直流无刷伺服电机运动控制系统设计

1、直流无刷伺服电机运动控制系统设计Motionchip 是一种性能优异的专用运动控制芯片，扩展容易，使用 方便。本文基于该芯片设计了一款可用于直流有刷 / 无刷伺服电机的 智能伺服驱动器， 并将该驱动器运用到加氢反应器超声检测成像系统 中，上位机通过 485 总线分别控制直流有刷电机和无刷电机， 取得了 很好的控制效果，满足了该系统的高精度要求。在传统的电机伺服控制装置中， 一般采用一个或多个单片机作为 伺服控制的核心处理器。 由于这种伺服控制器外围电路复杂， 计算速 度慢，从而导致控制效果不理想。近年来，许多新的电机控制算法被 研究并运用于电机控制系统中，如矢量控制、直接转矩控制等。随着 这些

2、控制算法的日益复杂， 必须具备高速运算能力的处理器才能实现 实时计算和控制。 为了适应这种需要， 国外许多公司开发了控制电机 专用的高档单片机和数字信号处理器（DSP。现在，通常使用的伺 服控制器的控制核心部分大都由 DSF和大规模可编程逻辑器件组成， 这种方案可以根据不同需要， 灵活的设计出性能很好的专用伺服控制 器，但是一般研制周期都比较长。MotionChip 的特点MotionChip 是瑞士 Technosoft 公司开发的一种高性能且易于使 用的电机运动控制芯片，它是基于 TMS320C24的DSP外围设置了 许多电机伺服控制专用的可编程配置管脚。TMS320C24是美国TI公司推

3、出的电机控制专用 16 位定点数字信号处理器，其具有高速的运 算能力和专为电机控制设计的外围接口电路。 MotionChip 很好的利 用了该DSP的优点，并集成多种电机控制算法于一身，以简化用户设 计难度为目的， 设计成为一种新颖的电机专用控制芯片。 MotionChip 有着集成全部必要的配置功能在一块芯片的优点， 它是一种为各种电 机类型进行快速和低投入设计全数字、智能驱动器的理想核心处理 器。具有如下特点：?可用于控制 5种电机类型： 直流有刷 /无刷电机、交流永磁同步 电机、交流感应电机和步进电机，且易于嵌入到用户的硬件结构中；?可以选择独立或主从方式工作，并可根据需要，设置成通过网

4、 络接口进行多伺服控制器协同工作；?全数字控制环的实现，包括电流 / 转矩控制环、速度控制环、位 置控制环；?可实现各种命令结构：开环、转矩、速度、位置或外环控制， 步进电机的微步进控制， 并可实现控制结构的配置， 其中包括交流矢 量控制；?可以配置使用各种运动和保护传感器（位置、速度、电流、转 矩、电压、温度等）；?使用各种通讯接口，可以实现 RS232/RS485讯、CAN总线通 讯；?基于 Windows95/98/2000/ME/NT/XP平台，强大功能的 IPMMotion Studio高级图形编程调试软件：可通过 RS232快速设置，调 整各参数与编程运动控制程序。其功能强大的运动

5、语言包括： 34种 运动模式、判决、函数调用，事件驱动运动控制、中断。因此便于开 发和使用。?可以通过动态链接库TMLlib,利用VC/VB实现PC机控制；也可 以与Labview和PLC无缝连接，通过动态链接库，用户可以在上层开 发电机的控制程序，研究控制策略。运动控制系统设计本文是以 MotionChip 为控制器核心，直流无刷电机 / 有刷电机 / 永磁同步电机为控制对象进行伺服驱动器设计。设计指标为：适应 12 36V宽范围直流母线电压输入，工业标准 5V逻辑电源输入，最 大输出电流3A，峰值电流6A。在进行伺服控制器设计之前，根据 MotionChip 的特点和伺服电机的特性进行总体

6、功能设计如下：?采用位置环、速度环、电流环的三环结构；三环都采用PID 调节器；电机参数设置采用计算机辅助计算和工程整定相结合的办法；?具有通用伺服控制器接口，并可利用提供的人机接口进行独立 参数设置， 有网络通讯接口进行独立参数设置， 有网络通讯接口方便 外部监视和控制。伺服系统的总体系统结构可以分为： MotionChip 最小系统、驱 动电路、电流反馈检测、外部控制接口、通讯接口等，如图 1 所示。 伺服驱动器的硬件结构分为 2 个主要部分：驱动电路部分： 主要包括 逆变桥、前置驱动、电流检测；控制电路部分：包括反馈检测、外部控制接口、通讯接口、 MotionChip 最小系统。IPM1

