基于Motionchip的直流無刷伺服電機(jī)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(kuò)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(jī)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(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，一般采用一個或多個單片機(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，必須具備高速運算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(jī)專用的高檔單片機(jī)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)?？删幊踢壿嬈骷M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(jī)運動控制芯片，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TI公司推出的電機(jī)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和專為電機(jī)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(jī)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(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，它是一種為各種電機(jī)類型進(jìn)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(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(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，可以實現(xiàn)RS232/RS485通訊、CAN總線通訊；

　　·基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平臺，強(qiáng)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(qiáng)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，利用VC/VB實現(xiàn)PC機(jī)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(jī)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(jī)/有刷電機(jī)/永磁同步電機(jī)為控制對象進(jìn)行伺服驅(qū)動器設(shè)計。設(shè)計指標(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)計之前，根據(jù)MotionChip的特點和伺服電機(jī)的特性進(jìn)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(jī)參數(shù)設(shè)置采用計算機(jī)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口，并可利用提供的人機(jī)接口進(jìn)行獨立參數(shù)設(shè)置，有網(wǎng)絡(luò)通訊接口進(jìn)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)。