（控制理论与控制工程专业论文）网络化无刷直流电机驱动器的设计.pdf

摘要颂十论文 摘要 在机器人控制系统结构开放式、网络化的趋势下，针对现有轮式移动机器人运动 控制系统结构存在的缺点，提出了基于网络的轮式移动机器人运动控制系统结构。这 种运动控制系统由集控制模块、功率驱动模块、网络接1 3 和检测元件于一身的一体化 电机通过网络连接而成。为了研究一体化电机，进行了网络化的无刷直流电机驱动器 设计。首先确定了无刷直流电机调速系统总体方案。然后以d s p 为核心设计并制作 了具有网络( c a n 和1 0 m b p s 以太网) 接口的全数字式无刷直流电机驱动器。接着 对驱动器各个模块进行了软件设计和调试，达到了预期的效果。最后利用该驱动器进 行了无刷直流电机电流和速度双闭环系统的整体调试，调速范围和控制精度达到了预 定的要求。 关键词； 运动控制无刷直流电机驱动器d s p 。c a n 以太网 a b s t r a c t颂论文 a b s t r a c t a st h et r e n do fo p e n i n ga n dn e t w o r k e dr o b o tc o n t r o ls y s t e m ，a n di na l l u s i o nt ot h e d r a w b a c k so f m o v e m e n tc o n t r o ls y s t e mo f w h e e l e dm o b i l er o b o ti ne x i s t e n c e ，an e t w o r k e d m o v e m e n tc o n t r o ls y s t e mo fw h e e l e dm o b i l er o b o ti sp r o p o s e d t h i sk i n do fm o v e m e n t c o n t r o ls y s t e mi si o m p o s e do fi n t e g r a t i v em o t o r st h r o u g hn e t w o r k i n t e g r a t i v em o t o ri s c o m p o s e do fc o n t r o lm o d u l e ，p o w e rd r i v em o d u l e ，n e t w o r ki n t e f f a e e ，m e a s u r i n ge l e m e n t s a n dm o t o ri t s e l f n e t w o r k e db l u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) d r i v e ri sd e s i g n e df o rt h es t u d y o fi n t e g r a t i v em o t o r f i r s t l y , b l d c ms p e e dc o n t r o ls y s t e ms c h e m ei sc o n f i r m e d t a k i n g d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) c h i pa sc o r e ，d i g i t a lb l d c md r i v e rw i t hc o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ( c a n ) a n de t h e r n e tn e t w o r ki n t e r f a c e si sd e s i g n e da n dm a d e s e c o n d l y , s o f t w a r e d e s i g n i n ga n dd e b u g g i n go fe a c hm o d u l ea r em a d e f i n a l l y , d e b u g g i n go fc u r r e n ta n d s p e e dl o o po fb l d c mc o n t r o ls y s t e mi se x e c u t e d s p e e dr e g u l a t i n gr a n g ea n dc o n t r o l p r e c i s i o nh a v er e a c h e de x p e c t a n tr e q u e s t k e y w o r d s ： m o v e m e n tc o n t r o lb l d c m d r i v e rd s p c a ne t h e m e tn e t w o r k h 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：墨蓥垒4 年7 月胡 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借闼或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 南京理t 大学硕十学位论文网络化光刷直流电机驱动器的蹬计 1 绪论 1 1 课题背景 随着机器人应用领域的不断拓展，机器人的控制和功能也变得越来越复杂，为了 适应日益复杂的生产制造系统的发展，要求机器人控制系统必须具有开放式控制结 构。