（通信与信息系统专业论文）工业平缝机控制器的研究.pdf

摘要 在现代缝制业中，缝制设备已经进入机电一体化阶段。缝制质量 与缝制效率的提高是缝制业不断的追求，工业平缝机是缝制业的主要 设备之一，国内目前使用的工业平缝机控制器基本上依赖进口。因此 研究工业平缝机控制器具有重要的理论意义与现实意义。 本论文研究了工业平缝机控制器的系统结构、控制方案和系统的 硬软件设计等问题。在详细分析工业平缝机工作原理和无刷直流电机 控制技术的基础上，提出了工业平缝机控制器的整体设计方案。论文 详细介绍了无刷直流电机的组成原理和控制方法，论文对控制律进行 了讨论、分析、并结合工业平缝机对速度要求跟随性好、速度精度要 求不是特别高的实际情况，选用了分段双环p i 算法作为控制律。对 系统快速制动与精确定位问题进行了讨论，采用了动态计算角度与速 度理论直线的精确定位控制方法。 根据对工业平缝机的需求分析以及目前硬件的发展趋势，同时考 虑后续系列缝纫设备开发的硬件复用性，硬件部分采用了l p c 2 1 3 8 微 控制器( a r m 7 内核) 为核心控制器，利用l p c 2 1 3 8 内部的p w m 模块 产生一路占空比可调的p w m 波来控制电机的电压进而调速。采用了 c p l d 器件对无刷直流电机的换相进行控制，选用三菱公司的i p m 模 块p s 2 1 5 6 4 为核心功率驱动部分驱动电机。同时采取相应的隔离抗干 扰技术，实现了一套简单、可靠、高效的工业平缝机控制器的硬件系 统。 软件部分的设计采用c 语言和a r m 汇编语言，结合模块化的设计思 想，设计了系统主程序、调速模块、各种缝制模式控制模块、制动与 精确定位模块、l a p 数据存取模块、人机交互模块等。该控制器经过 现场长时间使用测试，满足工业平缝机各项技术指标要求，已在工业 平缝机上得到了很好的应用。 关键词：工业平缝机无刷直流电机i p m 精确定位 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e e d l et r a d e ，t h et e c h n o l o g yo fi n d u s t r y s a r t o r i u sh a se n t e r e dt h em a c h i n eu n i t e d e l e c t r i c i t ys t a g e a tp r e s e n t ， s e w i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c yh a sb e e nt h ep u r s u i to fs e w i n gi n d u s t r y i n d u s t r ys a r t o r i u si sa ni m p o r t a n tk i n do fs e w i n ge q u i p m e n t s ，b u tm o s to f t h es a r t o r i u sc o n t r o l l e r s u s i n g i no u rc o u n t r ya r e i m p o r t e d t h u s ， d e v e l o p i n gt h eh i g h s p e e di n d u s t r ys a r t o r i u ss e r v oc o n t r o ls y s t e mh a sa v i e wo fa c a d e m i ca n dr e a l i t y t h ed i s s e r t a t i o nh a ss t u d i e dt h es t r u c t u r e ，c o n t r o ls t r a t e g y , h a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g na b o u tt h ei n d u s t r ys a r t o r i u ss e r v oc o n t r o ls y s t e m o n t h eb a s i so fd e t a i l e da n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo fi n d u s t r ys a r t o r i u sa n d b l d c ms e r v oc o n t r o lt e c h n o l o g y , d e s i g n e st h eo v e r a l ls c h e m e t h e d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l e so f b l d c m ，a n a l y z e dt h ec o n t r o ls t r a t e g yw i t ht h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n - - f a s t r e s p o n d a n dn oh i g