驅(qū)動(dòng)器方案及對(duì)策

1、-PAGE . z.無刷直流電動(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)配置無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的外部配置：（1）無刷直流電機(jī)（MA*ON EC-ma* 30 40W 型號(hào)272769）機(jī)載電源DC28V （2）活門減速器變比 ：134：1 電機(jī)

2、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)排氣活門控制圍：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）速度圍任意可調(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；無刷直流電機(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，與上位機(jī)通訊，以接收控制指令和報(bào)告活門的位置狀態(tài)；2）

3、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圖2，采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來實(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：TMS320F2812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；TMS320F2812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）3個(gè)功率開關(guān)器件，以控制電機(jī)的電壓達(dá)到控制轉(zhuǎn)速的目的；TMS320F2812有同步的

4、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；TMS320F2812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。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。信號(hào)變換電路無刷正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器由環(huán)形變壓器與正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)兩部分組成。結(jié)構(gòu)見圖3。圖3 無刷旋轉(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

5、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)。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，為電壓幅值。位置傳感器采用無刷旋轉(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)框圖見圖4。圖4 位置傳感器結(jié)構(gòu)其中勵(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)，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)。數(shù)字信號(hào)變換器(RDC)的應(yīng)用在該位置傳感器中，數(shù)

6、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(U1)、cos(U2)、ref(Uin)，將模擬機(jī)械軸位置信號(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)0*0000*fff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)

7、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，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。 功率開關(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（見附錄）中進(jìn)行篩選，最終決定采用I*YS公司型號(hào)為GW

8、M 100-01*1的產(chǎn)品，其基本性能參數(shù)如下：參數(shù)GWM100-01*1VDSS, ma*, (V)100ID25, Tc = 25C, (A)90ID90, Tc = 90C, (A)68RDS(on), ma*, Tj = 25C, (mOhms)8.5RthJC, ma*, (K/W)0.9 表中的數(shù)據(jù)表明，該電路集成度高(6管集成)，功率損耗?。?.5m歐），選擇了電流圍大的器件，是因MOSFET的特點(diǎn)是大電流期間導(dǎo)通電阻小。GWM 100-01*1的外觀尺寸（37.5*32.2*8.7）及部結(jié)構(gòu)見圖6。圖6GWM 100-01*1的外觀尺寸與部結(jié)構(gòu)MOSFET器件的導(dǎo)通特性是電阻不

9、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。 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 Rectifier(國(guó)際整流)公司的IR2136芯片。IR2136芯片有以下特點(diǎn)：具有獨(dú)立的三相橋驅(qū)動(dòng)功能，集成度高；能提供10V至20V的門極驅(qū)動(dòng)電壓，符合MOSFET驅(qū)動(dòng)要求；具有獨(dú)立的欠壓及過流保護(hù)功能。該器件的部結(jié)構(gòu)見圖6，外形尺寸見圖7。圖6 IR2136的部結(jié)構(gòu)圖7 IR2136的外部尺寸外觀尺寸（40*15*8）2

10、.5 換相控制電路本系統(tǒng)無刷直流電動(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器件來實(shí)現(xiàn)。換相控制電路的邏輯關(guān)系見圖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)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)；PWM：脈寬調(diào)制信號(hào)，通過占空比控制電機(jī)繞組電壓，來控制電機(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；g1g6：三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)g1g

11、6；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)，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)

12、圈數(shù)，以根據(jù)上位機(jī)指令精確控制排氣活門的開度。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A

13、D2S90輸出的數(shù)字位置信號(hào)，通過軟件計(jì)算來獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過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、2048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，轉(zhuǎn)速的算法可以采用脈沖計(jì)數(shù)法 。所謂脈沖計(jì)數(shù)法是在單位時(shí)間對(duì)位置脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，以獲得單位時(shí)間的轉(zhuǎn)角來計(jì)算速度。若時(shí)間間隔為采樣時(shí)間，測(cè)量的脈沖數(shù)為M，則被測(cè)速度可由計(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)通過軟件完成，M由兩次采樣的位置差值獲得，即時(shí)刻的M值為式中為時(shí)采樣的位置信號(hào)。脈沖計(jì)數(shù)法在采用較大的N0時(shí)，并且高轉(zhuǎn)速圍精度較高，適用于電機(jī)的高速運(yùn)行。3.3系統(tǒng)的控制方法 該系統(tǒng)對(duì)于

14、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)速圍為30屬于要求調(diào)速圍比較大的情況。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，變量和為活門位置的給定值和反饋值，和為電機(jī)角速度的給定值和反饋值。自動(dòng)控制軟件上，通過速度環(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)要求活門精度為0.1度/轉(zhuǎn)以下，根據(jù)不同