开放式控制结构可以大大提高系统的柔性，增强系统的可重构性，易于机器人与 其他设备的集成、通信。目前，机器人控制系统的网络化、开放式和分布式体系结构 的研究已经成为机器入控制系统研究的热点1 3 0 1 。运动控制系统是机器人控制系统中的 重要组成部分。顺应着机器人控制系统开放式、网络化的趋势，目前，运动控制系统 也正朝网络化、集成化、智能化、人性化方向发展。我国已明确将开放式结构的机器 人控制器和基于网络的机器人控制技术列入关键攻关技术，表明发展基于网络技术的 歼放式运动控制系统也将是我国的发展战略f 2 7 1 。 1 1 1 基于p c i 总线的轮式移动机器人运动控制系统 图1 1 1 轮式移动机器人组成模块图 移动机器人1 25 】是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环 境中面向目标自主运动，从而完成一定功能的机器人系统。根据活动范围和工作环境 的不同，可分为陆地、水下和空中移动机器人 其中陆地移动机器人根据平台载体的 不同，又可分为轮式、履带式和步足式移动机器人等类型 轮式移动机器人一般采用模块化结构，图1 1 - l 所示轮式移动机器人包括能源及 驱动模块、控制模块、传感器模块、视频采集模块、显示模块和无线通讯模块等。图 绪论 颂仁论文 1 1 2 是图1 1 1 所示轮式移动机器人控制系统结构，这是一种以工业计算机( 工业p c 机) 为主机的开放式结构。视频采集模块、音频采集模块，运动控制模块和传感器模 块通过p c i 总线与主机交互，无线网卡通过u s b 接口与主机连接，此外主机还可通 过串口、并口扩展其他功能。 其它网络l j e 但汇蒿订砑 西j e p c i 总线 多路u s b 2 0 接口 l 鳘i1 1 2 轮式移动机器人的控制系统结构图 档码嚣反馈 工 皇望! ! ! ! 皇割功率驱动 刮左q业 p c i 运动 p c 控制卡 雪塑一 机 图1 1 3 轮式移动机器人运动控制系统结构图 图1 1 3 为轮式移动机器人的运动控制系统结构，采用了工业p c 机+ 运动控制卡 + 功率驱动模块的方法。采用的运动控制卡是三轴运动控制卡，系统使用了其中两轴。 在这类运动控制系统中，p c 机负责提供一个友好的用户界面，记录用户的参数设置， 并将这些参数传递给运动控制卡。运动控制卡是以功能扩展卡的形式插在p c 机上的 p c i 插槽中，负责根据用户所给定的控制参数，生成具体的控制信号( 方向、使能和 p w m 信号) ，并处理反馈信号，这类控制系统与依靠p c 机完成所有的运动控制任务 ( 包括用户界面、参数设置、控制信号生成、反馈信息处理等) 的控制系统相比，降 低了对p c 机的性能要求，从而增加了系统的性价比，目i i 这种结构己被广泛应用。 2 南京理t 夫学颀卜学位论文嘲络化光刷直流电机驱功器的i 殳i - l 但是上述基于计算机标准总线的运动控制系统仍然存在着一些缺点 2 1 1 ：( 1 ) 采用 的总线大都为i s a ，p c i ，运动控制器大都采用扳卡结构，通过金手指与工业p c 机 连接，这种单边固定方式在多数环境较差的工业现场( 振动，粉尘，油污严重) 不适 宜长期工作；( 2 ) 这种连接不仅成本高而且结构复杂，不易扩展，复杂的结构使系统 的整体可靠性难以保证：( 3 ) 工业p c 机+ 运动控制卡+ 功率驱动模块+ 电机这种结构体 积偏大，从而影响了它们的应用范围。 + 二 1 1 2 基于网络的轮式移动机器人运动控制系统 图1 i 4 基丁：网络的轮式移动机器人运动控制系统结构图 图1 1 4 为基于网络的轮式移动机器人运动控制系统结构。与基于p c i 等计算机 标准总线的运动控制系统结构相比，省略了原来的运动控制卡，将通讯和网络控制技 术与嵌入式微处理器、功率驱动技术相结合，设计成具有网络接口的电机驱动器，然 后将它与电机i 减速器、检测元件集成在一起，形成结构紧凑的电机( 一体化电机) 。 一体化电机自身形成闭环控制，与外界连接只需要电源和网络接口，由这种一体化电 机组成的运动控制系统，连接线路大大简化。工业计算机只需发送控制命令，并接收 监控信息，这样可以为机器人的视觉、听觉等模块的信息处理和决策留有更多的运算 空间，除此之外，各个一体化电机节点之间也可以相互通讯，有利于多电机协调控制。 本文考虑两种网络接口：c a n 总线和以太网，下面分别介绍。 ( 1 ) c a n 现场总线 现场总线控制系统【l 既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为 智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统， 硕十论文 并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示和监控 等功能。现在己开发了4 0 多种现场总线，其中最具影响力的有5 种，分别是基金会 现场总线( f f ) ，p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 和l o n w o r k s 。