h a c c u r a c y r e q u i r e m e n t f o r s p e e d ，c h o o s e t h e s u b s e c t i o nr e f o r m a t i v ev e l o c i t ya n dc u r r e n tp ic o n t r o l s t r a t e g y t h e p r o b l e mo fs y s t e ma c c u r a t eb r a k i n gi sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e sd y n a m i c l i n eo fs p e e da n da n g l et oa c h i e v et h ea c c u r a t eb r a k i n g a c c o r d i n g t ot h e r e q u i r e m e n t so fi n d u s t r y s a r t o r i u sa n dt h e f o l l o w i n g s e r i e s s e w i n ge q u i p m e n t s ，t h eh a r d w a r e h a st h em c u l p c 2138 ( a r m 7c o r e ) a st h ec o r ec o n t r o l l e r u s i n gt h ep w mm o d u l ei n l p c 2138g e n e r a t e sap w mw a v ew h o s ep u l s ed u t yf a c t o ri sa d j u s t a b l e ， a n di tc a nc o n t r o lt h ev o l t a g et oc o n t r o lt h es p e e d t h ep h a s ec o m m u t a t i o n o fb l d c mi sc o n t r o l l e db yc p l d t h ei p mp s 215 6 4c o m p o s st h ep o w e r d r i v ec i r c i u t i na d d i t i o nt os o m ea n t i - i n t e r f e r e n c et e c h n i q u ei sa p p l i e d ，a s u i to fs i n g l e ，t r u s t w o r t h ya n dh i g he f f i c i e n c ys e r v os y s t e mh a r d w a r e c i r c u i ti sa c h i e v e d u s i n gt h eca n da r ma s s e m b l yl a n g u a g et od e g i s nt h es y s t e m s o f t w a r e ，t h em o d u l ed e s i g nm e t h o di sa d o p t e d t h es y s t e ms o f t w a r e i n c l u d e sm a i np r o g r a m ，v e l o c i t yc o n t r o l l e d m o d u l e ，m u l t i p l es e w i n g m o d u l e ， a c c u r a t e b r a k i n g c o n t r o l l e d m o d u l e ， i a p m o d u l e ， h u m a n - c o m p u t e r i n t e r a c t i o nm o d u l ee r e t h ec o n t r o l l e rm e e t st h e r e q u i r e m e n t so ft e c h n i c a li n d i c a t o r sf o ri n d u s t r i a ls e w i n gm a c h i n e ，a n d h a sb e e nag o o da p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a ls e w i n gm a c h i n e n k e y w o r d s ：i n d u s t r ys a r t o r i u s ，b l d c m ，i p m ，a c c u r a t eb r a k i n g n l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：名鼹 日期：耳年上月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名 隰等年土月卫日 中南人学硕十学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了工业平缝机的市场需求，发展现状。