直流無刷伺服電機運動控制系統(tǒng)設計
[導讀] 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器超聲檢測成像系統(tǒng)中，上位機通過485總線
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雜，計算速度慢，從而導致控制效果不理想。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）。現(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和專為電機控制設計的外圍接口電路。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，以簡化用戶設計難度為目的，設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，設置成通過網(wǎng)絡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,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)動器設計。設計指標為：適應12—36V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口，并可利用提供的人機接口進行獨立參數(shù)設置，有網(wǎng)絡通訊接口進行獨立參數(shù)設置，有網(wǎng)絡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)。
控制系統(tǒng)設計
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。當保護中斷PDPINT有效或電機使能信號ENABLE無效時，6路PWM信號立即進入高阻狀態(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)時間設置（0—102μs），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)設計
電機的驅(qū)動主要包括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PWM7~PWM12，其中PWM7~PWM9輸出設為驅(qū)動MOSFET功率管橋路的上半橋，PWM10~PWM12輸出驅(qū)動下半橋。DSP輸出的這兩種3路PWM信號經(jīng)過IR2102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一0.027Ω采樣電阻如圖3（a），采樣電流范圍為0~6.22A，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×0.027×14.63。
MotionChip AD口的模擬量輸入電壓為0~5V，所以電流采樣經(jīng)量化的值為：
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應用
加氫反應器超聲檢測成像系統(tǒng)是一套適用于現(xiàn)場檢測的加氫反應器堆焊層剝離超聲檢測成像系統(tǒng)，實現(xiàn)加氫反應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器有一定的適用性。
加氫反應器剝離成像系統(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)硬件設計
由此選擇了上述設計的運動控制系統(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。控制系統(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。
系統(tǒng)軟件設計
控制系統(tǒng)的軟件是基于Vc++和MotionChip的動態(tài)鏈接庫設計的，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)設置與顯示模塊主要是設置一些系統(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。任務編程模塊將要實現(xiàn)控制任務的規(guī)劃，如X軸向和Y軸向運動等，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計和實踐研究，并設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)的設計過程，而且具有很好的開放性和網(wǎng)絡性，對中小型項目是非常理想的設計方案。
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