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。随着这些控制算法的日益复杂,必须具备高
2、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 DSP 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TMS320C240 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。TMS320C240 是美国 TI 公司推出的电机控制专用 16 位定点数字
3、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,设置成通过网络接口进行多伺服控制器协同工作;?全数字控制环的实现
4、,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 通讯、CAN 总线通讯;?基于 Windows95/98/2000/ME/NT/XP 平台,强大功能的 IPM Motion 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。其功能强大的运动语言包括:34 种运动模式、判决、函数调用,事件驱动运动控制
5、、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 1236V 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功能设计如下:?采用位置环、速度环、电流环的三环结构;
6、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。控制系统设计在 MotionChip 的基本系统中,选用美国 Xicor 公司的
7、 SPI 串行 EEPROM:X25650 来存储 TML 运动指令。该 EEPROM 的存储容量为 8K8bit,最大时钟频率可达 5MHz。由于在 MotionChip 正常运行时指令访问时间 21ns,所以为了使程序高速有效的运行,增加了 2 片 32 可8bit 的静态 RAM:ASC256-12JC,该SRAM 的存取时间为 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
8、制专用的接口,包括 6 路 PWM 信号,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 ENABLE 无效时,6 路 PWM 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(0102s),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 信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
9、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VREFLO 和 VREFHI 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,Motion
10、Chip 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 AUTORUN 的低电平,进入独立运行方式;然后自动从 SPI 串行 EEPROM 中的开始执行 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 驱动电路和电流检测。电机的 PWM 驱动电路如图 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 PWM 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
11、 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 PWM7PWM12,其中 PWM7PWM9 输出设为驱动 MOSFET 功率管桥路的上半桥,PWM10PWM12 输出驱动下半桥。DSP 输出的这两种 3 路 PWM 信号经过 IR2102 前置放大后分别驱动 MOSFET 功率管桥路的上半桥(Q1,Q3,Q5)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MOSFET 或 IGBT 的栅极驱动芯片并最终调整
12、电机速度。如果要实现过流保护,还必需进行电流监控,不过对于低端应用而言,传统的过流保护却显得过于昂贵。电流采样的方案是在逆变桥的下桥臂串一 0.027采样电阻如图 3(a),采样电流范围为 06.22A,采样后的电压放大倍数为 14.63 倍,放大电路如图3(b),并经 2.5V 电压抬升输入 DSP,所以输入 DSP 的电流模拟电压量为:UAD=2.5+I0.02714.63。MotionChip AD 口的模拟量输入电压为 05V,所以电流采样经量化的值为:应用加氢反应器超声检测成像系统是一套适用于现场检测的加氢反应器堆焊层剥离超声检测成像系统,实现加氢反应器堆焊层层间剥离的在役半自动超声