其中，c a n 现场总线作为 具有国际标准和较高性价比的一种现场总线技术，其应用范围目前已不再局限于汽车 行业，而扩展到了机械工业、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感器等领 域，它的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性- 文献 3 8 1 提出了将c a n 总 线应用于移动机器人控制系统，把组成机器人的各个模块作为智能节点通过c a n 总 线连接的方案。 ( 2 ) 以太网 随着机器人在工业上的广泛应用，机器人已成为工业生产系统中的一个标准部 件。以太网技术的快速发展和广泛应用以及低廉的价格正吸引着工业控制领域，许多 机构都在致力于开发适合于工业环境的以太网器件，提出了工业以太网技术。工业以 太网一般是指技术上与商用以太网( 即i e e e 8 0 2 3 标准) 兼容，但在产品设计时，在 材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性和本 质安全等方面能满足工业现场的需要1 2 s l 。文献 3 1 】在对工业以太网和c a n 现场总线 进行分析比较的基础上，探讨了工业控制领域中的两种应用方案：一种是在工业控制 现场采用c a n 现场总线，在监控层和管理层采用工业以太网，中间层用网关互连； 另一种是采用工业以太网实现“一网到底”，即工业以太网不但应用于监控层、管理 层，还应用于设备底层。文献 3 0 冲也提出了采用以太网作为系统总线的分布式机器 人控制系统结构的方案。 1 2 伺服驱动器国内外发展概况1 4 2 i 2 0 世纪8 0 年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展， 永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展。德国西门子、美国科尔摩根和只本安川等公 司相继推出了各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品，并在不断完善和更新。 德国西门子公司的i f t 5 系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类， 共8 个机座号9 8 种规格，配套的晶体管脉宽调制驱动器6 s c 6 1 系列，最多可控制6 个轴 的电动机。i n d u s t r i a ld r i v e s 是美国科尔摩根公司的工业驱动分部，自1 9 8 9 年起它推出 - j g o l d l i n e 系列永磁交流伺服电动机，包括b ( 小惯量) 、m ( 中惯量) 和e b ( 防爆型) 三大类，每大类有4 2 个规格，全部采用钕铁硼永磁材料，力矩范围为0 8 4 1 1 1 2 n m ， 功率范围为0 5 4 4 1 5 7 k w ，配套的驱动器有b d s 4 ( 模拟型) 、b d s 5 ( 数字型) 和s m a r t d r i v e ( 数字型) 三个系列。同本安川电机抹式会社在中小功率交流伺服电机和驱动 器方面具有较大的优势，在机器人行业占据较大的市场份额。除此之外，德国百格拉、 雄克等公司还推出了将带总线接1 ：3 的驱动器、检测元件和电机集成在一起形成的模块 4 南京理t 大学碗 学位论文两络化无刷直流电机驱动嚣的设计 化电机，利用这种结构紧凑的电机组成机器人的运动控制单元，然后通过总线协调控 制，这种开放式架构具有很好的可重构性和可扩展性。 与国外相比，我国在伺服系统方面发展相对落后。但是经过几十年的发展，也取 得了很大的成就。近几年，华中数控、广州数控、航天数控、兰州电机等单位的伺服 驱动器及电机产品已相继进入产业化阶段，但还主要是集中在数控机床行业，没有针 对整个自动化控制行业形成全系列规格标准产品。同时国内伺服电机的全数字驱动器 技术还比较落后，主要局限于欠缺实用的电机数字控制算法和高可靠的功率模块，这 样就大大限制了国产伺服电机的推广。由此可见，研究控制精度高、可靠性好的伺服 驱动器具有重要意义。 1 3 本文所做的工作 本文以轮式移动机器人的运动控制系统为背景，以方波驱动无刷直流电机为控制 对象，基于d s p 设计并制作了具有c a n 总线和l o m b p s 以太网接口的无刷直流电机 驱动器，利用该驱动器进行了无刷直流电机双闭环调速系统调试，最后给出了调试结 果。 本文备章节安排如下： 第一章首先介绍了本课题的背景和意义，然后介绍了课题的研究内容并概括了 本文各章节的主要内容。 第二章首先介绍了无刷直流电机特点、基本组成和运行原理，然后分析了无刷 直流电机的数学模型，阐述了脉宽调速原理，最后提出了本论文采用的无刷直流电机 调速系统总体方案。 第三章针对第二章所提出的总体方案，确定了网络化无刷直流电机调速系统的 硬件结构，确定了电机型号，进行了主要元器件的选型。然后进行了网络化无刷直流 电机驱动器的硬件设计，驱动器设计分为控制、驱动、电源三部分，详细介绍了各部 分采用的元器件及接口的设计 第四章首先对本设计所使用的编程环境进行了介绍，然后采用模块化设计方法 对系统软件进行了设计，接着对主要模块进行了详细介绍。 