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以無刷直流電動機為核心的無刷直流伺服系統具有優越的調速特性以及壽命長、效率高、維護性好等優點,高精度、高可靠性、高智能化的無刷直流伺服系統是當前伺服系統的重要發展方向。隨著微電子技術和控制理論的發展,伺服系統能夠獲得越來越高的工作精度、較寬的調速范圍,促進了伺服系統在各個行業和領域應用,例如工業自動化控制。在工業自動化領域中,某些場合如高精度數控機床和一些液壓設備需要兩臺或者多臺電機同時工作來達到保證精度、提高性能的目的。一種液壓設備要求兩臺伺服電機同時工作,并有較高的伺服精度要求,需要設計合適的伺服系統。本文介紹了以高性能數字信號處理器TMS320F2812 為控制核心的雙通道高精度伺服控制系統,充分利用其豐富的片內資源,簡化系統硬件設計,取得了較好的效果,滿足了設備的要求。 1 方案設計 系統要求實現較高的精度,這就需要降低伺服電機運行過程中的轉矩波動,可以從電機結構和控制算法兩個方面加以考慮:伺服系統采用無槽結構的無刷直流電動機（BLDCM）作為伺服電機,換相控制方式為電壓空間矢量（ SVPWM）正弦波驅動技術。無刷直流電動機采用正弦波驅動方式,三相繞組通入對稱三相交流電,電樞磁場為圓形旋轉磁場,方向連續變化, 實現較低的轉矩紋波、平滑運轉和較低的工作噪聲,文獻[ 3 ]證明了SVPWM驅動技術對于降低電機的轉矩波動有較好的效果;無槽結構的無刷直流電動機消除了齒槽效應, 具有轉矩波動小、運行平穩、噪聲低、電樞電感小、定位干擾力矩小等特點,采用正弦波繞組后,從結構上配合正弦波驅動技術使得系統高精度控制的實現更為容易。采用正弦波驅動方式,要求電機安裝有高分辨率的位置傳感器以提供精確的轉子位置信息。旋轉變壓器用來作為轉子位置檢測傳感器,能夠實現高精度檢測,滿足正弦波驅動的位置精度要求。 普通的電機控制用微控制器只有一個電機控制單元,如果同時控制兩臺三相電機,需要外部擴展一定數量的器件和接口,大大提高了成本,降低了可靠性。TMS320F2812是新一代電機控制專用數字信號處理器,集成度高,運算速度快,帶有兩個事件管理器,能夠實現同時對兩臺三相電機的調速控制,因此選擇TSM320F2812作為核心控制器。伺服系統方案原理框圖如圖1所示 無刷直流電動機是系統的伺服驅動單元;采用PC機作為上位機平臺,通過RS - 485總線實現對伺服系統的實時監控。系統兩個通道的技術指標及控制對象相同,因此各個通道采取了相同的硬件結構,以利于降低系統成本,縮短開發周期。 TMS320F2812作為整個控制器的核心,根據控制算法產生PWM調制信號,與保護電路產生的信號綜合后,經過驅動電路放大控制逆變電路,實現對伺服電動機的控制。信號發生器產生穩定的正弦波信號作為旋轉變壓器的激勵信號及角度變換（Resolver - to - Digital Converter, RDC）電路的參考信號。旋轉變壓器與電機轉子同軸連接,實現角度位置檢測及反饋、速度計算及反饋功能。 2 系統硬件設計 兩個通道采用相同的硬件電路,因此下面所討論的硬件電路都在兩個通道中得到應用。 2. 1 功率電路設計 功率電路包括驅動電路和逆變電路兩個部分。圖2是單個通道的功率電路原理圖,三相逆變電路由6只功率MOSFET構成。系統采用了集成驅動芯片IR2133實現對功率MOSFET的驅動控制,具有欠電壓保護和過電流保護功能。IR2133的供電采用了自舉方式,用單電源經過3個二極管給逆變器的3個上橋臂驅動電路供電, 3個下橋臂則共用一個電源。PWM輸入信號經過IR2133放大后驅動MOS2FET工作,產生控制BLDCM 的三相電壓。IR2133內部集成的運算放大器采集母線電流信號,實現電流閉環控制。ITR IP引腳外接采樣電阻,實現過電流保護。當發生電源欠電壓或過電流故時,FAULT引腳輸出為低電平,送至TMS320F2812的故障保護引腳,關閉PWM輸出,實現報警保護功能。圖中R6、R7 構成分壓電路,檢測直流母線的供電電壓,防止系統工作在異常供電條件下,并根據檢測到的電壓執行電壓補償算法,提高系統的抗干擾能力。 圖2 功率電路 2. 2 RDC電路設計 本系統采用旋轉變壓器作為位置檢測元件。