13、扫查,检测数据的自动存储、分析与评判,同时该系统对不同直径的加氢反应器有一定的适用性。加氢反应器剥离成像系统的控制系统本质上是一个二维的运动控制平台,从系统要求的性能指标来看,控制系统需要满足如下指标:?水平扫查速度可达 6mm/s 无级可调;垂直扫查速度达 300mm/s 无级可调;?能够实现粗扫查和精密扫查,对指定的区域实现精密扫查;?系统的控制方式分为手动/自动,两者之间可以切换;?X 轴(水平)和 Y 轴(垂直)2 个方向上的运动误差1mm。系统硬件设计由此选择了上述设计的运动控制系统,具有体积小,性能高,控制简单,价格低,但是每个只能控制一个电机。若要两台电机协同控制,则须通过 RS
14、485 总线将其连接起来。控制系统的总体结构如图 4 所示。X 向电机用来控制丝杠的运动:选用 EC-max32,无刷 70W+减速器为行星轮减速箱(速比为 23,型号为 GP 32C)+码盘(三通道 500 线)。Y 方向电机用来控制探头的运动,采用 RE-32,有刷 80W+减速器为行星轮减速箱,型号为 GP42C(速比为 33)+码盘(三通道 500 线)。图 5 示出硬件连接图。系统软件设计控制系统的软件是基于 Vc+和 MotionChip 的动态链接库设计的,软件主要完成对探头位置的运动控制,如图 6。用户操作界面功能有:?参数设置与显示模块主要是设置一些系统参数(如扫查长度,探测
15、宽度)和控制参数(如速度参数、加速度参数等);?任何时刻,控制程序都时刻监视系统的运行状况,随时对系统故障做出相应的处理。软件部分包括 X 向运动和 Y 向的扫查运动,数据存储及处理,手动控制,故障处理,运动状态显示及故障显示等。操作界面(GUI)给予清晰、简单的用户界面,方便用户调试、运行,同时能够将伺服驱动器传递过来的信息显示出来,便于监控。任务编程模块将要实现控制任务的规划,如 X 轴向和 Y 轴向运动等,包括故障查询、处理。运行效果智能伺服驱动器性能的好坏直接决定整个系统设计的成败,为此用一直流电机对驱动器进行测试,电机的电流和位置误差如图 7(a)、(b)所示,从图 7 中可以看出,
16、驱动器的响应时间只有 0.12s,位置误差很小。通过对通讯速度及上位机控制命令的测试显示,在实时性要求不是非常严格的情况下,以RS232 串口或者 485 串口的通讯速率是完全可以满足系统需求的。结语本文基于一类新颖的专用伺服控制芯片 Motionchip,进行了伺服控制器设计和实践研究,并设计了一个功能较为完善的直流无刷伺服驱动器的原型。将该控制器运用到加氢反应器超声检测成像系统中对二维的运动进行控制,保证了整个系统取得良好的性能。Motionchip 这种多功能专用的运动控制芯片不仅简化了整个系统的设计过程,而且具有很好的开放性和网络性,对中小型项目是非常理想的设计方案。PWM 控制技术直
17、流电动机调速系统的设计直流电机 PWM 控制调速系统的设计一种基于 AT89C2051 单片机的直流电机调速装置 2010-12-08 15:35:21| 分类: 电子技术 | 标签: at89c2051 单片机 pwm 直流电机 调速 |字号大中小 订阅 摘要: 本文介绍一种基于 AT89C2051 单片机的直流电机调速装置。该装置以小型直流电机为对象,由 AT89C2051 单片机控制输出 PWM 信号,经过功率放大后驱动直流电机,用按键实现直流电机的加速、减速控制。本文所介绍的开环调速装置成本低廉,且极容易实现,在实际轻载系统中运行稳定、可靠。关键词:AT89C2051 单片机,PWM,
18、直流电机,调速A Kind of DC Motor Speed Regulating System Based on AT89C2051 Single-Chip Computer Abstract:. A kind of DC motor speed regulating system based on AT89C2051 single-chip microcomputer is introduced in this paper. A small-type of DC motor is regarded as the control object and PWM signal which is
19、 controlled and generated by AT89C2051 single-chip computer in the system. PWM signal is used to drive DC motor by power amplifier. The operation of speed up or speed down of DC motor is finished by buttons. The open-loop speed regulating system is cheap and very easy to do. Its performance in light