第五章在前面硬件和软件模块化设计的基础上，采用所设计的无刷直流电机驱 动器进行了调速系统速度和电流双闭环调试，给出了调试结果。 最后，本人对自己所做的工作进行总结并对下一步需要继续研究的内容进行了展 望。 无艋直流电机调速系统原理和总体方案 硕 论文 2 无刷直流电机调速系统原理和总体方案 从用晶闸管作为开关元件替代有刷直流电机机械电刷的构想提出至今无刷直流 电机已有四十余年的发展历史。目前，它已广泛应用于伺服系统、机器人、家用电器 等众多领域。 按照电机工作方式的不同，无刷直流电机分为方波驱动无刷直流电机b l d c m 和 正弦波驱动无刷直流电机p m s m 。两者的主要区别在于静者的反电势被设计成梯形 波，而后者的反电势被设计成正弦波。 方波驱动无刷直流电机主要有以下优点【i g 】：嗓音小：与传统的直流电机相比， 由于没有电刷，所以不会产生由于机械换相引起的噪音；效率高：由于b l d c m 的转子是永磁体，它可以提供恒定的磁场而不需要消耗能量；控制简单：在一个 电磁周期内只需知道转子的六个关键位置信号，控制系统较容易实现：功率密度 高：一方面由于电机转子没有绕组，减小了电机的体积，并且电机的发热主要在电机 定子上，有利于电机的散热；另一方面，钐钴、钕铁硼等高性能永磁材料的应用，进 一步提高了电机的功率密度。 本文以定子绕组为三相星型连接，转子极对数为l 的方波驱动无刷直流电机作为 控制对象。 。 2 1 无刷直流电机的基本组成 和普通直流电动机类似，无刷直流电动机转矩的获得也是通过改变相应电根绕组 电流在不同磁极下的方向，从而使电磁转矩总是沿着一个固定的方向。但是无刷直流 电动机没有电刷和换向器，为了实现电枢电流在不同磁极下换向，无刷直流电动机必 须具有相应的换流装置：转子位置传感器和电子换向电路。转子位置传感器检测和确 认磁极与绕组相互日j 的相对位置，电子换向电路获得转子位置传感器的信息，进行相 应的换向控制。为了与电子换向电路连接方便，无刷直流电动机的电根绕组作为定子， 转子采用永磁体。 图2 1 无刷直流电动机的基本组成图 可以说无刷直流电动机是一个闭环的机电一体化系统，它主要由电动机本体、位 置传感器和电子换向电路三部分组成【3 】三者关系如图2 1 ，下面分别介绍： ( 1 ) 电动机本体 6 南京理工夫学硕 学位论文网络化无刷直流电机驱动器的醺计 电机本体的主要部件有转子和定子【饽i 。 定子：是电机本体的静止部分，由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组及固定 铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、绝缘片、引出线 及环氧树脂等。 转子：是电机本体的转动部分，是产生激磁磁场的部件。它由三部分组成： 永磁体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，由永磁材料和导 磁材料组成。 7 ( 2 ) 转予位置传感器 转子位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置，为电子换向电路提 供正确的换向信息的作用。方波驱动无刷直流电机一般采用廉价的转子位置传感器提 供六个位置信号，如霍尔元件、磁敏元件和光电元件等。 ( 3 ) 电子换向电路 电子换向电路的作用是接收来自转子位置传感器的信号，按照一定的换向策略换 向，从而使定子绕组产生的旋转磁场的转速与永磁转子的转速同步，使电机旋转。它 由控制电路和驱动电路组成。 控制电路：在全数字式设计中，控制电路不但接收转子位置传感器的信号， 发控制信号给驱动电路，还接收电流、转速等反馈信号，采用控制算法实现电流和速 度闭环控制并实现一些保护功能。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电 路，一般由功率开关器件和功率开关器件所需的驱动芯片组成，功率开关器件组成的 逆变电路主要有半桥和全桥两种形式。 2 2 无刷直流电机的换向控制原理 对于定子绕组为三相y 型连接的无刷直流电动机，其逆变电路主要有两种：三 相半桥和三相全桥。 ( 1 ) 三相半桥控制 p o w e r 、 ( a ) ( b ) ( c ) ( a ) 三相半桥连接示意图( b ) 绕组通电时的合成转矩矢鼍图 图2 2 二相半桥连接示意图和绕组通电时的合成转矩矢茸图 7 r 0 尢刷直流电机调速系统腺理和总体方案 硕 = 论文 三相半桥连接的结构和控制方法都比较简单，在一个周期内，开关v i 、v 2 、v 3 分别导通1 2 0 0 ，其合成定子转矩如图2 2 ( b ) 。这种控制方式电机的利用率比较低，且 换向时的转矩波动比较大，所以一般不用这种方法。 ( 2 ) 三相全桥控制【3 1 1 3 7 1 图2 3 二相全挢连接示恿图 两两导通方式： 这种控制方式每一瞬l 、日j 有两个功率管导通，每隔1 6 周期( 6 0 0 电角度) 换向一 次，每次切换一个功率管，在一个周期内每一功率管导通1 2 0 0 电角度，所以又叫1 2 0 0 控制。当导通顺序为v l v 6 一v l v 2 一v 3 v 2 一v 3 v 4 一v 5 v 4 一v 5 v 6 时，对应的导通 相顺序为u v u w v w v u 一、u w v ，其中u v 表示电流从u 相流向v 相， 即当功率管v l 和v 6 导通时，电流从v 1 管流入u 相绕组，再从v 相绕组流出，经 v 6 回到电源，依次类推。