基于Motionchip的直流无刷伺服电机运动控制系统设计和运用

2011-05-20 09:12:49来源: 互联网
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,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、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。

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EEPROM:X25650来存储TML运动指令。该EEPROM的存储容量为8K×8bit,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(0—102μs),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,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PWM7~PWM12,其中PWM7~PWM9输出设为驱动MOSFET功率管桥路的上半桥,PWM10~PWM12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的极驱动芯片并最终调整电机速度。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一0.027Ω采样电阻如图3(a),采样电流范围为0~6.22A,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+I×0.027×14.63。

MotionChip AD口的模拟量输入电压为0~5V,所以电流采样经量化的值为:

 引脚8:RESET,高电平复位输出脉冲端。这个信号是RESET的反相信号,由RESET通过一个内部的反相器产生。

  利用MAX708的1脚,对外接人的信号可以是振荡器等转换的信号,每隔一定时间由CPU复位振荡器使其不输出低电平复位信号,如CPU死机,一定时间内不输出复位电平,则振荡器输出低电平使MAX708输出复位信号使CPU复位。集成MAX708是通电、断电监控电路,在通电和断电时可产生复位信号输出,也将可靠复位CPU。MAX708对电源电压的监视门槛为4.40 V的复位功能和过程如下:

  a) 通电复位:在接上电源VCC使MAX708通电时,电源VCC从0→5 V,这时有一个过渡过程。在过渡过程中的一部分时间中,存在VCC<4.65 V的情况,则上电比较器就会输出低电平送到复位发生器中,从而产生200 mS的复位脉冲输出。

  b) 手动复位:在MR端接一个按键,按键另一端接地,则按键按下时,会产生一个低电平脉冲送到复位发生器中,从而产生200 ms复位脉冲输出。

  c) 电源下降复位:把电源与电源下降输入端PFI相连,当电源下降,并且有PFI电平小于1.25 V时,就在PFO端输出低电平。如果把PFO端和MR相连,则使PFO输出的低电平加到MR端而送入复位发生器,因而使复位发生器产生200 ms复位脉冲信号输出。

2 基于MAX708的数据保护系统设计

  在这里,MAX708用于监视第2个电源信号,为处理器提供电压跌落的预警功能。利用此功能,系统可在电源跌落时到复位前执行某些安全操作,如保存参数、发送警报信号或切换后备电池等数据保护性的操作。如果利用MAX708在电源出现毛刺或停电前把当前数据保存到E2PROM中,就可有效解决 E2PROM中的数据掉失(数据保护)问题,特别是在智能计量装置(如智能电度表、智能煤气流量计、智能水表等)停电时将当前数据保存等方面都有较好的应用。

  使用该电路必须选择适当的预警电压点,以保证靠电源的储能供电情况下,VCC电压从预警电压跌到复位电压的维持时间TB必须足够长,一般E2PROM的写周期约为10 ms到20 ms,取TB>200 ms就可确保数据稳定写入。

  预警电压调整方法如下:当VDC等于预警电压时,调整R1和R2使PFI的电压为1.25 V此时可检测PFO,来确认内部的电压比较器是否动作。

3 结束语

  MAX708除上电复位和掉电复位外,还有监控系统电源和数据保护的功能。用做监控系统电源时,当电源测控供电电压出现异常时,提供预警指示或中断请求信号,方便系统实现异常处理;用做数据保护时,当电源或系统工作异常时,对数据进行必要的保护:如写保护、数据备份或切换后备电池,同时当系统程序跑飞或死锁时,看门狗定时器会自动复位系统,让系统重新回到正常的工作状态,程序恢复正常运行。

关键字:直流

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0520/article_6058.html
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