驱动器设计方案

1、 .无刷直流电动机驱动器设计方案2009 年 3 月. .1.总体需求与方案1.1 系统总体结构该系统的配套连接框图如图 1所示，共需要 6台电机驱动器，分别控制 6台无刷直流电动机，其中：两台电机 1的驱动器由上位机 1经 rs422总线给出控制信号；两台电机 2的驱动器由上位机 2经 rs422总线给出控制信号；两台电机 3 的驱动器由操作人员经 i/o 接口给出控制信号，控制电机以低速、点动方式运行；具有自检测功能。12 电机控制系统的相关配置无刷直流电机控制系统的内外部配置：（1）无刷直流电机（maxon ec-max 30 40w 型号 272769）机载电源 dc28v（2）活门减

2、速器变比 ：134：1电机行星齿轮箱减速比：33：1总减速比：4422：1 ？（3）旋转变压器 精度 10 minutes（分）（4）霍尔传感器（电机自带），位置传感器1.3 控制性能指标1） 排气活门控制范围：0-90度；2）电机驱动器应保证负载能够在 01.6rpm（0-7075r/min）速度范围内任意可调，特别是保证负载在 0.05rpm（221r/min）左右的调速性能的稳定性和准确性；3）无刷直流电机驱动器采用28v直流电源供电，即额定电压为28v；4）电机转速控制范围：05500r/min。. .2电机驱动器的硬件设计2.1 电机驱动器的硬件功能需求1）具有 rs422 通讯接口

3、，与上位机通讯，以接收控制指令和报告活门的位置状态；2）接收电机的位置信号，并且根据上位机指令能够对无刷直流电动机进行高低速、正反转控制；3）具有自检测与保护功能，包括过流、短路、欠压保护，当电机工作状态异常时向上位机报告。2.2 控制器方案控制器的功能要求见图 2，采用数字信号处理器(dsp)来实现，型号选用最新型的 tms320f2812。. .图 2 控制器结构框图具体功能如下：1tms320f2812 有异步串行接口 rs232，将其转换为 rs422a，作为与上位机的接口；2tms320f2812 输出 pwm 信号，采用软件控制，输出与电机的位置信号综合，控制三相桥电路的上（或者下

4、）3 个功率开关器件，以控制电机的电压达到控制转速的目的；3tms320f2812 有同步的串行数据接口 spi，将其与旋转变压器的数字变换电路(rdc)连接，完成电机转速信号的采样，rdc 集成电路选用 ad2s90；4tms320f2812 采用两路 adc 接口，能够扩展为 16 路模拟量数据输入接口，采集位置信号和电流信号，实现电流和位置反馈。5留出 8 位 pio 接口信号，作为手动控制、运行使能，以及其他需要增加控制时的信号。2.3 转速测量电路电机的速度传感器采用无刷旋转变压器，与电机同轴旋转，完成电机转速反馈时的转速测量。2.3.1 信号变换电路无刷正余弦旋转变压器由环形变压器

5、与正余弦旋转变压器结构两部分组成。结构见图 3。. .图 3 无刷旋转变压器结构当环型变压器的定子绕组上施加励磁电压，环型变压器的转子绕组感生的电动势送到旋转变压器原边的转子绕组作为励磁电源，该励磁电流所产生的磁场使副边的定子两相绕组中感应出按下式变化的电动势。u = u sinwt sinq1mru = u sinwt cosq2mr其中 为电机的机械轴角度， 为转子激磁电源的角频率，u 为电压幅值。qwrm位置传感器采用无刷旋转变压器、励磁信号发生电路、数字变换电路组成，结构框图见图 4。图 4 位置传感器结构其中1励磁信号发生器. .采用 ad2s99 集成电路产生旋转变压器的励磁信号，