它们的合成转矩矢量依次如图2 4 所示，合成转矩为单相 通电时的3 倍。这种导通方式比三相半桥连接换向转矩波动小。 吣! ，汝 哪 t 。 1 | + 7 o 二 t 7 ，、 、h 锄7 j 一、一7 小 蛰 j t j t 一 二2 v 一 翻2 4 绕组两两通电时的合成转矩矢量图 ( 蜀三三导通方式 )i i 硝 t 巳匕 ? 一崭 ( c ) ， ts 最 ?；，靼 ( d ) 上； f 丫 r 珥 卿上、 。 这种控制方式每一瞬日j 均有三只功率管同时通电，每隔6 0 0 换向一次，每个功率 管通电1 8 0 0 ，所以也叫1 8 0 0 控制方式。当导通次序为v 1 v 6 v 2 一v l v 5 v 6 一v 5 v 4 v 6 一v 3 v 5 v 4v 3 v 4 v 2 一v 1 v 3 v 2 ，对应的导通相为u t v w u w t v w t l 一 8 南京理1 ：大学硕卜学位论文网络化光刷直流电机驱动器的设计 v w t u v 1 u w u v l w ，其中l r w 表示当v i 、v 6 、v 2 导通时，电流从v l 流 入u 相绕组，经v 相和w 相绕组( 这时v ，w 两相绕组为并联) 分别从v 6 和、r 2 流出，依次类推。理想情况下，这时流过v 相和w 相绕组的电流分别为流过u 相绕 组的一半，每隔6 0 0 电角度依次导通，其合成转矩矢量依次如图2 5 所示，合成转矩 为单相通电时的1 5 倍。与两两导通方式相比，这种导通方式任一时刻三相都通电， 电机的利用率高，但是换向时存在上下管同时导通的危险，换向时要小心处理。 “ 两两导通和三三导通这两种控制方式，在一个周期内只需要知道转子的六个位 置，通过在空间每隔1 2 0 0 安装一个霍尔元件，并保证霍尔元件对应的旋转永磁体的 极弧宽度超过1 2 0 0 电角度可以很容易得到六个位置的离散信号。两两导通方式与三 三导通方式相比在换向时不存在上下管直通的危险，所以本论文采用两两导通控制方 式，下面针对这种方式进行讨论。 。 2 3 无刷直流电机的数学模型 为梯形分布；暂不考虑电根反应对气隙磁场的影响【2 9 1 。则三相绕组的动态电压平衡方 兰 = 匠；习 兰 + 童兰錾 p 芝 + 医 c ：3 t ， 式( 2 3 1 ) 中：，蜘，为定子绕组相电压( a ) ；毛、审，为定子绕组相电 u + i p + i 铷 mi v 七mi w 2 一mi u ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 三； = i ； 芝 + 工专m 三 - 三m p 芝 + 1 ； c z s 。， 电磁转矩l l 】= 瓦：塑窒! 垦壁型壁量塑垫奎；鱼垫垒尘鱼盘 转子的机械角速度q ( 2 3 5 ) 9 无剧直流电机调速系统原理和总体方案 颂十论丈 在通电期b j ，无刷直流电动机的通电导体处于相l 司的磁场f ，通电绕组的感应电 动势为： e ；_ 一m 。厅( 2 3 6 ) 6 0 1、7 。式( 2 3 6 ) 中：p 为极对数；为总导体数；m 。为主磁通；，l 为电动机转速。 采用两两导通方式时，由2 2 节分析可知，非换向状态时电流从逆变电路上桥臂 一功率管流经无刷直流电机的两相绕组流入下桥臂一功率管，即无刷直流电机感应电 动势l 由两相绕组经全桥逆变器串联组成，所以有： e = 2 e = p j 7 u n m 。一。 ( 2 3 7 ) q = 丝6 0 ( 2 3 8 ) 由式( 2 3 7 ) 和式( 2 3 8 ) ，式( 2 3 5 ) 可转化为： 一一 l = 等= 等。 ( 2 3 9 ) 其中：，。为方波电流的幅值。 从式( 2 3 9 ) 可以看出，方波驱动无刷直流电机的电磁转矩表达式与普通直流电机 相同，其电磁转矩大小与磁通和电流的幅值成正比，由于转子是永磁体，所以控制逆 变器输出方波电流幅值即可控制无刷直流电机的转矩。 2 4 无刷直流电机的脉宽调速原理 采用两两导通方式时，设加在无刷直流电机两端的电压平均值为乩，平均电流 为，。，则相电压为u = 去，对于每相绕组有电压平衡方程式1 ： u ：昙：c , n + l l , ，r z ( 2 4 1 ) 式( 2 4 1 ) 中r ：为通电回路的等效总电阻，包括电机两相绕组和逆变桥路开关管压 降等的等效电阻；e 为反电势常数。 可得出： 肛半飞一筹乃 偿a 动 o - t o _ 其中：( i 1 = 2 ) 一u a 刀空载转速，死：c j d 为平均电磁转矩。 i o 南京理1 = 大学硕上学位论文 网络化无刷直流电机驱动器的嫒计 由式( 2 4 2 ) 可知无刷直流电动机的转速可以通过改变电机两端的平均电压来 调节，采用全桥逆变电路时，通过调节p w m 波的占空比来调节电机两端的平均电压 进行调速，本设计采用全数字式设计，通过软件调节p w m 波占空比。 2 5 无刷直流电机调速系统总体方案 蘑度给定 疗 一 霍尔传盛嚣 豳2 6 无刷直流电机调速系统原理框图 图2 6 为无刷直流电机调速系统总体方案，b l d c m 为方波驱动无刷直流电机， 定子为三相星型连接，转子极对数为l 。转子位置检测采用三个霍尔传感器，空间相 隔1 2 0 0 安装。