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高精度无刷直流电机伺服控制系统的设计与仿真


高精度无刷直流电机伺服控制系统的设计与仿真 (1)

关键字:高精度 无刷直流 电机伺服 控制系统 在伺服传动系统中,无刷直流电动机(BLDCM)是一种新型的无级变速电动机,其结构简 单可靠、维护方便、运行效率高及惯量小和控制精度高等优点,广泛应用于伺服控制精密数 控机床、加工中心、机器人等领域。随着 BLDCM 应用领域的推广,对系统的动静态性能、 鲁捧性、控制精度等要求越来越高。 本文以三相四极无刷直流电动机为研究对象,结合 PID 控制和模糊控制各自的优势,设 计了一套基于 TI 公司的 C2000 系列 TMS320F2812 DSP 为核心的全数字永磁无刷直流电动机 的闭环调速系统,以期满足 BLDCM 伺服控制系统的高精度、快速性、稳定性和鲁捧性的要 求。 1 总体方案设计 系统没计采用三相四极无刷直流电动机 PWM 控制方案, 逆变桥的通电方式采用两两导 通方式该系统主要由三相四极无刷直流电动机、 控制器、 电子开关电路和化置检测器四部分 组成。其结构框图如图 1 所示。

功率驱动方式采用三相 Y 型全桥驱动电路, 如图 2 所示。 本系统实现的关键就是通过位 置环、速度环和电流环三闭环结构最终实现位置的伺服控制。从闭环结构上看,位置环在最 外面,是本系统的主环,电流调节环和速度调节环在里面,两者都是为位置环而服务,电流 调节器和速度调节器采用 PI 调节器,位置调节器采用 PID 调节器,以 TMS320F2812 微控制 器为控制核心,以功率 MOSFET 管构成逆变器。通过改变逆变器开关器件的 PWM 占空比来 改变电机电楸端电压,以实现电机转速的调节。

2 硬件设计 图 3 给出了基于 TMS320F2812 DSP 的无刷直流电机控制系统硬件结构框图。 本系统主要由辅助电源、控制器及外围电路、电动机驱动电路、检测电路和系统保护电 路等几部分组成。无刷直流电动机的渊速原理为:TMS320F2812 控制器通过捕获单元捕捉 无刷直流电动机转子位置传感器 HALL1、 HALL2、 HALL3 高速脉冲信号,检测转子转动位置, 并根据转子的位置发出相应的指令改变 PWM 信号的当前值, 进而改变直流电机驱动电路(三 相桥式逆变电路 IGBT)中功率管的导通顺序,实现电机转速和转动方向的控制。 下面重点介绍系统中的转子位置检测电路、相电流检测电路、驱动电路、系统保护电路 等。 2.1 转子位置检测电路 本设计方案中,位置检测环节采用了 3 个位置间隔 120°分布的霍尔传感器,由霍尔器 件所输出的转子位置脉冲信号送到功率变换电路后,经处理后送入 DSP 的 CAP 单元,DSP 通过读取霍尔元件的状态值,来确定转子的当前位置,再通过改变 PWM 的占空比改变 MOSFET 管的导通顺序,改变 IGBT 的导通顺序,实现电机的换相和电机转速的调节。

霍尔位置传感器输出的信号先由阻容滤波电路处理, 然后冉经过六路施密特触发反相器 SN74HC14N 整形后送入 DSP 的 CAP 单元进行处理计算。 由于霍尔位置传感器输出为 5V 电平 信号,为了与 DSP 的 3.3V 电平相匹配,需要进行电平逻辑转换,在此通过施密特触发器 输出端串联匹配电阻的方法来实现。三相霍尔位置检测电路如图 4 所示。 2.2 相电流检测电路 在对电路中电流信号进行检测时, 由于霍尔元件输出的电流较小, 故采用在直流侧母线 中串采样小电阻的方法, 先将电流信号转化为电压信号, 然后再经过放大隔离处理后送入模 数转换器 A/D。其中光耦隔离器件选择的是 6N137。电流检测电路图如图 5 所示。

