1、-PAGE . z.無刷直流電動機驅動器設計方案2009年3月1.總體需求與方案1.1系統總體結構該系統的配套連接框圖如圖1所示，共需要6臺電機驅動器，分別控制6臺無刷直流電動機，其中：兩臺電機1的驅動器由上位機1經RS422總線給出控制信號；兩臺電機2的驅動器由上位機2經RS422總線給出控制信號；兩臺電機3的驅動器由操作人員經I/O接口給出控制信號，控制電機以低速、點動方式運行；具有自檢測功能。12 電機控制系統的相關配置無刷直流電機控制系統的外部配置：（1）無刷直流電機（MA*ON EC-ma* 30 40W 型號272769）機載電源DC28V （2）活門減速器變比 ：134：1 電機

2、行星齒輪箱減速比：33：1 總減速比：4422：1 ？（3）旋轉變壓器 精度 10 minutes（分）（4）霍爾傳感器（電機自帶），位置傳感器1.3 控制性能指標排氣活門控制圍：0-90度；2）電機驅動器應保證負載能夠在01.6rpm（0-7075r/min）速度圍任意可調，特別是保證負載在0.05rpm（221r/min）左右的調速性能的穩定性和準確性；無刷直流電機驅動器采用28V直流電源供電，即額定電壓為28V；4）電機轉速控制圍：05500r/min。2電機驅動器的硬件設計2.1 電機驅動器的硬件功能需求1）具有RS422通訊接口，與上位機通訊，以接收控制指令和報告活門的位置狀態；2）

3、接收電機的位置信號，并且根據上位機指令能夠對無刷直流電動機進行高低速、正反轉控制；3）具有自檢測與保護功能，包括過流、短路、欠壓保護，當電機工作狀態異常時向上位機報告。2.2控制器方案控制器的功能要求見圖2，采用數字信號處理器(DSP)來實現，型號選用最新型的TMS320F2812。圖2 控制器結構框圖具體功能如下：TMS320F2812有異步串行接口RS232，將其轉換為RS422A，作為與上位機的接口；TMS320F2812輸出PWM信號，采用軟件控制，輸出與電機的位置信號綜合，控制三相橋電路的上（或者下）3個功率開關器件，以控制電機的電壓達到控制轉速的目的；TMS320F2812有同步的

4、串行數據接口SPI，將其與旋轉變壓器的數字變換電路(RDC)連接，完成電機轉速信號的采樣，RDC集成電路選用AD2S90；TMS320F2812采用兩路ADC接口，能夠擴展為16路模擬量數據輸入接口，采集位置信號和電流信號，實現電流和位置反饋。留出8位PIO接口信號，作為手動控制、運行使能，以及其他需要增加控制時的信號。2.3轉速測量電路電機的速度傳感器采用無刷旋轉變壓器，與電機同軸旋轉，完成電機轉速反饋時的轉速測量。信號變換電路無刷正余弦旋轉變壓器由環形變壓器與正余弦旋轉變壓器結構兩部分組成。結構見圖3。圖3 無刷旋轉變壓器結構當環型變壓器的定子繞組上施加勵磁電壓，環型變壓器的轉子繞組感生的

5、電動勢送到旋轉變壓器原邊的轉子繞組作為勵磁電源，該勵磁電流所產生的磁場使副邊的定子兩相繞組中感應出按下式變化的電動勢。其中為電機的機械軸角度，為轉子激磁電源的角頻率，為電壓幅值。位置傳感器采用無刷旋轉變壓器、勵磁信號發生電路、數字變換電路組成，結構框圖見圖4。圖4 位置傳感器結構其中勵磁信號發生器采用AD2S99集成電路產生旋轉變壓器的勵磁信號，信號頻率510kHz，電壓7V，輸出電流200mA。2數字信號變換器(RDC)數字信號變換器(RDC)采用集成電路AD2S90，將正余弦信號變換為12位的數字位置信號，直接送至數字信號處理器(DSP)。數字信號變換器(RDC)的應用在該位置傳感器中，數

6、字信號變換器(RDC)的應用是其關鍵技術，這里采用了集成電路AD2S90。AD2S90與旋轉變壓器的連接電路見圖5。圖5 AD2S90與旋轉變壓器的連接電路AD2S90接收旋轉變壓器信號sin(U1)、cos(U2)、ref(Uin)，將模擬機械軸位置信號轉換為數字型信號，可供單片機或數字信號處理器(DSP)直接讀取，處理器從AD2S90可以獲得以下數字位置信號： (1)12位串行二進制表示的絕對位置信息，即用十六進制數0*0000*fff表示的對應電動機機械角0360位置。(2)1024線模仿編碼器的增量式2路正交脈沖(A、B)位置信息，電機每旋轉機械角一周分別產生1024個脈沖，將2路信號

7、異或”可獲得2048個脈沖，若取其跳變沿還可獲得4096個脈沖。(3)能夠提供與速度成正比的模擬測速信號VEL，典型線性度，最大輸出電壓2.5v，每伏電壓相當于轉速9000r/min。由于模擬測速信號VEL精度較低，增量式信號為10位，而絕對位置信號為12位，本方案擬采用絕對位置信號，并且RDC和DSP有合適的同步串行數據接口。2.4 功率控制電路方案 本系統功率電路為低壓的三相逆變電路，它由驅動電路與功率電路組成。在器件的選擇中，考慮到選用集成度高，功率損耗小的器件。 功率開關器件的選擇根據被控電機的額定、極限工作參數，從眾多商家的產品（見附錄）中進行篩選，最終決定采用I*YS公司型號為GW

