驅動器設計方案

1、 .無刷直流電動機驅動器設計方案2009 年 3 月. .1.總體需求與方案1.1 系統(tǒng)總體結構該系統(tǒng)的配套連接框圖如圖 1所示，共需要 6臺電機驅動器，分別控制 6臺無刷直流電動機，其中：兩臺電機 1的驅動器由上位機 1經 rs422總線給出控制信號；兩臺電機 2的驅動器由上位機 2經 rs422總線給出控制信號；兩臺電機 3 的驅動器由操作人員經 i/o 接口給出控制信號，控制電機以低速、點動方式運行；具有自檢測功能。12 電機控制系統(tǒng)的相關配置無刷直流電機控制系統(tǒng)的內外部配置：（1）無刷直流電機（maxon ec-max 30 40w 型號 272769）機載電源 dc28v（2）活門減

2、速器變比 ：134：1電機行星齒輪箱減速比：33：1總減速比：4422：1 ？（3）旋轉變壓器 精度 10 minutes（分）（4）霍爾傳感器（電機自帶），位置傳感器1.3 控制性能指標1） 排氣活門控制范圍：0-90度；2）電機驅動器應保證負載能夠在 01.6rpm（0-7075r/min）速度范圍內任意可調，特別是保證負載在 0.05rpm（221r/min）左右的調速性能的穩(wěn)定性和準確性；3）無刷直流電機驅動器采用28v直流電源供電，即額定電壓為28v；4）電機轉速控制范圍：05500r/min。. .2電機驅動器的硬件設計2.1 電機驅動器的硬件功能需求1）具有 rs422 通訊接口

3、，與上位機通訊，以接收控制指令和報告活門的位置狀態(tài)；2）接收電機的位置信號，并且根據上位機指令能夠對無刷直流電動機進行高低速、正反轉控制；3）具有自檢測與保護功能，包括過流、短路、欠壓保護，當電機工作狀態(tài)異常時向上位機報告。2.2 控制器方案控制器的功能要求見圖 2，采用數字信號處理器(dsp)來實現(xiàn)，型號選用最新型的 tms320f2812。. .圖 2 控制器結構框圖具體功能如下：1tms320f2812 有異步串行接口 rs232，將其轉換為 rs422a，作為與上位機的接口；2tms320f2812 輸出 pwm 信號，采用軟件控制，輸出與電機的位置信號綜合，控制三相橋電路的上（或者下

4、）3 個功率開關器件，以控制電機的電壓達到控制轉速的目的；3tms320f2812 有同步的串行數據接口 spi，將其與旋轉變壓器的數字變換電路(rdc)連接，完成電機轉速信號的采樣，rdc 集成電路選用 ad2s90；4tms320f2812 采用兩路 adc 接口，能夠擴展為 16 路模擬量數據輸入接口，采集位置信號和電流信號，實現(xiàn)電流和位置反饋。5留出 8 位 pio 接口信號，作為手動控制、運行使能，以及其他需要增加控制時的信號。2.3 轉速測量電路電機的速度傳感器采用無刷旋轉變壓器，與電機同軸旋轉，完成電機轉速反饋時的轉速測量。2.3.1 信號變換電路無刷正余弦旋轉變壓器由環(huán)形變壓器

5、與正余弦旋轉變壓器結構兩部分組成。結構見圖 3。. .圖 3 無刷旋轉變壓器結構當環(huán)型變壓器的定子繞組上施加勵磁電壓，環(huán)型變壓器的轉子繞組感生的電動勢送到旋轉變壓器原邊的轉子繞組作為勵磁電源，該勵磁電流所產生的磁場使副邊的定子兩相繞組中感應出按下式變化的電動勢。u = u sinwt sinq1mru = u sinwt cosq2mr其中 為電機的機械軸角度， 為轉子激磁電源的角頻率，u 為電壓幅值。qwrm位置傳感器采用無刷旋轉變壓器、勵磁信號發(fā)生電路、數字變換電路組成，結構框圖見圖 4。圖 4 位置傳感器結構其中1勵磁信號發(fā)生器. .采用 ad2s99 集成電路產生旋轉變壓器的勵磁信號，