其中 R22(0.05Ω /3W)为直流侧母线端的采样电阻,首先将电阻两端的压降信号经过 阻容滤波电路滤波, 然后经过运算放大器放大, 以满足 TMS320F2812 中 A/D 转换单元的采 样范围(0~3V)的要求。 电路中采用了单路高精度双极性运算放大器 OP07。 图中的二极管 D6 起稳压保护作用,确保 AD0 的输入电压存 0~3V 的范围内,另外,通过光藕合器 6N137 将 干扰路径切断,减小噪声的干扰。2.3 驱动电路 驱动电路采用 IR 公司生产的高性能三相桥式逆变器驱动芯片 IR2136,它只用一路驱动 电源便可同时输出 6 路驱动信号,且 IR2136 拥有完善的保护功能,使整个电路更加简单可 靠。

由于 IR2136 芯片本身没有逻辑信号与功率信号之间相互隔离功能,因此本设计中 DSP 产生的 6 路 PWM 脉冲信号经光耦隔离后才作为 IR2136 的 6 路脉冲输入, 进而控制 MOSFET 管的导通和关断。 通过输出端口 H01、 H02、 H03 分别控制三相逆变桥电路的上桥臂 T1、 T3、 T5 的导通和关断,通过输出端口 L01、L02、L03 分别控制三相逆变桥电路的下桥臂 T4、T6、 T2 的导通和关断,从而实现控制电机转速的正反转。图 6 为由 IR2136 构成的驱动电路。 2.4 系统保护电路 在无刷直流电动机控制系统中, 保护电路可以保护控制器 DSP 免受过压、 过流的影响, 还可以保护电机的驱动电路免遭破环。 整个系统的保护电路由隔离电路和驱动保护两部分组 成。 (1)隔离电路的设计 光耦隔离电路的作用是避免主回路中的强电信号对控制回路中的弱电信号造成干扰, 实 现不同电压之间的信号传输。 如图 7 所示(以一路 PWM 信号为例), 该隔离电路可实现对 DSP 的 6 路 PWM 输出信号与 IR2136 之间光耦隔离,并实现驱动和电平转换功能。

(2)功率驱动保护电路的设计 功率驱动保护电路包括自保护电路和过电流过电压保护电路。 为保证系统中功率转换电 路和电机驱动电路安全可靠工作,DSP 还提供输入信号,利用它可方便地实现系统的各种保 护功能。各路故障信号经过光耦隔离后送入到引脚,图 8 给出具体保护电路。例如:当有过 压或过流现象时,IR2136 的引脚 FAULT 会输出制动信号,拉低引脚输入电平,此时 DSP 内 部定时器停止计数,所有的 PWM 输出引脚全部置为高阻态,同时也产生一个中断信号,通 知 CPU 有异常情况发生,这就是 IR2136 的硬件保护功能。 3 系统与上位机的通讯

系统中用 SCI 接口完成与上位机的通讯功能,采用 RS-232 接口实现通信。通过上位机 可以给定位置量,同时控制过程巾电机的速度、电流、位置反馈量等参数,也可以实时地发 送给上位机显示;SPI 接口完成串行驱动数码管显示的功能。通过数字 I/O 扩展的键盘设定 位置给定量,并由数码管显示。 4 系统仿真 本文对速度环采用增量式 PID 控制和参数自整定模糊 PID 控制两种控制算法, 利用北京 雅合全公司生产的型号为 45ZWN24-25 的三相四极无刷直流电动机,对实验结果进行分析。 图 9、图 10 分别对应两种算法在电机启动时的转速响应曲线。

分析电机启动时转速启动曲线可知,两种控制箅法都有一定的超调,增量式 PID 控制算 法电机启动达到稳态的时间大约为 2.8s,超调量为 8.27%;而参数自整定模糊 PID 控制 算法电机启动达到稳态的时间大约为 2.2s,超调量为 4.58%,可见,采用参数自整定模 糊 PID 控制算法之后,有效地降低了超调量,缩短了电机启动的时间,提高了电机的控制精 度。 5 结束语 本文设计了以 TMS320F2812 为核心的数字直流伺服系统,很好地解决了高精度伺服控 制系统中 PWM 信号的生成、电机速度反馈及电机电流反馈问题,并实现了保护功能,使系 统硬件得到了极大地简化,提高了系统的可靠性。并结合参数自整定模糊 PID 控制算法实现 了电机的高精度伺服控制,实验结果验 证了陔方法的有效性。


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