)定性。由于 pi 調(diào)節(jié)器是工程上應(yīng)用最廣泛的控制方法，本項(xiàng)目首先考慮采用 pi調(diào)節(jié)器，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖 10。圖 10 電機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖. .圖 10 中的 apr、asr 分別表示位置調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器，變量 和 為活qq*vv門(mén)位置的給定值和反饋值，w *和 為電機(jī)角速度的給定值和反饋值。w自動(dòng)控制軟件上，通過(guò)速度環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的精確控制。由于系統(tǒng)要求調(diào)速范圍大，調(diào)速比要達(dá)到 500，要求 pi 參數(shù)要有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可同時(shí)滿足高速和低速的性能要求。采用 pwm 調(diào)制，由 dsp 根據(jù)目標(biāo)速度給出所需的占空比，同時(shí)，位置環(huán)可實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。系統(tǒng)要求活門(mén)精度為 0.1 度/轉(zhuǎn)以下，根據(jù)不同的位置差，軟件上給出不同的調(diào)節(jié)參數(shù)，以同時(shí)適應(yīng)高速和低速的性能要求。通訊上采用 max489 芯片，并設(shè)置波特率為 115200。手動(dòng)控制軟件上，由于不要求位置控制，且速度恒定，功能實(shí)現(xiàn)上要比自動(dòng)控制簡(jiǎn)單。位置環(huán)直接給