测速采用增量式光电编码器，它输出三路信号a 、b 和c ，其中a 、b 为相位相差9 0 0 的两列脉冲信号，通过对编码器脉冲的频率或周期进行测量得到电机 转速，同时通过判断两路脉冲哪路先到即可得到转向信息，c 是零位标志信号( 1 个 脉冲全程) 。由2 3 节的分折可知控制方波相电流的幅值即可控制电磁转矩，本方案 中采用两个霍尔电流传感器分别串联在相绕组中测量u 、v 两相的电流，通过在非换 流时刻的关系式，+ 0 + 0 卸得到第三相电流。逆变电路采用三相全控桥，换向方式 采用两两导通方式，通过控制p w m 波的占空比实现凋速。 图2 6 中采用转速、电流双闭环设计，a s r 表示速度调节器，a c r 表示电流调 节器，两个调节器都通过软件实现。在闭环起动过程中，由于转速较小，转速环迅速 达到其限幅值，即电机允许通过的最大电流值，此时转速环相当于开环，只有电流环 起作用，由于电流环亦为闭环系统，输出电流跟随给定电流，所以在起动过程中电机 以最大允许电流值起动，则电机以最大转矩起动，转速迅速以直线规律上升。随着转 速不断上升，转速达到给定转速时，此时电枢电流仍保持最大值，电机转速继续上升， 从而出现超调，转速调节器退饱和，这时转速环起主要作用，调节转速，并使转速稳 定在给定转速。转速、电流双闭环系统既可以起到限流作用，以电机允许的最大电流 值起动，保证电机以最大加速度起动，又可以起到调速作用。 尢刷直流电机调速系统原理和总体方案硕十论文 l 帛b 一【 t 斗牛一上 。 刨一p - 0 。6 旷1 2 0 01 8 0 。2 4 0 。3 0 0 03 6 0 。 图2 7 两两导通方式二相电流理想波形图 两两导通方式是一种强制换流方式，通过判断转子位置即可知道此时刻的通电导 南京理t 人学预 。学位论文 3 网络化无刷直流电机驱动器的硬件设计 3 1 硬件原理框图 针对第二章提出的无刷直流电机调速系统总体方案，以d s p 芯片为核t l , 进行无 刷直流电机驱动器硬件设计，并扩展了网络接口，使之成为具有网络控制功能的无刷 直流电机驱动器。网络化无刷直流电机调速系统硬件组成如图3 1 所示。 。刚熬 强赡 器i 一 j _ d s p 釜罟i 】 i f f l f l 信号调理 嚣。 目目竺! ! 兰型j f ；= ： 刊! ! 兰日磊固光糍嚣 图3 i 网络化无刷直流电机调速系统框图 ( t ) 无刷直流电动机的选择 一 为以后发展需要，所选电机的功率在满足轮式移动机器人的驱动电机功率的基础 上考虑了2 3 倍的裕度，选用瑞士m a x o n 公司的e c 系列无刮直流电机e c4 5 ，定子 绕组为三相星型连接，输出轴接减速比为2 6 ：1 的减速器。 电机参数如下： 标称功率： 额定电压： 空载转速： 空载电流： 堵转转矩： 速度，转矩斜率： 相间电阻： 最大允许转速： 最大连续电流( 5 0 0 0 r p m ) 最大连续转矩( 5 0 0 0 r p m ) ： 转矩常数： 速度常数： 2 5 0 w 4 8 v 6 5 0 0 r p m 2 9 0 m a 3 2 5 0 m n m 2 0 0 r p t r d m n m 1 0 4 0 h m 1 2 0 0 0 r p m 4 7 0 a 3 0 6 m n m 7 1 0 m n m a 1 3 5 r p m v 网络化无刷直流电机驱动器的硬件设计颂七论文 相闯电感：0 4 4 0 m h ( 2 ) 转子位置检测：采用电机内安装的三个开关式霍尔传感器。 ( 3 ) 转速检测：采用增量式光电编码器。 ( 4 ) 控制电路：微处理器是控制电路的核心部分，微处理器必须具备高可靠性和 较强的运算功能，能满足控制算法和数字滤波的需求；具备足够容量的片上存储器， 无需外扩存储器，可减少体积、降低设计难度、提高速度和可靠性；+ 具备完整的电机 控制界面，如脉宽调制模块、a d 模块、捕获单元等，以方便设计节约开发时间；具 备足够的i o h ，可完成各种开关量信号的输入和输出；具备多种可靠性保护措施。 同时还应具备功耗低，性价比高等优点。综合以上因素选择具有完整的电机控制界面 和高速运算能力的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为微处理器。 ( 5 ) 驱动电路：选择三相全桥逆变电路，主要由驱动芯片+ 六个n 沟道m o s 功率 管组成。 将驱动器集成到电机上要求驱动器具有体积小、重量轻、耐冲击等要求，所以将 驱动器分成控制、驱动和电源三部分，分别设计成控制电路板、驱动电路板和电源板， 下面对各扳分别介绍。 3 2 控制板设计 ， 控制板是整个系统的核心。它由d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 及其外围电路、转子位 置信号接口、光电编码器信号接i z l 、c a n 接口和1 0 m b p s 以太网接口等组成。 3 2 1d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是1 r i 公司推出的一种基于t m s 3 2 0 c 2 x x 内核的3 2 位定点数字信 号处理器。器件上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提 供了良好的平台。