6、信号频率 510khz，电压7v，输出电流 200ma。2数字信号变换器(rdc)数字信号变换器(rdc)采用集成电路 ad2s90，将正余弦信号变换为 12位的数字位置信号，直接送至数字信号处理器(dsp)。2.3.2数字信号变换器(rdc)的应用在该位置传感器中，数字信号变换器 (rdc)的应用是其关键技术，这里采用了集成电路 ad2s90。ad2s90与旋转变压器的连接电路见图 5。图 5 ad2s90与旋转变压器的连接电路ad2s90 接收旋转变压器信号 sin(u )、cos(u )、ref(u )，将模拟机械轴位in12置信号转换为数字型信号，可供单片机或数字信号处理器(dsp)直

7、接读取，处理器从 ad2s90可以获得以下数字位置信号：(1)12位串行二进制表示的绝对位置信息，即用十六进制数 0x0000xfff表示的对应电动机机械角 0360位置。(2)1024线模仿编码器的增量式 2路正交脉冲(a、b)位置信息，电机每旋转机械角一周分别产生 1024个脉冲，将2路信号“异或”可获得2048个脉冲，若取其跳变沿还可获得 4096个脉冲。(3)能够提供与速度成正比的模拟测速信号 vel，典型线性度 1% ，最大输. .出电压 2.5v，每伏电压相当于转速 9000r/min。由于模拟测速信号 vel 精度较低，增量式信号为 10 位，而绝对位置信号为12 位，本方案拟采

8、用绝对位置信号，并且 rdc 和 dsp 有合适的同步串行数据接口。2.4 功率控制电路方案本系统功率电路为低压的三相逆变电路，它由驱动电路与功率电路组成。在器件的选择中，考虑到选用集成度高，功率损耗小的器件。2.4.1 功率开关器件的选择根据被控电机的额定、极限工作参数，从众多商家的产品（见附录）中进行筛选，最终决定采用 ixys公司型号为 gwm 100-01x1的产品，其基本性能参数如下：id25, tc = 25c, (a)id90, tc = 90c, (a)rds(on), max, tj = 25c, (mohms)rthjc, max, (k/w)8.50.9表中的数据表明，该

9、电路集成度高(6管集成)，功率损耗小（8.5m欧），选择了电流范围大的器件，是因 mosfet 的特点是大电流期间导通电阻小。 gwm100-01x1的外观尺寸（37.5*32.2*8.7）及内部结构见图 6。. .图 6 gwm 100-01x1的外观尺寸与内部结构mosfet器件的导通特性是电阻不变，当选用上述的 mosfet导通电阻为 8.5m，计算得到单管导通损耗为 0.5w左右，功率电路的工作时两管导通，导通损耗将为 1w左右。2.4.2 驱动电路方案满足性能指标要求的 mosfet驱动芯片有不少，其内部结构都差不多，考虑通用性等方面的因素， 决定选用 international r

10、ectifier(国际整流)公司的ir2136芯片。ir2136芯片有以下特点：1. 具有独立的三相桥驱动功能，集成度高；2. 能提供 10v至 20v的门极驱动电压，符合 mosfet驱动要求；3. 具有独立的欠压及过流保护功能。该器件的内部结构见图 6，外形尺寸见图 7。. .图 6 ir2136的内部结构图 7 ir2136的外部尺寸外观尺寸（40*15*8）2.5 换相控制电路. .本系统无刷直流电动机采用霍尔元件位置传感器实现换相控制，因此可以采用可编程逻辑 gal器件来实现。换相控制电路的逻辑关系见图 8，图中的信号为：dir：转速方向控制信号，为“1”时控制电机正转，为“0”时控

11、制电机反转；pwm：脉宽调制信号，通过占空比控制电机绕组电压，来控制电机转速的高低；pa、pb、pc：霍尔元件产生的电机位置信号，控制电机换相；g1-g6：三相桥逆变器的控制信号。图 8 换相控制电路的逻辑关系图 8中的各模块的功能为：gal 器件的逻辑功能：能够在换相逻辑变换的同时，将电机正/反转信号、pwm 信号综合进去，构成能够进行电机高低速、正反转控制的 mosfet 逻辑控制信号 g1-g6；电流驱动电路：在逻辑上可以是反向器或者同向器，将 gal输出逻辑信号增加电流驱动能力，驱动后面的光耦电路，通常为 07ma；光耦电路：实现控制电路和功率电路的隔离，使逆变器的上三管能够电平浮动，