6、信號頻率 510khz，電壓7v，輸出電流 200ma。2數字信號變換器(rdc)數字信號變換器(rdc)采用集成電路 ad2s90，將正余弦信號變換為 12位的數字位置信號，直接送至數字信號處理器(dsp)。2.3.2數字信號變換器(rdc)的應用在該位置傳感器中，數字信號變換器 (rdc)的應用是其關鍵技術，這里采用了集成電路 ad2s90。ad2s90與旋轉變壓器的連接電路見圖 5。圖 5 ad2s90與旋轉變壓器的連接電路ad2s90 接收旋轉變壓器信號 sin(u )、cos(u )、ref(u )，將模擬機械軸位in12置信號轉換為數字型信號，可供單片機或數字信號處理器(dsp)直

7、接讀取，處理器從 ad2s90可以獲得以下數字位置信號：(1)12位串行二進制表示的絕對位置信息，即用十六進制數 0x0000xfff表示的對應電動機機械角 0360位置。(2)1024線模仿編碼器的增量式 2路正交脈沖(a、b)位置信息，電機每旋轉機械角一周分別產生 1024個脈沖，將2路信號“異或”可獲得2048個脈沖，若取其跳變沿還可獲得 4096個脈沖。(3)能夠提供與速度成正比的模擬測速信號 vel，典型線性度 1% ，最大輸. .出電壓 2.5v，每伏電壓相當于轉速 9000r/min。由于模擬測速信號 vel 精度較低，增量式信號為 10 位，而絕對位置信號為12 位，本方案擬采

8、用絕對位置信號，并且 rdc 和 dsp 有合適的同步串行數據接口。2.4 功率控制電路方案本系統(tǒng)功率電路為低壓的三相逆變電路，它由驅動電路與功率電路組成。在器件的選擇中，考慮到選用集成度高，功率損耗小的器件。2.4.1 功率開關器件的選擇根據被控電機的額定、極限工作參數，從眾多商家的產品（見附錄）中進行篩選，最終決定采用 ixys公司型號為 gwm 100-01x1的產品，其基本性能參數如下：id25, tc = 25c, (a)id90, tc = 90c, (a)rds(on), max, tj = 25c, (mohms)rthjc, max, (k/w)8.50.9表中的數據表明，該

9、電路集成度高(6管集成)，功率損耗?。?.5m歐），選擇了電流范圍大的器件，是因 mosfet 的特點是大電流期間導通電阻小。 gwm100-01x1的外觀尺寸（37.5*32.2*8.7）及內部結構見圖 6。. .圖 6 gwm 100-01x1的外觀尺寸與內部結構mosfet器件的導通特性是電阻不變，當選用上述的 mosfet導通電阻為 8.5m，計算得到單管導通損耗為 0.5w左右，功率電路的工作時兩管導通，導通損耗將為 1w左右。2.4.2 驅動電路方案滿足性能指標要求的 mosfet驅動芯片有不少，其內部結構都差不多，考慮通用性等方面的因素， 決定選用 international r

10、ectifier(國際整流)公司的ir2136芯片。ir2136芯片有以下特點：1. 具有獨立的三相橋驅動功能，集成度高；2. 能提供 10v至 20v的門極驅動電壓，符合 mosfet驅動要求；3. 具有獨立的欠壓及過流保護功能。該器件的內部結構見圖 6，外形尺寸見圖 7。. .圖 6 ir2136的內部結構圖 7 ir2136的外部尺寸外觀尺寸（40*15*8）2.5 換相控制電路. .本系統(tǒng)無刷直流電動機采用霍爾元件位置傳感器實現(xiàn)換相控制，因此可以采用可編程邏輯 gal器件來實現(xiàn)。換相控制電路的邏輯關系見圖 8，圖中的信號為：dir：轉速方向控制信號，為“1”時控制電機正轉，為“0”時控

11、制電機反轉；pwm：脈寬調制信號，通過占空比控制電機繞組電壓，來控制電機轉速的高低；pa、pb、pc：霍爾元件產生的電機位置信號，控制電機換相；g1-g6：三相橋逆變器的控制信號。圖 8 換相控制電路的邏輯關系圖 8中的各模塊的功能為：gal 器件的邏輯功能：能夠在換相邏輯變換的同時，將電機正/反轉信號、pwm 信號綜合進去，構成能夠進行電機高低速、正反轉控制的 mosfet 邏輯控制信號 g1-g6；電流驅動電路：在邏輯上可以是反向器或者同向器，將 gal輸出邏輯信號增加電流驅動能力，驅動后面的光耦電路，通常為 07ma；光耦電路：實現(xiàn)控制電路和功率電路的隔離，使逆變器的上三管能夠電平浮動，