其主要特点如下f 1 0 l 【1 2 1 ： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 工艺制造，内核电压为1 8 v ，芯片使用3 3 v 电源供 电，f l a s h 编程电压也为3 3 v ，从而使芯片的功耗更低： ( 2 ) 3 2 位的运算精度，系统的处理能力达1 5 0 m i p s ，程序、数据和i o 采用了统 一编址模式； ( 3 ) 采用可调整的哈佛总线结构，可选择工作在冯诺依曼模式。c p u 内的寄存器 包含独立的寄存器空间，并不映射到数据存储空间，而将所有的外设部映射到了数据 存储空间； ( 4 ) 片内具有两个1 6 x 1 6m a c 单元，可执行1 6 位x 1 6 位和3 2 位x 3 2 位的乘法及 累加操作，可处理更多的运算； ( 5 ) 片上具有多达1 2 8 k b 的f l a s h 、2 k b 的o t pr o m 、1 8 k b 的s a r a m ，所以 1 4 堕室墨三查兰竺兰兰丝笙塞堕竺些垄型垒堕皇塑墨苎堡竺丝堡 本设计没有外扩存储器； ( 6 ) 片上具有4 k b 的引导r o m ，用于存放引导程序和一些数学表； ( 7 ) 具有1 2 8 位的密钥，可有效保护f l a s h o t pr o m 和l 0 l 1s a r a m 中的代码； ( 8 ) 片上具有两个事件管理器、串行通信口、串行外设口、增强型c a n 模块、多 通道缓冲串行口、1 2 位精度的模拟数字转换单元等外设模块，有5 6 个可编程功能复 用通用引脚； 一 ， ( 9 ) 源代码与x 2 4 x 及x 2 4 x x 兼容，支持a n s ic ，c + + 语言编程，具有系统b i o s ， 可采用嵌入式操作系统。 ， 3 2 2d s p 芯片外围电路 3 2 2 1 电源模块 。 ，一至柑淋 + o 步卜寸fp l ”一 酬1 盯ll 了：p 一1：吖：t 盯i：，砰 v 唑l 可厂补 v ” ：i 。：b 哥 l 讲卜瑚一 图3 2 1 两电源的上电手仃掉电顺序图 说明i 帅l ： 、 1 8 v 输入应该在3 3 v 输入达到2 5 v 时才上升。 复位信号芴西应该保持为低( 有效电平) 直到电源和时钟稳定。 3 3 v 电源下降到一定值时，j 函西为低电平。 在1 8 v 电源达到1 5 v 之前至少保持复位信号为低电平8 斗s ，这样可以使f l a s h 模块在电源斜坡下降前完全复位。 除了满足加电次序外，所选择的电源芯片还要满足功率要求，控制板上3 3 电压 主要供给t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 、m a x 7 0 8 s 、m a x 3 2 3 2 、r 阻8 0 1 9 a s 和7 4 l v c 4 2 4 5 。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 在系统时钟为1 5 0 m h z 且所有模块都工作时需要1 8 v 提供的最大电流 嗣络化无刷直流电机驱动器的硬件设计硕士论文 为3 0 0 m a ，需要3 3 v 提供最大电流为8 0 m a ，m a x 7 0 8 s 的电源最大工作电流为 1 0 0 i _ t a ，m a x 3 2 3 2 为3 0 0 “a ，r t l 8 0 1 9 a s 为6 0 m a 左右，7 4 l v c 4 2 4 5 为1 0 0 m a 。 所以板上3 3 v 电源需提供的最大电流为2 5 0 m a 左右，1 8 v 电源需提供的最大电流 在3 0 0 m a 左右。 本设计采用t p s 7 6 7 d 0 1 8 ，为3 3 v 和1 8 v 双电源输出低压胯稳压芯片。输出最 大电流为l a ，在输出电流为l a 时电压降典型值为3 5 0 m v 。产生的复位信号在上电 时保持2 0 0 m s 有效，在输出电压压降大于输出电压的5 时，复位信号有效，所以该 芯片的功率和产生的复位信号满足d s p 对复位信号的要求。图3 2 2 是该芯片及其外 围元件的连接图，图中d s p - 1 8 v 和d s p j 3 v 供给d s p 芯片，x r s t 作为d s p 的 复位信号。 。 t p s 7 6 7 1 ) 3 1 8 图3 2 2 电源芯片与外围元器f ， 的迕接图 3 2 2 2 时钟和j t a g 接口 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片上有基于锁相环的时钟模块，为芯片及各种外设提供时钟信 号。外部面疆厕引脚用来选择系统的时钟源。当 x p l l d i s 为低电平时，系统采用 外部时钟或晶振直接作为系统时钟，当历瓦西西为高电平时，外部时钟经过锁相环 倍频后，为系统提供时钟，通过改变锁相环控制寄存器来选择锁相环的工作模式和倍 频系数。 如图3 2 3 所示，本系统使用内部振荡器，在x 1 x c l k i n 和x 2 两个引脚之间连 接一个3 0 m 的晶振，并接上两个2 2 p f 左右的起振电容。通过选择倍频系数，频率范 围在1 5 m 1 5 0 m 之间可选。图中r 1 0 为下拉电阻，起抗干扰作用。 