驅(qū)動器方案及對策

1、-PAGE . z.無刷直流電動機驅(qū)動器設(shè)計方案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臺電機驅(qū)動器，分別控制6臺無刷直流電動機，其中：兩臺電機1的驅(qū)動器由上位機1經(jīng)RS422總線給出控制信號；兩臺電機2的驅(qū)動器由上位機2經(jīng)RS422總線給出控制信號；兩臺電機3的驅(qū)動器由操作人員經(jīng)I/O接口給出控制信號，控制電機以低速、點動方式運行；具有自檢測功能。12 電機控制系統(tǒng)的相關(guān)配置無刷直流電機控制系統(tǒng)的外部配置：（1）無刷直流電機（MA*ON EC-ma* 30 40W 型號272769）機載電源DC28V （2）活門減速器變比 ：134：1 電機

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（電機自帶），位置傳感器1.3 控制性能指標排氣活門控制圍：0-90度；2）電機驅(qū)動器應保證負載能夠在01.6rpm（0-7075r/min）速度圍任意可調(diào)，特別是保證負載在0.05rpm（221r/min）左右的調(diào)速性能的穩(wěn)定性和準確性；無刷直流電機驅(qū)動器采用28V直流電源供電，即額定電壓為28V；4）電機轉(zhuǎn)速控制圍：05500r/min。2電機驅(qū)動器的硬件設(shè)計2.1 電機驅(qū)動器的硬件功能需求1）具有RS422通訊接口，與上位機通訊，以接收控制指令和報告活門的位置狀態(tài)；2）

3、接收電機的位置信號，并且根據(jù)上位機指令能夠?qū)o刷直流電動機進行高低速、正反轉(zhuǎn)控制；3）具有自檢測與保護功能，包括過流、短路、欠壓保護，當電機工作狀態(tài)異常時向上位機報告。2.2控制器方案控制器的功能要求見圖2，采用數(shù)字信號處理器(DSP)來實現(xiàn)，型號選用最新型的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，作為與上位機的接口；TMS320F2812輸出PWM信號，采用軟件控制，輸出與電機的位置信號綜合，控制三相橋電路的上（或者下）3個功率開關(guān)器件，以控制電機的電壓達到控制轉(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，完成電機轉(zhuǎn)速信號的采樣，RDC集成電路選用AD2S90；TMS320F2812采用兩路ADC接口，能夠擴展為16路模擬量數(shù)據(jù)輸入接口，采集位置信號和電流信號，實現(xiàn)電流和位置反饋。留出8位PIO接口信號，作為手動控制、運行使能，以及其他需要增加控制時的信號。2.3轉(zhuǎn)速測量電路電機的速度傳感器采用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器，與電機同軸旋轉(zhuǎn)，完成電機轉(zhuǎn)速反饋時的轉(zhuǎn)速測量。信號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)當環(huán)型變壓器的定子繞組上施加勵磁電壓，環(huán)型變壓器的轉(zhuǎn)子繞組感生的

5、電動勢送到旋轉(zhuǎn)變壓器原邊的轉(zhuǎn)子繞組作為勵磁電源，該勵磁電流所產(chǎn)生的磁場使副邊的定子兩相繞組中感應出按下式變化的電動勢。其中為電機的機械軸角度，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、勵磁信號發(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)其中勵磁信號發(fā)生器采用AD2S99集成電路產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)變壓器的勵磁信號，信號頻率510kHz，電壓7V，輸出電流200mA。2數(shù)字信號變換器(RDC)數(shù)字信號變換器(RDC)采用集成電路AD2S90，將正余弦信號變換為12位的數(shù)字位置信號，直接送至數(shù)字信號處理器(DSP)。數(shù)字信號變換器(RDC)的應用在該位置傳感器中，數(shù)

6、字信號變換器(RDC)的應用是其關(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sin(U1)、cos(U2)、ref(Uin)，將模擬機械軸位置信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字型信號，可供單片機或數(shù)字信號處理器(DSP)直接讀取，處理器從AD2S90可以獲得以下數(shù)字位置信號： (1)12位串行二進制表示的絕對位置信息，即用十六進制數(shù)0*0000*fff表示的對應電動機機械角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，電機每旋轉(zhuǎn)機械角一周分別產(chǎn)生1024個脈沖，將2路信號

7、異或”可獲得2048個脈沖，若取其跳變沿還可獲得4096個脈沖。(3)能夠提供與速度成正比的模擬測速信號VEL，典型線性度，最大輸出電壓2.5v，每伏電壓相當于轉(zhuǎn)速9000r/min。由于模擬測速信號VEL精度較低，增量式信號為10位，而絕對位置信號為12位，本方案擬采用絕對位置信號，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)被控電機的額定、極限工作參數(shù)，從眾多商家的產(chǎn)品（見附錄）中進行篩選，最終決定采用I*YS公司型號為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的特點是大電流期間導通電阻小。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器件的導通特性是電阻不