8、M 100-01*1的產品，其基本性能參數如下：參數GWM100-01*1VDSS, ma*, (V)100ID25, Tc = 25C, (A)90ID90, Tc = 90C, (A)68RDS(on), ma*, Tj = 25C, (mOhms)8.5RthJC, ma*, (K/W)0.9 表中的數據表明，該電路集成度高(6管集成)，功率損耗小（8.5m歐），選擇了電流圍大的器件，是因MOSFET的特點是大電流期間導通電阻小。GWM 100-01*1的外觀尺寸（37.5*32.2*8.7）及部結構見圖6。圖6GWM 100-01*1的外觀尺寸與部結構MOSFET器件的導通特性是電阻不

9、變，當選用上述的MOSFET導通電阻為8.5m，計算得到單管導通損耗為0.5W左右，功率電路的工作時兩管導通，導通損耗將為1W左右。 驅動電路方案滿足性能指標要求的MOSFET驅動芯片有不少，其部結構都差不多，考慮通用性等方面的因素，決定選用International Rectifier(國際整流)公司的IR2136芯片。IR2136芯片有以下特點：具有獨立的三相橋驅動功能，集成度高；能提供10V至20V的門極驅動電壓，符合MOSFET驅動要求；具有獨立的欠壓及過流保護功能。該器件的部結構見圖6，外形尺寸見圖7。圖6 IR2136的部結構圖7 IR2136的外部尺寸外觀尺寸（40*15*8）2

10、.5 換相控制電路本系統無刷直流電動機采用霍爾元件位置傳感器實現換相控制，因此可以采用可編程邏輯GAL器件來實現。換相控制電路的邏輯關系見圖8，圖中的信號為：DIR：轉速方向控制信號，為1”時控制電機正轉，為0”時控制電機反轉；PWM：脈寬調制信號，通過占空比控制電機繞組電壓，來控制電機轉速的高低；PA、PB、PC：霍爾元件產生的電機位置信號，控制電機換相；g1g6：三相橋逆變器的控制信號。圖8 換相控制電路的邏輯關系圖8中的各模塊的功能為：GAL器件的邏輯功能：能夠在換相邏輯變換的同時，將電機正/反轉信號、PWM信號綜合進去，構成能夠進行電機高低速、正反轉控制的MOSFET邏輯控制信號g1g

11、6；電流驅動電路：在邏輯上可以是反向器或者同向器，將GAL輸出邏輯信號增加電流驅動能力，驅動后面的光耦電路，通常為07mA；光耦電路：實現控制電路和功率電路的隔離，使逆變器的上三管能夠電平浮動，同時也可以克服之間的電磁干擾。3.系統控制方案3.1 系統控制的要求(1)與上位機通訊：經RS422A總線接收上位機的控制位置、最高轉速的數據，到達位置后向上位機返回當前的位置數據；(2)位置控制：根據上位機經RS422A總線送入的位置數據，將系統輸出控制到該數據指定的位置；(3)轉速控制：根據上位機經RS422A總線送入的轉速數據，將電機的最高轉速限制在指定的圍；驅動器要控制電機的轉動方向、轉速和轉動

12、圈數，以根據上位機指令精確控制排氣活門的開度。為實現精確位置控制，驅動器采用目前最先進的數字信號處理器DSP/TMS320F2812對信號進行處理、計算，并給出控制信號。采用AD2S90和AD2S99，對旋轉變壓器實現解碼，計算，給出位置計算的依據。3.2 控制系統的結構系統控制采用位置、速度閉環結構，如圖9所示。圖9 控制系統結構框圖(1)位置反饋控制，測量減速器后面的位置傳感器（電位計型），通過DSP的AD變換電路（12位）采集數據，實現閉環控制；(2)速度反饋控制，由旋轉變壓器和數字變換電路組成速度傳感器，通過DSP的同步串行數據接口采集數據，實現閉環控制；轉速的數字測量是微處理器讀取A

13、D2S90輸出的數字位置信號，通過軟件計算來獲得電機轉速。通過AD2S90可以得到三種分辨率的位置信號，即電機旋轉一周可以產生4096、2048或者1024個脈沖。這里設電機旋轉一周產生的脈沖數為，轉速的算法可以采用脈沖計數法 。所謂脈沖計數法是在單位時間對位置脈沖信號計數，以獲得單位時間的轉角來計算速度。若時間間隔為采樣時間，測量的脈沖數為M，則被測速度可由計算得到。脈沖計數方法對轉速的測量可以用絕對位置信號通過軟件完成，M由兩次采樣的位置差值獲得，即時刻的M值為式中為時采樣的位置信號。脈沖計數法在采用較大的N0時，并且高轉速圍精度較高，適用于電機的高速運行。3.3系統的控制方法 該系統對于

14、控制律有比較高的要求，特別是要求在在0.05rpm左右的調速性能，對應電機轉速為210r/min左右，要求系統的調速圍為30屬于要求調速圍比較大的情況。需要保證高速時系統的快速性和低速時的穩定性。由于PI調節器是工程上應用最廣泛的控制方法，本項目首先考慮采用PI調節器，構成閉環控制系統，動態結構圖見圖10。圖10 電機控制系統的動態結構圖圖10中的APR、ASR分別表示位置調節器、速度調節器，變量和為活門位置的給定值和反饋值，和為電機角速度的給定值和反饋值。自動控制軟件上，通過速度環實現對速度的精確控制。由于系統要求調速圍大，調速比要達到500，要求PI參數要有很強的適應性，可同時滿足高速和低速的性能要求。采用PWM調制，由DSP根據目標速度給出所需的占空比，同時，位置環可實現精確的位置控制。系統要求活門精度為0.1度/轉以下，根據不同