j t a g ( j o i n t t e s t a c t i o n o r o u p ) 是- - 种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试 及对系统仿真、调试，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的j t a g 接口如图3 2 3 所示。 塑塞里三查兰堡主兰竺丝苎 塑竺些歪型皇堕皇垫墨塑墨盟堡兰一 h e d 矾 l 。g g t t m $ 茧 t m d o t 翥 e m u o 二堂二美日 。? = 翌二拭i i 一。 圈3 2 3d s p 时钟和j t a g 接口图 3 22 3 复位模块 t p s 7 6 7 d 3 1 8 的低电平有效复位输出信号可以作为t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的复位输 入。此外采用了电源监控芯片m a x 7 0 8 s 来实现手动复位和3 3 v ，1 8 v 电源监控作 用。 m a x 7 0 8 是一种微处理器电源监控芯片，可同时输出高电平有效和低电平有效两 个复位信号。其管脚说明如表3 2 1 所示。所选用的型号m a x 7 0 8 s 的电源复位阈值 为2 9 3 v ，当电源电压低于2 9 3 v 时复位信号有效。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 复位信号是低电平 有效的，扩展的以太网控制器r t l 8 0 1 9 a s 的复位信号是高电平有效的，所以 心7 0 8 s 的低有效复位输出接t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的复位信号口，高有效复位输出接 r t l ，8 0 1 9 a s 的复位信号口。 疏墅型 噬c r i ：s e f g # d 胛 p np f o i 随 图3 2 4m a x 7 0 8 s 连接图 图3 2 一d s e 一阳口为3 3 v ，p f i 引脚用于监控1 8 v 电源，通过选择r 6 和r 7 ” 嘲络化无刷直流电机驱动器的硬件设计 硕士论文 的阻值可以选择报警阈值。p f o 连接t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 不可屏蔽中断x n m i 输入端， 当1 8 v 电源低于阈值时，产生不可屏蔽中断信号。 表3 2 1 管脚说明 名称 功能 手动复位输入低有效，当m r 拉至0 6 v 时触发一个复位脉冲， ，m r 朱用时接上拉电阻 v c c 电源输入 g n d 电源地 p 兀电源失效比较器输入，未用时接地 电源失效比较器输出，低有效当引脚p f i 上的电压低于1 2 5 v 时， ，p f o p f o 输出低电平 n c 未连接 低有效复位输出，_ 当v c c 低于阈值电平或m r 保持为低时，r e s e t ，r e s e t 输出低电平在复位条件结柬后，r e s e t 信号将继续保待2 0 0 m s 。 高有效复位输出，当v c c 低于阈值电平或，m r 保持为低时，r e s e t r e s e t 输出高电平在复位条件结束后，r e s e t 信号将继续保持2 0 0 m s 。 3 2 2 4 上电引导方式选择 图3 2 5 上电引导方式选择连线图 本设计用到表3 2 2 所示的两种引导方式。 表3 2 2 上电引导方式( i 表示高电平0 表示低电平表示任意值) s c i t x d am d x as p i s t e as p i c l k 说明 1跳到f l a s h 地址0 x 3 f 7 f f 6 这边存放稃序调转指令 0 olo 跳到h 0s a r a m 地址o x 3 f 8 0 0 3 2 2 5r s 2 3 2 接口 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 内部有两个s c i 接口，外部只需连接一个电平转换器实现传输数 据的电平转换。选用m a x i m 公司的m a x 3 2 3 2 ，它是3 3 v 供电的，可以和d s p 直接 连接。 1 8 南京理工大学硕b 学位论文 图3 2 6r s 2 3 2 接口连线图一 图3 2 6 中c 1 、c 2 、c 3 、c a 的取值可参考m a x 3 2 3 2 的芯片手册，这里选为o 1 l x f 。 3 2 3 转子位置信号接口 根据前面讲述的三相无刷直流电动机控制原理，为了保证得到恒定的最大转矩， 就必须要不断地对三相无刷直流电动机进行换向，掌握好恰当的换向时刻，可以减小 转矩的波动，因此位置检测是非常重要的。 位霞传感器主要有磁敏式、电磁式和光电式位置传感器。霍尔位置传感器是磁敏 式位置传感器的一种。它是一种半导体器件，利用霍尔效应制成。一般采用开关式霍 尔传感器，当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出高电平，反之为低电 平。对于采用两相导通控制方式，y 型连接的无刷直流电机，三个霍尔传感器在空问 彼此相隔1 2 0 。电角度。与霍尔传感器对应的永磁体转子的极弧宽度超过1 2 0 0 电角度， 这样，当转子旋转时，三个霍尔传感器便交替输出三个宽