概述了工业平缝机伺服系统 的分类、基本组成和功能。最后提出了本文主要的研究内容以及结构安排。 1 1 研究背景 1 1 1 工业平缝机的需求【l 】f 2 1 【3 1 随着缝制工业的发展，缝制效率的提高是一个重要课题，工业平缝机正朝着 智能化和专业化方向发展。近年来，机电一体化和智能化技术在国际缝制领域不 断应用，机电一体化工业平缝机得到迅速发展。机电一体化工业平缝机技术含量 高，控制系统复杂，相对价格较高，但是由于其能够大幅度提高缝制效率，已经 逐步得到了市场的认可。 国内工业平缝机的需求量现在j 下以指数增长趋势在稳步增长。2 0 0 0 年我国 的智能化工业平缝机保有量不超过2 万台，到了2 0 0 4 年，每年对于智能化工业 平缝机的需求就超过5 万台，而且这一需求还在不断飞速增大。目前国内工业平 缝机控制器主要依赖从德国和同本进口，开发拥有自主产权的智能控制器就显的 非常的重要和迫切，但由于国内相应的研发起步较晚，技术水平也不高，而且能 够从事智能化可控工业平缝机电机系统生产的电机企业更是少之又少，总体生产 的智能化工业平缝机控制系统远远小于市场的需求。以缝制机械行业2 0 0 5 年统 计的工业平缝机产量7 0 0 万台为计算基数，“十一五期间行业机电一体化产品 占2 5 一3 0 计算，那么可以预见每年将有2 0 0 万套左右的工业平缝机电控系统 的市场容量。预计到2 0 1 0 年，中国缝制机械行业年产值将达6 0 0 亿元以上。飞 速增大的市场空间与相对短缺的供应水平构成了极大的对比，因而也鲜明体现出 智能化工业平缝机控制系统的巨大前景和发展空间。 1 1 2 工业平缝机的发展【4 】f 5 】 上世纪8 0 年代中期，我国开始引进并研究电脑控制系统，进入机电一体化 产品的研发阶段。8 0 年代末，在电脑刺绣机领域内首先取得成功。上世纪9 0 年 代，科技发展和电脑技术的日趋成熟，高速平缝机这个产品在缝纫机行业的应用 也有所突破。平缝机伺服系统按伺服电机的种类一般可分为5 种，即摩擦片式、 涡流式、混合步进电机、电磁离合器电机、直流伺服电机。 摩擦片式电子定位针电动机伺服系统起动过程迅速，缺点是速度和针位控制 中南人学硕十学侮论文第一章绪论 精度比较差，同时摩擦片的磨损会影响定位准确性，需经常保养和维修，已经逐 步淘汰。 涡流式电子定位针电动机伺服系统虽然具有定位精度高的特点，但是其起动 过程比较慢，噪声和振动很大，缝制业中已经使用的比较少了。 混合式步进电机定位系统具有控制方便的优点，但其起动频率、运行频率达 不到高速工业缝纫机的要求，定位精度依然不是很好。 电磁离合器电机伺服系统调速范围广、速度调节平滑、起动转矩大，但其缺 点是寿命短、体积大、效率低、噪音大。 直流电机伺服系统，运行效率高、无励磁损耗、调速性能好，运行可靠。但 直流有刷电机均采用机械方式换向，在电刷和换向器之间存在机械摩擦，由此带 来了噪声、火花、干扰及寿命短等缺点，缝制业目前已经逐步淘汰。 无刷直流电机是近年来迅速发展起来的一种新型电机，利用电子换向器取代 了机械电刷和机械换向装置，克服了电刷和换向器所带来的一系列缺点，如噪声、 电磁干扰、换相火花、电刷磨损和可靠性差等，它既具有直流电机优良的调速性 能，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点。所以在缝纫 机直流伺服系统中的应用越来越广。 目前国内使用的工业平缝机控制器主要依赖于从德国、日本等国进口。国内 也有很多厂家和科研机构在研究工业平缝机控制器，根据查阅有关的文献资料， 国内的工业平缝机控制器h 儿朝很多还是采用8 位的m c u ，8 位的m c u 的运算能力瓶 颈必然导致无法运行复杂的控制算法而导致定位精度不好。目前，3 2 位微处理 器的技术已经很成熟并且成本也比较低，其运算能力能保证执行复杂的控制算 法，因此本设计中使用了基予3 2 位a r m 7 内核的微处理器作为主控制芯片。 1 2 工业平缝机的组成与功能概述 工业平缝机是适应高效，大规模使用的智能缝纫机。它主要由控制盒，驱动 电机，缝纫机头，显示与键盘，脚踏板等几个部分组成。工业平缝机通过键盘设 定缝纫指令，由控制盒控制电机和电磁阀等部件按照指令带动机头的机械部分进 行缝纫。通过脚踏板人工的控制缝纫机的启动、停止和缝纫的速度。工业平缝机 具有自动剪线，自动挑线，自动倒缝，根据操作指令进行模式缝纫的功能。工业 缝纫机的机头的转动是通过伺服电机来驱动的：自动剪线、自动挑线、自动倒回 针等功能分别由剪线阀、挑线阀、倒回针阀与机械机构配合来完成的：还可以通 过操作面板实现与控制系统的信息交换，信息设置，并有显示器来显示系统当前 的状态：可以由脚踏板提供调速、剪线、挑线和制动等信号来控制系统的运转。 另外，也可以通过键盘来设置用户需要的功能，例如是否需要剪线，是否需要反 2 中南人学硕+ 学位论文第一章绪论 缝，设置最大转速，设置需要缝纫的针数等一系列参数，而仅由脚踏板提供起动 信号，即可完成相应的功能，操作简单。 