9、變，當選用上述的MOSFET導通電阻為8.5m，計算得到單管導通損耗為0.5W左右，功率電路的工作時兩管導通，導通損耗將為1W左右。 驅(qū)動電路方案滿足性能指標要求的MOSFET驅(qū)動芯片有不少，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(國際整流)公司的IR2136芯片。IR2136芯片有以下特點：具有獨立的三相橋驅(qū)動功能，集成度高；能提供10V至20V的門極驅(qū)動電壓，符合MOSFET驅(qū)動要求；具有獨立的欠壓及過流保護功能。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)無刷直流電動機采用霍爾元件位置傳感器實現(xiàn)換相控制，因此可以采用可編程邏輯GAL器件來實現(xiàn)。換相控制電路的邏輯關(guān)系見圖8，圖中的信號為：DIR：轉(zhuǎn)速方向控制信號，為1”時控制電機正轉(zhuǎn)，為0”時控制電機反轉(zhuǎn)；PWM：脈寬調(diào)制信號，通過占空比控制電機繞組電壓，來控制電機轉(zhuǎn)速的高低；PA、PB、PC：霍爾元件產(chǎn)生的電機位置信號，控制電機換相；g1g6：三相橋逆變器的控制信號。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，將電機正/反轉(zhuǎn)信號、PWM信號綜合進去，構(gòu)成能夠進行電機高低速、正反轉(zhuǎn)控制的MOSFET邏輯控制信號g1g

11、6；電流驅(qū)動電路：在邏輯上可以是反向器或者同向器，將GAL輸出邏輯信號增加電流驅(qū)動能力，驅(qū)動后面的光耦電路，通常為07mA；光耦電路：實現(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，同時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)與上位機通訊：經(jīng)RS422A總線接收上位機的控制位置、最高轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)，到達位置后向上位機返回當前的位置數(shù)據(jù)；(2)位置控制：根據(jù)上位機經(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)上位機經(jīng)RS422A總線送入的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，將電機的最高轉(zhuǎn)速限制在指定的圍；驅(qū)動器要控制電機的轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動

12、圈數(shù)，以根據(jù)上位機指令精確控制排氣活門的開度。為實現(xiàn)精確位置控制，驅(qū)動器采用目前最先進的數(shù)字信號處理器DSP/TMS320F2812對信號進行處理、計算，并給出控制信號。采用AD2S90和AD2S99，對旋轉(zhuǎn)變壓器實現(xiàn)解碼，計算，給出位置計算的依據(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，測量減速器后面的位置傳感器（電位計型），通過DSP的AD變換電路（12位）采集數(shù)據(jù)，實現(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)，實現(xiàn)閉環(huán)控制；轉(zhuǎn)速的數(shù)字測量是微處理器讀取A

13、D2S90輸出的數(shù)字位置信號，通過軟件計算來獲得電機轉(zhuǎn)速。通過AD2S90可以得到三種分辨率的位置信號，即電機旋轉(zhuǎn)一周可以產(chǎn)生4096、2048或者1024個脈沖。這里設(shè)電機旋轉(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數(shù)法 。所謂脈沖計數(shù)法是在單位時間對位置脈沖信號計數(shù)，以獲得單位時間的轉(zhuǎn)角來計算速度。若時間間隔為采樣時間，測量的脈沖數(shù)為M，則被測速度可由計算得到。脈沖計數(shù)方法對轉(zhuǎn)速的測量可以用絕對位置信號通過軟件完成，M由兩次采樣的位置差值獲得，即時刻的M值為式中為時采樣的位置信號。脈沖計數(shù)法在采用較大的N0時，并且高轉(zhuǎn)速圍精度較高，適用于電機的高速運行。3.3系統(tǒng)的控制方法 該系統(tǒng)對于

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，對應電機轉(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。需要保證高速時系統(tǒng)的快速性和低速時的穩(wěn)定性。由于PI調(diào)節(jié)器是工程上應用最廣泛的控制方法，本項目首先考慮采用PI調(diào)節(jié)器，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，動態(tài)結(jié)構(gòu)圖見圖10。圖10 電機控制系統(tǒng)的動態(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，和為電機角速度的給定值和反饋值。自動控制軟件上，通過速度環(huán)實現(xiàn)對速度的精確控制。由于系統(tǒng)要求調(diào)速圍大，調(diào)速比要達到500，要求PI參數(shù)要有很強的適應性，可同時滿足高速和低速的性能要求。采用PWM調(diào)制，由DSP根據(jù)目標速度給出所需的占空比，同時，位置環(huán)可實現(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