7、0D 1却3*34酣廿 和TiGWPULSE ”- OIRrREF-帀tr日c jTQlM AGNO 一札”创 Autfi Ffu Enibtf LSFL$NII 口Mb；：片竹出4 409 waitXiilfPMK：19MSJtfCMIfiUlffM2i|(AJC4址真昌 $V GND_ Vmck_A-Vdcf.fl* 口 it)r_CHOUE ItQC JIH t J A. *3. C-曲口图1系统结构图控制系统设计在MotionChip的基本系统中，选用美国 Xicor公司的SPI串行 EEPROMX25650来存储TML运动指令。该EEPRO的存储容量为 8KX 8bit，最大时钟频率

8、可达 5MHz由于在MotionChip正常运行时 指令访问时间21 ns,所以为了使程序高速有效的运行，增加了 2片 32可x 8bit的静态RAM ASC256-12JC该SRA啲存取时间为12ns, 所以MotionChip对该芯片的存取时间为12ns,所以MotionChip对 该芯片的存取数据时不需要插入等待状态。并且该SRAM具有较低的活跃功耗，在待机状态时可自动进入更加低功耗的节能状态。MotionChip芯片本身提供了电机控制专用的接口，包括 6路PWMI 号,在使用中可以配置作为三相电机逆变桥的驱动信号。 当保护中断 PDPINT有效或电机使能信号ENABLED效时，6路PW

9、信号立即进入 高阻状态，使逆变桥全部截至，电机停转。另外， MotionChip为每个PWM输出对提供了可编程死区时间设置（0102 a s）,所以不需 要外部的死区逻辑电路。码盘反馈信号接口有 ENCA， ENCB， ENCZ， 其中ENCA和ENCB是相位差90的脉冲信号，ENCZ是码盘清零信号。 MotionChip可以对ENCZ和ENCB言号进行四倍频和辨向，然后送入 增量计数器计数产生电机的位置信号，码盘清零信号ENCZ可对计数误差进行修正。电机霍尔反馈信号 HALL1 HALL2 HALL3是为直流 无刷电机 / 永磁同步电机进行定位磁极设计的。其它重要引脚如DIR、PULSE直接

10、作为电机脉冲指令的输入接口。LSP, LSN可用来扩展作为运动系统左、右限位事件的捕捉输入。 MotionChip 有 2个 10位的 A/D 转换器，每个都内建了采样保持电路，最快采样速率可达10kHz。模拟信号的输入范围通过MotionChip参考电平输入管脚VREFL（和 VREFH确定。MotionChip可以工作在独立运行和检测引脚 AUTORUN 进行方式选择的，该引脚接高电平， MotionChip 工作在从属方式， 接低电平工作在独立运行方式。在独立方式的工作条件下，MotionChip上电后，选检测到AUTORU的低电平，进入独立运行方 式；然后自动从SPI串行EEPRO中的

11、开始执行TML程序。驱动系统设计电机的驱动主要包括2个环节：电机PWM区动电路和电流检测。电机的PWME动电路如图2所示。本电路中，无刷直流电机采用 全桥驱动，这样可以使用电机工作于四象限（正向驱动、制动及反向 驱动、制动）。驱动一个无刷直流电机需要6路PW信号，而MotionChip 的每个事件管理模块（EV）中3个带可编程死区控制的比较单元可以产生独立的3对共6路PWM信号。所以在电路中，直接选用事件管理 模块B(EVB中的比较单元来产生6路所需要的PWM信号，其输出 引脚为PWM7PWM1其中PWM7PW输出设为驱动 MOSFE功率管桥 路的上半桥，PWM10PWM输出驱动下半桥。DSP输出的这两种3路 PWM!号经过IR2102前置放大后分别驱动MOSFE功率管桥路的上半 桥(Q1, Q3, Q3和下半桥(Q2 Q4, Q6)进行电机的驱动。电流检测电机电流检测电路可提供重要的反馈信息，将该信息与来自主控DSP的控制信号相结合，可以控制 MOSFE或IGBT的栅极驱动芯片并 最终调整电机速度。如果要实现过