1 3 工业平缝机控制器技术指标 高速工业平缝机控制系统的技术指标要求比较严格，下面选取其中比较主 要的叙述如下： 1 、能实现自动剪线，自动倒回针，自动抬压脚等功能，符合多种缝制模式 需要，具有良好的人机交互接口： 2 、根据脚踏开关执行速度调节： 3 、起动轻柔、迅速，升速从0 r p m 到4 5 0 0 r p m 时间( 1 0 0 m s ： 4 、停针迅速准确，要求缝纫机停位精度控制在皮带轮对应的上下针位土3 度以内，速度从4 5 0 0 r p m 减到0 r p m 时间 1 2 0 m s ，圈数在2 - 3 圈内： 5 、缝纫时反缝线迹重合精度要好，误差 = l o ： 6 、系统出现故障时能有相应的保护措施，并给出提示信号： 7 、系统具有在工业环境使用的抗干扰能力： 上述指标是工业平缝机比较重要的指标，其中第4 条定位技术是工业平缝机 的关键性技术之一，需要快速、精确的定位。实现高速工业平缝机快速精确定位， 是本项目的技术难点之一。 1 4 论文的研究内容和结构 根据系统性能指标要求，查找资料，进行系统方案的论证和设计。详细介绍 了无刷电机的结构和原理，对传统的p i d 控制算法进行了分析，结合系统的实际 技术指标确定了速度和电流双闭环p i 算法的控制规律。系统的快速精确制动是伺 服系统的重要指标，也是系统的难点。论文对系统的制动方法进行了分析和研究， 采用了反接制动的方案，并且在反接制动阶段中采用动态计算理论直线的方法达 到快速制动与精确定位的目的。系统硬件电路部分，主要介绍了核心控制器、电 机位置译码电路、电磁阀控制电路、功率驱动电路、电流、电压测量电路、键盘 与显示电路等，并根据工业平缝机比较恶劣的使用环境，设计中采用了相应的硬 件抗干扰措施。系统软件的设计与调试，使用了模块化与层次化的设计思想，分 别实现系统的各种功能。其中包括系统初始化模块、速度和电流调速模块、各种 缝纫模式控制模块、系统制动与精确定位模块、人机交互模块等部分，同时介绍 了常用软件抗干扰的一些措施。最后对系统进行了测试和分析。 以下是本文的结构安排： 第二章：工业平缝机控制器的设计。该章主要介绍系统的基本组成，包括系 3 中南人学硕十学位论文第一章绪论 统的总体设计以及控制方案的分析。详细分析无刷直流电机的组成以及工作原 理，同时分析了无刷直流电机p w m 控制调速原理。 第三章：工业平缝机控制律研究。该章主要针对工业平缝机的控制规律进行 研究，在分析无刷电机的速度与电流的反馈检测的基础上，采用了速度与电流双 闭环的控制规律。针对工业平缝机技术指标要求的快速制动与精确定位问题，采 用了反接制动与动态计算速度与角度理论直线的控制策略。 第四章：系统硬件设计与实现。该章主要完成工业平缝机控制器硬件系统的 设计与实现，详细分析了系统硬件的整体设计方案以及各个硬件的子模块， 并对硬件设计与调试过程中需要注意的问题进行了分析。 第五章：系统软件设计与实现。该章主要完成工业平缝机控制器系统软件设 计与实现，详细分析了系统系统软件的整体设计，并针对各个软件子模块给出了 详细的软件流程图，还分析了软件设计中需要注意的问题。 第六章：系统测试。该章主要针对系统性能指标中比较重要的启动性能以及 快速制动与精确定位性能进行了测试，给出了测试的方法以及测试的数据。 第七章：结束语。总结了本文的主要研究工作以及后续进一步的工作。 4 中南人学硕十学位论文第二章i ：业平缝机控制器的没计 第二章工业平缝机控制器的设计 本章介绍工业平缝机伺服控制系统的组成原理及其实现方案，对伺服电机的 选用、电机原理以及脉宽调速原理进行详细分析和讨论。 2 1 系统组成 如图2 - 1 所示的工业平缝机的详细结构，主要由主控部分、驱动部分、伺服 电机( 无刷电机带位置传感器) 、脚踏开关、电磁阀、缝纫机机体、操作显示面板 等几部分组成。其中电磁阀是集成在缝纫机体上的。伺服电机和电机位置传感器 集成在一起。主控部分和驱动部分装在一个称之为控制盒的箱体中。 l j 驱动部分 v 1 ，则执行高 速精确制动的过程。首先用反接制动将速度迅速下降到v l ，这个过程中采用的 反接的p w m 值比较大，到达速度v l 时刻，角度为m 1 。 由于停止信号发出时刻电机的速度与角度均是随机量，因此到达速度v l 的 刻，角度l 可能为l _ 3 6 0 度之间的任意一个值，而西3 的值必须为3 6 0 度或者 7 2 0 度，因此在控制策略中需要根据m l 的值来确定0 3 的值为3 6 0 还是7 2 0 度， 实际上就是( o l 、v 1 ) 这一点到停止时刻电机转动的距离是在一圈内还是超过 一圈。 v 1 是确定的，m 1 在运行过程中能够测试到，3 点的速度理论上应该是0 。 因此能够在运行过程中根据( m l 、v 1 ) 和( m 3 、0 ) 这两个点计算出一条速度v 与角度的动态理论直线，然后根据该直线执行精确定位调节。 需要注意的是，在实际的设计中，有两个需要注意的问题： 1 、v l 值的选取：因为v 1 是高速与低速的分界点，v l 的值如果选取过大， 由于精确制动是精细调节，会导致后面的精确制动控制调节需要的距离太长，无 法在两圈内停车；如果选取过小，会导致后面的调节余地太小，可能出现未到停 针位电机已经能量耗尽停止的现象。 2 、西3 点速度的问题：理论上，0 3 点作为停止位置，速度应该为零，但是 在实际的控制过程中，由于电机在停止阶段不可能测试到零速度，因此我们在实 际设计的过程中选取了非常接近( m 3 、o ) 的( 0 2 、v 2 ) 点作为计算动态理论 直线的停机点。 