旋轉變壓器輸出的正/余弦信號經過RDC電路后變成數字信號,通過數據總線送入TMS320F2812,構成轉子位置檢測反饋通道。位置反饋、轉子位置確定、速度測量都取決于該通道,其精度是系統實現轉速穩定及位置精度的關鍵因素之一,所以該反饋電路是系統的關鍵通道。為了保證該通道的精度,系統采用了AD2S83集成電路實現RDC變換功能,具有抗干擾能力強,線性度好,精度高等優點,電路如圖3所示。 圖3 RDC角度轉換電路 圖3中,旋轉變壓器的輸出信號送入AD2S83,DATA [ 0～16 ]為AD2S83 的數字輸出; SC1 和SC2選擇AD2S83輸出精度,根據電機最高轉速進行選擇。在設計過程中,充分利用了TMS320F2812資源豐富、引腳多的特點,由其對精度選擇位進行控制,擴展了使用對象; 本系統伺服電機的最高轉速為1 500 r/min,AD2S83最終選擇14 位精度。參考信號的頻率為18 kHz,圖中各個元件取值的詳細計算過程見文獻[ 6 ]。 3 控制策略及實現 本系統為實時性強的數字化高精度伺服系統。在系統設計中,充分利用了數字控制技術,簡化硬件電路設計,提高系統可靠性,充分發揮軟件強大功能,用軟件產生部分傳統上由硬件電路實現的功能。控制器軟件主要由兩個部分構成,一是主循環程序,二是PWM定時器下溢中斷服務子程序。主程序和中斷服務子程序相互配合,完成伺服電機的實時控制。主循環程序負責硬件外設的初始化、數據初始化和電機工作狀態轉換,并在發生故障時產生報警信息。由于采用的是單芯片控制兩臺伺服電機的方法,因此實現兩臺伺服電機的協同控制,完成狀態機的切換是主程序最重要的任務。按照設備的工作要求,兩臺伺服電機分為左右電機,其工作狀態有5個:左電機單獨工作、右電機單獨工作、左右電機同步工作、左右電機差動工作和左右電機鎖定保持,其中左/右電機單獨工作時,另外一臺電機處于鎖定狀態,防止誤動作。根據上位機發送的控制指令,主程序確定工作狀態,為中斷服務子程序的控制實現做準備。PWM定時器下溢中斷服務子程序是核心部分,實現旋轉變壓器信號讀取、電流檢測、電壓檢測、轉速計算和系統閉環控制等功能。TMS320F2812 集成有兩個事件管理器,每個事件管理器可以單獨控制一臺伺服電機。由于硬件電路采用了相同的設計,伺服電機完全相同,最后的技術指標也一致,因此對兩臺伺服電機的控制采取相同的控制算法,分別由各個事件管理器的中斷服務子程序調用執行。根據SVPWM算法原理,在TMS320F2812中存儲了一個正弦表格,表格的長度依據旋轉變壓器的分辨率和系統要求的控制精度進行設置。由于采用了高精度的旋轉變壓器實現位置檢測,根據測得的無刷直流電動機反電勢信號將一個電周期劃分為六個扇區,由讀取的旋轉變壓器信號確定相應的扇區號。圖4是PWM定時器中斷服務子程序的流程圖。 在PWM中斷服務子程序中,實時讀取RDC電路的輸出信號,作為SVPWM控制算法的角度依據; RDC電路的輸出信號與電機轉子位置信息相對應,可計算出伺服系統的轉速和位置信號,并根據A /D采樣獲得的電流信號,計算實時誤差,實現系統閉環控制,產生新的PWM占空比,通過調節占空比,控制作為伺服驅動單元的無刷直流電動機的轉速,達到實現伺服系統高精度控制的目的。 4 實驗結果與結論 伺服系統采用的兩臺無刷直流電動機實驗樣機主要參數為:額定功率80W,額定電壓28 V,最高轉速1 500 r/min,極對數p = 2,相電阻R = 0. 42Ω,相電感L = 2. 1 mH。系統工作時的PWM斬波頻率為25 kHz, SVPWM采用雙極性調制技術。 圖5a是左右通道經過RC濾波后的一相電壓波形,圖5b是單臺伺服電機工作時的相電流波形,圖5c是伺服系統的起動加速曲線。采用軟起動方式初始加速時間稍長,但對伺服系統具有一定的保護功能;并且系統采用了軟起動技術,使得在加速階段轉速超調幾乎為零,保證了系統的精度。系統運行在最高轉速時,在10 min內測量到的最大角度誤差為1. 87°,而最大轉速偏差為±1. 0%。由于采用了高精度的旋轉變壓器作為檢測元件,伺服系統的最低轉速低至0. 1r /min,滿足了低速場合的要求。實驗結果表明,利用TMS320F2812同時控制兩臺伺服電機,利用合理的控制算法和高精度傳感器,能夠獲得較高的控制精度,滿足設計目標的要求。 |