12、同時也可以克服之間的電磁干擾。3.系統(tǒng)控制方案3.1 系統(tǒng)控制的要求(1)與上位機通訊：經 rs422a總線接收上位機的控制位置、最高轉速的數據，. .到達位置后向上位機返回當前的位置數據；(2)位置控制：根據上位機經 rs422a 總線送入的位置數據，將系統(tǒng)輸出控制到該數據指定的位置；(3)轉速控制：根據上位機經 rs422a 總線送入的轉速數據，將電機的最高轉速限制在指定的范圍；驅動器要控制電機的轉動方向、轉速和轉動圈數，以根據上位機指令精確控制排氣活門的開度。為實現(xiàn)精確位置控制，驅動器采用目前最先進的數字信號處理器 dsp/tms320f2812 對信號進行處理、計算，并給出控制信號。采

13、用 ad2s90和 ad2s99，對旋轉變壓器實現(xiàn)解碼，計算，給出位置計算的依據。3.2 控制系統(tǒng)的結構系統(tǒng)控制采用位置、速度閉環(huán)結構，如圖 9 所示。圖 9 控制系統(tǒng)結構框圖(1)位置反饋控制，測量減速器后面的位置傳感器（電位計型），通過 dsp的 ad 變換電路（12 位）采集數據，實現(xiàn)閉環(huán)控制；(2)速度反饋控制，由旋轉變壓器和數字變換電路組成速度傳感器，通過 dsp的同步串行數據接口采集數據，實現(xiàn)閉環(huán)控制；轉速的數字測量是微處理器讀取 ad2s90 輸出的數字位置信號，通過軟件計算來獲得電機轉速。通過 ad2s90 可以得到三種分辨率的位置信號，即電機旋轉一周可以產生 4096、204

14、8 或者 1024 個脈沖。這里設電機旋轉一周產生的脈沖數為 n ，轉速的算法可以采用脈沖計數法 。0所謂脈沖計數法是在單位時間內對位置脈沖信號計數，以獲得單位時間的轉. .角來計算速度。若時間間隔為采樣時間t ，測量的脈沖數為 m，則被測速度可由s60mn =n t0s計算得到。脈沖計數方法對轉速的測量可以用絕對位置信號通過軟件完成，m 由兩次采樣的位置差值獲得，即t = kt 時刻的 m 值為sm (k) = q(k) -q(k -1)式中 ( ) 為t = kt 時采樣的位置信號。脈沖計數法在采用較大的 n 時，并q k0s且高轉速范圍內精度較高，適用于電機的高速運行。3.3 系統(tǒng)的控制

15、方法該系統(tǒng)對于控制律有比較高的要求，特別是要求在在 0.05rpm 左右的調速性能，對應電機轉速為 210r/min 左右，要求系統(tǒng)的調速范圍為nmaxnd = 30min屬于要求調速范圍比較大的情況。需要保證高速時系統(tǒng)的快速性和低速時的穩(wěn)定性。由于 pi 調節(jié)器是工程上應用最廣泛的控制方法，本項目首先考慮采用 pi調節(jié)器，構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，動態(tài)結構圖見圖 10。圖 10 電機控制系統(tǒng)的動態(tài)結構圖. .圖 10 中的 apr、asr 分別表示位置調節(jié)器、速度調節(jié)器，變量 和 為活qq*vv門位置的給定值和反饋值，w *和 為電機角速度的給定值和反饋值。w自動控制軟件上，通過速度環(huán)實現(xiàn)對速度的精確控制。由于系統(tǒng)要求調速范圍大，調速比要達到 500，要求 pi 參數要有很強的適應性，可同時滿足高速和低速的性能要求。采用 pwm 調制，由 dsp 根據目標速度給出所需的占空比，同時，位置環(huán)可實現(xiàn)精確的位置控制。系統(tǒng)要求活門精度為 0.1 度/轉以下，根據不同的位置差，軟件上給出不同的調節(jié)參數，以同時適應高速和低速的性能要求。通訊上采用 max489 芯片，并設置波特率為 115200。手動控制軟件上，由于不要求位置控制，且速度恒定，功能實現(xiàn)上要比自動控制簡單。位置環(huán)直接給