实际设计中选择的v 1 速度作为分界点，是经过大量的数据测试，在平缝机 1 9 中南人学硕十学位论文第三章一i ：业平缝机控制律研究 空载以及最大可能负载的情况下，采取自由制动即直接关掉p w m ，依靠机械摩 擦来制动，需要大概一圈的制动距离，能够比较好的符合控制策略。2 选取的 是前于0 3 的3 个角度即3 5 7 或者7 1 7 度，而v 2 则是当测试到的速度脉冲问隔 大于4 0 0 0 u s 后，认为电机已经停止( 在低速阶段测速采用的是脉冲周期法) 。 采取上面的控制策略，能够达到项目要求的技术指标，定位精度控制在正负 3 度以内，第六章有系统测试的有关数据。 中南人学硕十学位论文 第四章系统硬什设计 第四章系统硬件设计与实现 4 1 系统硬件概述 硬件设计是任何控制器设计中的重点和难点，硬件设计的好坏直接决定了控 制器设计的成败。本章设计了工业平缝机控制器的硬件框架，并详细说明了系统 的部分硬件电路设计及电子元器件的选用。 工业平缝机控制器的硬件框图如下图所示，主要包含主控电路，i p m 功率驱 动电路，电磁阀驱动电路、键盘显示电路以及转子位置译码电路等。 4 2 系统主控电路 图4 - 1 系统硬件框图 4 2 1l p c 2 13 8 简介 l p c 2 1 3 8 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 僧c p u 的微控 制器，带有6 4 k b 映 部r a m 以及5 1 2 k b 嵌入的高速f l a s h 存储器。当对代码规模有严 格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很 小。由于l p c 2 1 3 8 较小的6 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、自带内部a d 2 l 中南人学硕+ 学位论文第四章系统硬件设计 以及多达9 个外部中断使它们特别适用于工业控制、医疗系统等产品中。l p c 2 1 3 8 主要特征如下f 2 0 】： a r m t t d m i s 处理器 5 1 2 k 片内f l a s h ，具有i s p 与i a p 功能 6 4 k b 静念r a m 向量中断控制器 仿真跟踪模块，支持实时跟踪 双u a r t ，其中一个带有完全的调制解凋器接口 i i c 串行接口 s p i 串行接口 两个定时器，分别具有4 路捕获l k 较通道 多达6 路输出的p w m 单元 实时时钟 看门狗定时器 在结构上，l p c 2 1 2 8 包含一个支持仿真的a r m 7 t d m i sc p u 与片内存储器控制 器接口的a r m 7 局部总线、与中断控制器接口的a m b a 高性能总线( a h b ) 和连接片 内外设功能的v l s i 外设总线( v p b ，a r ma m b a 总线的兼容超集) 。l p c 2 1 3 8 将 a r m 7 t d m i - s 配置为小端( 1 i t t l e e n d i a n ) 字节顺序。 a h b 外设分配了2 m 字节的地址范围，它位于4 g 字节a r m 存储器空间的最顶端。 每个a h b # | 、设都分配了1 6 k 字节的地址空间。l p c 2 1 3 8 的外设功能( 中断控制器除 外) 都连接至m j v p b 总线。a h b 至o v p b 的桥将v p b 总线与a h b 总线相连。v p b # 、设也分配 了2 m 字节的地址范围，从3 5 g b 地址点开始。每个v p b 外设在v p b 地址空间内都分 配了1 6 k 字节地址空间。片内外设与器件管脚的连接由管脚连接模块控制。该模 块必须由软件进行控制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求【2 m 1 12 】。 a r m 7 t d m i - s 是通用的3 2 位微处理器，它具有高性能和低功耗的特性。a r m 结 构是基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复 杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高 的指令吞吐量和实时的中断响应。由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所 有部分都可连续工作。通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将 第三条指令从存储器中取出。 a r m 7 t d m i - s 处理器使用了一个被称为t h u 糯的独特结构化策略，它非常适用 于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。在t h u m b 后 面一个关键的概念是“超精简指令集 。a r m 7 t d m i s 处理器具有两个指令集：标 准3 2 位a r m 指令集，1 6 位t h u m b 指令集。 