20、-load system is stable and reliable.Key Words: AT89C2051 Single-Chip Computer, PWM, DC Motor, Speed Regulating1 引言直流电机由于具有调速范围广,易于平滑调速;启动、制动和过载转矩大;易于控制,可靠性较高等突出优点而在对调速要求较高的生产机械上得到了广泛应用1。对于直流电机转速的调节,最常用的办法是通过改变电枢端的电压来实现,即调节电阻 R 的阻值改变端电压,达到调速的目的。但由于接入的电阻消耗了部分电压,因此这种传统的调速方法效率很低2。随着电力电子技术的发展,出现了许多新的电枢电压
21、控制方法,其中 PWM(Pulse Width Modulation)控制是常用的一种调速方法。PWM 控制是指在保持周期 T 不变的情况下,通过调节开关导通的时间,对脉冲宽度进行调制,从而达到调节电机转速目的的技术。在脉宽调速系统中,电机电枢两端的电压是脉宽可调的脉冲电压,在输出脉冲频率足够快的情况下,由于惯性的存在,只要按照一定的规律改变通断电的时间,即可使电机的速度达到并保持一个稳定值2。对于直流电机,采用 PWM 控制技术构成的无级调速系统,启停时对直流系统无冲击,并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。本文设计了一种基于单片机的直流电机调速装置,以价位较低的 AT89C2051 单片机为
22、核心,与键盘和电机驱动等电路一起构成调速装置实现了直流电机的无级调速。2 硬件设计与实现2.1 硬件设计的基本方案根据一种基于 AT89C2051 单片机的直流电机调速装置设计目的的要求,采用 AT89C2051 单片机为核心产生 PWM 脉宽信号输出,外围电路为电源电路、键盘和电机驱动电路。系统设计框架图如图 1 所示。图 1 系统设计框架图2.2 供电部分供电部分通过 220V-7.5V 变压器变压隔离、整流桥整流、滤波电容滤波、三端稳压集成电路78M05 稳压后输出 5V 电压,供整个装置使用(其 Protel 原理图见图 2) 。图 2 供电部分电路图2.3 电机驱动部分PWM 脉宽信
23、号由 AT89C2051 单片机输出,但由于该单片机的直流输出电流为 25mA3,因此不能直接用来驱动小型直流电机,必须对输出的脉宽信号进行功率放大。单片机的 P3.2 口脉宽信号通过 R1送入到 TIP127 中功率管完成功率放大,放大后的信号就能够驱动直流电机,使之工作。其中电容 C1 为滤波电容,能使输入直流电机的电压趋于平滑,同时还具有三极管关断后的续流作用。电路原理图如图 3所示。图 3 电机驱动部分电路图3 软件设计与实现一种基于 AT89C2051 的直流电机调速装置程序流程图如图 4 所示。开机后首先进行初始化;初始化后输出占空比为 0 的 PWM 信号;然后执行键盘扫描程序,
24、单片机将开始扫描键盘。图 4 程序流程图若加速按钮:此键被按下一次,PWM 信号的占空比增加 1/50,并锁定该占空比;若减速按钮:此键被按下一次,PWM 信号的占空比减小 1/50,并锁定该占空比。在占空比增大(减小)后进行占空比大小判断,若占空比小于 1 而大于 0 时则将 PWM 信号输出。若占空比大于 1 则输出占空比为 1 的 PWM 信号(全通) ,若占空比小于 0 时则输出占空比为 0 的 PWM信号,并点亮一个发光二极管进行提醒。假如没有按键按下,程序将在保持原有占空比输出的情况下跳回到键盘扫描程序,再一次进行键盘扫描。电机的速度大小是由 AT89C2051 单片机输出的 PW
25、M 脉宽大小决定的,在程序中利用定时器中断,按键用来修改定时器的初值,从而得到不同占空比的脉冲信号输出。修改定时器初值的程序流程图如图 5所示(P3.2 口为 PWM 脉冲输出口) 。程序采用定时/计数器 0 来完成定时,在 12MHz 晶振条件下,具体寄存器的设置如下:TMOD=0x01:选择定时器 0,使其自启动,工作方式为工作方式 1(16 位方式) ,赋值范围为065535 ,分别对应占空比的 01,数值每变化 1000,高电平时间增加 1ms,占空比增加 1/50;EA=1:开总中断;ET0=1:定时器 T0 中断允许;TR0=1:开定时器 T0。 图 5 定时器初值修改程序流程图4
26、 结束语本系统以 AT89C2051 单片机为控制核心,采用 PWM 脉宽调制的方法,利用中功率管 TIP127 对输出的 PWM 信号进行功率放大以驱动 6V、0.3W 的微型直流电动机。在设计装置中,力求硬件电路简单,采用较少的元件实现了对直流电机速度的开环控制。本文所介绍的方法已应用在轻型负载的直流电机调速系统中,系统运行稳定、可靠。参考文献1 李发海,王岩.电机与拖动基础M. 北京:清华大学出版社,2005 :26.2 汪玉成.直流电机 PWM 调速系统设计J. 商场现代化 .2007, 50:389-389.3 Atmel Corporation. AT89C2051M/OL. http:/.