12、同时也可以克服之间的电磁干扰。3.系统控制方案3.1 系统控制的要求(1)与上位机通讯：经 rs422a总线接收上位机的控制位置、最高转速的数据，. .到达位置后向上位机返回当前的位置数据；(2)位置控制：根据上位机经 rs422a 总线送入的位置数据，将系统输出控制到该数据指定的位置；(3)转速控制：根据上位机经 rs422a 总线送入的转速数据，将电机的最高转速限制在指定的范围；驱动器要控制电机的转动方向、转速和转动圈数，以根据上位机指令精确控制排气活门的开度。为实现精确位置控制，驱动器采用目前最先进的数字信号处理器 dsp/tms320f2812 对信号进行处理、计算，并给出控制信号。采

13、用 ad2s90和 ad2s99，对旋转变压器实现解码，计算，给出位置计算的依据。3.2 控制系统的结构系统控制采用位置、速度闭环结构，如图 9 所示。图 9 控制系统结构框图(1)位置反馈控制，测量减速器后面的位置传感器（电位计型），通过 dsp的 ad 变换电路（12 位）采集数据，实现闭环控制；(2)速度反馈控制，由旋转变压器和数字变换电路组成速度传感器，通过 dsp的同步串行数据接口采集数据，实现闭环控制；转速的数字测量是微处理器读取 ad2s90 输出的数字位置信号，通过软件计算来获得电机转速。通过 ad2s90 可以得到三种分辨率的位置信号，即电机旋转一周可以产生 4096、204

14、8 或者 1024 个脉冲。这里设电机旋转一周产生的脉冲数为 n ，转速的算法可以采用脉冲计数法 。0所谓脉冲计数法是在单位时间内对位置脉冲信号计数，以获得单位时间的转. .角来计算速度。若时间间隔为采样时间t ，测量的脉冲数为 m，则被测速度可由s60mn =n t0s计算得到。脉冲计数方法对转速的测量可以用绝对位置信号通过软件完成，m 由两次采样的位置差值获得，即t = kt 时刻的 m 值为sm (k) = q(k) -q(k -1)式中 ( ) 为t = kt 时采样的位置信号。脉冲计数法在采用较大的 n 时，并q k0s且高转速范围内精度较高，适用于电机的高速运行。3.3 系统的控制

15、方法该系统对于控制律有比较高的要求，特别是要求在在 0.05rpm 左右的调速性能，对应电机转速为 210r/min 左右，要求系统的调速范围为nmaxnd = 30min属于要求调速范围比较大的情况。需要保证高速时系统的快速性和低速时的稳定性。由于 pi 调节器是工程上应用最广泛的控制方法，本项目首先考虑采用 pi调节器，构成闭环控制系统，动态结构图见图 10。图 10 电机控制系统的动态结构图. .图 10 中的 apr、asr 分别表示位置调节器、速度调节器，变量 和 为活qq*vv门位置的给定值和反馈值，w *和 为电机角速度的给定值和反馈值。w自动控制软件上，通过速度环实现对速度的精确控制。由于系统要求调速范围大，调速比要达到 500，要求 pi 参数要有很强的适应性，可同时满足高速和低速的性能要求。采用 pwm 调制，由 dsp 根据目标速度给出所需的占空比，同时，位置环可实现精确的位置控制。系统要求活门精度为 0.1 度/转以下，根据不同的位置差，软件上给出不同的调节参数，以同时适应高速和低速的性能要求。通讯上采用 max489 芯片，并设置波特率为 115200。手动控制软件上，由于不要求位置控制，且速度恒定，功能实现上要比自动控制简单。位置环直接给