中南人学硕十学位论文第四章系统便1 j ，| ：设计 t h u m b 指令集的1 6 位指令长度使其可以达到标准a r m 代码两倍的密度，却仍然 保持a r m 的大多数性能上的优势，这些优势是使用1 6 位寄存器的1 6 位处理器所不 具备的。因为t h u m b 代码矛h a r m 代码一样，在相同的3 2 位寄存器上进行操作。t h u m b 代码仅为a r m 代码规模的6 5 ，但其性能却相当于连接到1 6 位存储器系统的相同 a r m 处理器性能的1 6 0 1 2 3 】【2 4 l 。 在l p c 2 1 3 8 寄存器和处理器模式里，共有3 7 个寄存器，被分为若干个组，这 些寄存器包括：3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器； 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位，目前只 使用了其中的一部分。 同时，l p c 2 1 3 8 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下 均有一组相应的寄存器与之对应。 4 2 2l p c 2 13 8 最小系统硬件设计 1 电源电路 l p c 2 1 3 8 微控制器的内核和i o 使用同一电源电压，需要单电源3 3 v 供电。 s p x ll1 7 - m - 3 3 是s i p e x 公司的芯片，其特点是输出电流大，电压输出精度高，稳 定性高。s p x l l l 7 系歹o l d o 芯片输出电流可达到8 0 0 m a ，输出电压精度在正负l 以 内，还具有电流限制和过热保护功能【2 3 】【2 5 1 。 在设计中，采用的电源电路如下图4 - 2 所示，v i n 由总电源部分提供输入5 v 直流电源，经过c 1 6 、c 2 0 滤波，然后通过s p x l l l 7 - m - 3 3 将电压稳定在3 3 v 。 l p c 2 1 3 8 具有独立的模拟电源引脚v 3 a ( 7 号引脚) 、v s s a ( 5 9 号引脚) ，为了降 低噪声，模拟电源与数字电源应该隔离，图中的电感l 1 和l 2 用来隔离电源，将 数字电源的高频噪声隔离。 2 系统时钟电路 图4 - 2c p u 电源原理图 中南人学硕十学位论文 第四章系统硬件设计 l p c 2 1 0 0 系列a r m 7 微控制器可使用外部晶振或者外部时钟源，内部p l l 电 路可调整系统时钟，使系统运行速度更快( c p u 最大操作时钟为6 0 m h z ) 。根据是 否使用片内p l l 功能以及i s p 下载功能，外部晶振频率参数范围有所不同。如果 不使用片内p l l 以及i s p 下载功能，外部晶振频率范围为l m h z 一3 0 m h z ，如果使 用了片内p l l 以及i s p 下载功能，外部晶振频率范围为l o m h z 一2 5 m h z 【2 0 】1 2 3 j 。本 设计中，使用了内部p l l 以及i s p 功能，同时为了使2 3 2 以及4 8 5 通信的波特率 更加精确，选用了1 1 0 5 9 2 m h z 的外部晶振。系统时钟电路如图4 3 所示： c l 3 0 p 图4 - 3 系统时钟电路图 3 j t a g 接口电路 由于l p c 2 1 3 8 具有支持实时仿真和跟踪的a r m 7 内核，因此在电路设计的过 程中，设计了j t a g 调试接口电路，便于在后续的调试工作中使用。根据l p c 2 1 3 8 的数据手册，p 1 2 卜p 1 3 l 为j t a g 调试接口。在实际的设计中，复用了 p 1 2 6 一p 1 3 1 为普通i o ，因此在调试时候，需要在程序中通过设置p i n s e l 2 寄存器来使能和禁止内部的j t a g 功能。根据l p c 2 1 3 8 的数据手册，r t c k 需要下 拉，设计中使用了4 7 k 的电阻下拉1 2 0 1 【2 3 1 。设计如图4 4 的j t a g 接口电路： 辨l 图4 - 4j t a g 调试接口电路图 2 4 中南人学硕十学位论文第四章系统硬件设计 综上所述的各个模块的设计电路，在加上主控芯片l p c 2 1 3 8 ，即可做出控制 系统完整的最小系统。 图4 - 5 控制部分原理图 中南人学硕十学位论文 第四章系统埂1 ：，l ：设计 4 3 功率驱动电路 4 3 1ip m 简介 智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 不仅把功率开关器件和驱 动电路集成在一起。而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可 将检测信号送至u c p u 。它由高速低功耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保 护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以i p m 自身不受损坏。