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1、基于单片机的直流无刷伺服电机运动控制系统设计基于单片机的直流无刷伺服电机运动控制系统设计姜学明导语：Motionchip是一种性能优异的专用运动控制芯片，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。前言在传统的伺服控制装置中，一般采用一个或者多个单片机作为的核心处理器。由于这种伺服控制器外围电路复杂，计算速度慢，进而导致控制效果不理想。近年度来，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，必须具备高速运算才能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
2、号处理器DSP。如今，通常使用的伺服控制器的控制核心局部大都由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，灵敏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拟长。1、MotionChip介绍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，其具有高速的运算才能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
3、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展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：1、可用于控制5种电机类型：直流有刷/无刷电机、沟通永磁同步电机、沟通感应电机和步进电机，且易于嵌入到用户的硬件构造中；2、可以选择独立或者主从方式工作，并可根据需要，设置成通过网络接口进展多伺服控制器协同工作；3、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；4、可实现各种命令构造：开环、转矩、速度、位置或者外环控制，步进电机的微步进控制，并可实现控制
4、构造的配置，其中包括沟通矢量控制；5、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；6、使用各种通讯接口，可以实现RS232/RS485通讯、CAN总线通讯；7、基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平台，强大功能的IPMMotionStudio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种运动形式、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。8、可以通过动态链接库TMLlib,利用VC/VB实现PC机控制；可以以与Labview和PLC无缝连接，通过动态链接库，用户可以在
5、上层开发电机的控制程序，研究控制策略。2、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展伺服驱动器设计。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。在进展伺服控制器设计之前，根据MotionChip的特点和伺服电机的特性进展总体功能设计如下：1采用位置环、速度环、电流环的三环构造；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方法；2具有通用伺服控制器接口，并可利用提供的人机接口进展独立参数设置，有网络通讯接口进展独立参数设置，有网络通讯接口方
6、便外部监视和控制。伺服系统的总体系统构造可以分为：MotionChip最小系统、驱动电路、电流反应检测、外部控制接口、通讯接口等，如图1所示。伺服驱动器的硬件构造分为2个主要局部：驱动电路局部：主要包括逆变桥、前置驱动、电流检测；控制电路局部：包括反应检测、外部控制接口、通讯接口、MotionChip最小系统。图1系统构造图3、控制系统设计在MotionChip的根本系统中，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
7、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具有较低的活泼功耗，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有效或者电机使能信号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
8、程死区时间设置0102s，所以不需要外部的死区逻辑电路。码盘反应信号接口有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信号进展四倍频和辨向，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可对计数误差进展修正。电机霍尔反应信号HALL1，HALL2，HALL3，是为直流无刷电机/永磁同步电机进展定位磁极设计的。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，
9、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进展方式选择的，该引脚接高电平，MotionChip工作在附属方式，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中的开场执行TML程序。4、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
10、，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拟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BEVB中的比拟单元来产生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进展电机的驱动。图2驱动电路图电机
11、电流检测电路可提供重要的反应信息，将该信息与来自主控DSP的控制信号相结合，可以控制MOSFET或者IGBT的栅极驱动芯片并最终调整电机速度。假如要实现过流保护，还必需进展电流监控，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3a，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3b，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。MotionChipAD口的模拟量输入电压为05V，所以电流采样经量化的值为：图3电流检测原理图加氢反响器超声检测
12、成像系统是一套适用于现场检测的加氢反响器堆焊层剥离超声检测成像系统，实现加氢反响器堆焊层层间剥离的在役半自动超声扫查，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响器有一定的适用性。加氢反响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，控制系统需要知足如下指标：1、程度扫查速度可达6mm/s无级可调；垂直扫查速度达300mm/s无级可调；2、可以实现粗扫查和精细扫查，对指定的区域实现精细扫查；3、系统的控制方式分为手动/自动，两者之间可以切换；4、X轴程度和Y轴垂直2个方向上的运动误差1mm。由此选择了上述设计的运动控制系统，具有体积小，性能
13、高，控制简单，价格低，但是每个只能控制一个电机。假设要两台电机协同控制，那么须通过RS485总线将其连接起来。控制系统的总体构造如图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GP32C+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。图4硬件连接图5、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5所示。图5控制扫查界面用户操作界面功能有：参数
14、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。软件局部包括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给予明晰、简单的用户界面，方便用户调试、运行，同时可以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。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展测试，电机的电流和位置误差如图6a、b所示，从图6中可以看出，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485串口的通讯速率是完全可以知足系统需求的。图6测试曲线6、结论本文基于一类专用的伺服控制芯片Motionchip，进展了伺服控制器设计和理论研究，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响器超声检测成像系统中对二维的运动进展控制，保证了整个系统获得良好的性能。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经过，而且具有很好的开放性和网络性，对中小型工程是非常理想的设计方案。