i p m 一般 使用i g b t 作为功率开关元件，内藏电流传感器及驱动电路的集成结构，以其高可 靠性，使用方便赢得越来越大的市场，尤其适合于驱动电机的控制器和各种逆变 电源，是变频调速，冶金机械，电力牵引，变频家电的一种非常理想的电力电子 器件。在本次设计中选取的是三菱公司的i p m 系列产品。 作为一种新型功率开关器件，它集成了g t r 和m o s f e t 的优点，具有高耐压，高 输入阻抗、高开关频率、低驱动功率等优点，而且i p m 内部集成了逻辑、控制、检 测和保护电路，从而大大提高了系统的可靠性，因此，使用起来非常方便。 i p m 有如下的几个优剧2 6 1 1 2 7 1 【2 8 1 ： 1 、开关速度快。i p m 内的i g b t 芯片都选用高速型，而且驱动电路紧靠i g b t 芯片，驱动延时小，所以i p m 开关速度快，损耗小。在小于等于2 0 k h z 时都能稳定 工作。 2 、低功耗。i p m 内部的i g b t 导通压降低，开关速度快，故i p m 功耗小。 3 、快速的过流保护。i p m 实时检i i 贝 i i g b t 电流，当发生严重过载或直接短路时， i g b t 将被软关断，同时送出一个故障信号。 4 、过热保护。在靠近i g b t 的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当基板过 热时，i p m 内部控制电路将截止栅级驱动，不响应输入控制信号。 ， 5 、桥臂对管互锁。在串联的桥臂上，上下桥臂的驱动信号互锁。有效防止 上下臂同时导通( 只有部分型号才具有) 。 6 、抗干扰能力强。优化的门级驱动与i g b t 集成，布局合理，无外部驱动线。 7 、驱动电源欠压保护。当低于驱动控制电源( 一般为1 5 v ) 就会造成驱动能 力不够，增加导通管损坏。i p m 自动检测驱动电源，当低于一定值超过1 0l is 0 寸， 将截止驱动信号。 8 、i p m 内藏相关的外围电路大大减少了元件数目，体积比较小。 i p m 内部基本结构如图2 - 6 所示，其基本工作原理为：在p 端和n 端之间接 入直流电源，由a r m 发出的脉宽调制信号p 删给i p m 的控制端，控制i p m 内部的 三相i g b t 导通和关断，产生u 、v 、w 三相交流电来驱动交流伺服电机旋转。在 中南人学硕十学位论文 第四章系统硬什设计 一般使用场合下，要求微处理器在上电瞬间给i p m 控制端引脚的电平为无效的低 电平，即要求i p m 内部6 路i g b t 全部处于关断状态。 u v w t 1 控制端；2 一t 2 控制端；3 一t 3 控制端；4 - t 4 控制端；5 一t 5 控制端；6 - t 6 控制 端；p 一直流母线端；n 一直流母线端；u 一电机的u 相输入；v 一电机的v 相输入；w - 电机的w 相输入；t i - u 相上臂i g b t ；t 2 - u 相下臂i g b t ；t 3 - v 相上臂i g b t ；t 4 - v 相下臂i g b t ；t s - w 相上臂i g b t ；t 6 - w 相下臂i g b t 图4 - 6i p m 内部结构图 4 3 2l p m 在驱动电路设计中的应用 工业平缝机选用的无刷直流电机参数如下： 额定电压一3 0 0 v 额定电流- - 1 5 a 额定转矩- - 0 8 8 2n m 额定转速- - 4 6 0 0 r m in 相电感一3 5 i l l h 相电感- - 1 9 5 欧姆 根据电机的参数，本设计中选用了日本三菱公司第三代i p m 产品p s 2 1 5 6 4 ， 耐压值为6 0 0 v ，允许最大电流为1 5 a ，最大开关频率为2 0 k h z 。采用d i p 封装， 将传递型封装结构将功率电路和驱动保护电路集成于一体的小型智能功率模块。 输入接口电路采用驱动电平逻辑，可直接由d s p 或3 v 级微处理器驱动【2 9 】。 图4 7 为p s 2 1 5 6 4 内部结构及典型的p s 2 1 5 6 4 经高速光耦与控制芯片的接口 中南人学硕十学位论文 第四章系统硬件没计 电路图【2 9 】： 图4 7p s 2 1 5 6 4 典型应用 虽然基于p s 2 1 5 6 4 的驱动电路简单，但是驱动电路是功率电路，需要经受大电 流、电压的考验，容易产生电磁干扰和误操作等现象，设计时必须全面考虑，如 以下几方面【2 9 1 ： l 、吸收电容的选择。吸收电容是消除因电源问题或电机起、停及运行中出 现故障时产生的d v d t 浪涌电压的关键设备，为确保p s 2 1 5 6 4 不会因高d v d t 而损坏，应p s 2 1 5 6 4 的电源正负引脚( 图4 - 7 中的p 、n 引脚) 间并一个吸收电 容，并保证其于p s 2 1 5 6 4 的电源正负引脚之间的布线尽可能短。在本设计中吸电 容参数取为0 2 2 u f 6 0 0 v 。 2 、电流采样电阻( 图4 7 中的r s h u n t ) 的接线应尽可能短。如果电流采样 电阻与p s 2 1 5 6 4 之间的引线过长，线路电抗引起的浪涌电压有可能会破坏 p s 2 1 5 6 4 内部i c 。因此电流采样电阻和p s 2 1 5 6 4 之间的布线应尽可能短，一般要 求小于2 0 r a m 。 3 、所有p s 2 1 5 6 4 驱动电源的滤波电容都应尽量靠近p s 2 1 5 6 4 的引脚。 中南人学硕十学位论文第四章系统硬件设计 4 、设计中需要特别注意开机上电和断电时刻c p u 程序和c p l d 程序均处于不 确定状态，此时的电源的丌关可能会产生尖峰脉冲，导致i p m 模块损坏，本设计 项目初期就出现过这样的情况损坏过i p m 模块。为了避免这样的情况，在硬件设 计过程中，需要特别注意测试硬件电路板上滤波电阻、电容的参数配置。 i p m 功率驱动部分原理图见图4 8 ： 图4 - 8i p m 功率驱动部分原理图 为了保证控制信号的可靠性，在本设计中，控制信号进入p s 2 1 5 6 4 前使用 了高速光耦6 n 1 3 7 t 3 0 1 进行隔离，由于p s 2 1 5 6 4 的控制信号是高电平有效，因此 在p s 2 1 5 6 4 前加了7 4 v i g l 4 反相器进行信号电平转换。根据p s 2 1 5 6 4 的使用 手册，在单电源供电方案时需要使用自举电路，本设计中使用的是3 路独立的 中南人学硕十学位论文 第四章系统硬1 ：，| ：设计 1 5 v 电源给i p m 供电，因此不需要使用自举电路。i p m 的保护电路，下面的小 节有详细的介绍。 4 3 3lp m 保护电路 p s 2 1 5 6 4 内部具有短路保护和驱动电压欠压保护功能，同时可以通过外部的 电阻来设定i p m 过流保护动作的闭值，通过r c 电路设定从故障发生到保护电路 的时间间隔，因而具有较强的灵活性。i p m 的保护电路如图4 9 所示。 图4 - 9i p m 保护电路 图中p 、n 是i p m 的直流母线输入端，n l 和n 之间是i p m 外围的电流采样与 保护动作时间设定电路，r s c 是直流母线电流的采样电阻。c i n 和v n c 是直流母 线电流采样信号的输入端，r 6 和c 6 构成一个r c 滤波电路，通过设定其时间常 数的大小，可以控制过电流保护电路动作的延迟时间。本系统中r 6 为1 0 0 0 欧姆， c 6 为1 5 0 0 p f ，即延迟时间约为1 5 u s 。 图中c f o 引脚用来设置故障输出信号的脉冲宽度，根据p s 2 1 5 4 的数据手册， 采用了数据手册的推荐值2 2 n f ，对应的故障信号的脉冲宽度典型值为1 8 m s 。 图中f 0 为p s 2 1 5 6 4 的故障信号输出引脚，该信号送入c p l d 并同时送入到 l p c 2 1 3 8 处理器。功率模块一旦发生故障，c p l d 会立刻关断p w m 信号同时l p c 2 1 3 8 也会产生中断，从而实现对i p m 的软件保护。为了实现有效隔离，f 0 信号采用 光藕t l p l 8 1 传输【3 2 j 。 4 4 转子位置检测电路 无刷直流电机运行时，需要根据转子的位置信号来控制逆变电路的6 个功率 管的导通顺序，再根据输入的p 1 i m 波的占空比进行调速控制。无刷电机的转子位 置是由位于电机内部的三个光电式位置传感器( 霍尔元件) 得到的。随着电机转子 的旋转，光电管间隙接收从光源发出的光，不断导通和截至，从而产生一系列“0 ， 3 0 中南人学硕十学位论文第四章系统埂什发计 “l 信号。电机转子每旋转一周，霍尔元件h l 、h 2 、h 3 会输出6 个表示转子位 置的数字组合，即每6 0 。信号组合改变一次。 系统采用硬件译码的方式把转子位置信号输入c p l d 器件，经过译码输出控 制逆变桥功率管导通顺序的6 路信号。利用硬件实现无刷直流电机的换相和保护 功能，大大的解放了c p u ，提高了系统的运行效率，减化软件编程工作。 设计中选用的c p l d 器件是e p m 2 4 0 ，e p m 2 4 0 是a 1 t e r a 公司最新的m a xi i 系列可编程逻辑器件，最高的频率能达到3 0 4 m h z | 3 3 1 【3 4 1 。利用e p m 2 4 0 可以很方便 的实现无刷直流电机两两导通方式下的换相逻辑，还可以判断电机转子位置信号 是否异常，实现无刷直流电机反接制动逻辑，当出系统出现故障之后可以很方便 的关断逆变电路，减小损失【”】。程序中有如下几个输入信号，分别是3 个位置 信号的输入，一个p w m 输入，一个正反转控制信号输入，一个使能信号输入和一 个模块故障信号输入。输出的信号是6 个控制i g b t 开关的信号。其中的e n 为使 能信号，d i r 是正反转控制信号、p w m 是由l p c 2 1 3 8 输出的p w m 波。l w 、l v 、l u 分别为w 、v 、u 相下桥臂控制信号，h w 、h v 、h u 分别为w 、v 、u 相上桥臂控制 信号。当e n 为0 时整个电路开始工作，当为1 时电路停止工作，这时不论输入 如何变化输出都是高电平。如果故障信号为低，c p l d 程序会关闭6 个i g b t 其真 值表如下： 表4 - 1 信号真值表 f oe nd i rh 1h 2h 3l wh wl vh vl uh u oxxxxx1l11l1 1lxxxxll1111 10010lo11l1p w m 1o0l0o011p 删11 1ool1o1l1p w m0l l0ool