（电机与电器专业论文）多通道低速同步电机专用定位控制系统研究.pdf

塑坚盔堂堡主兰生丝塞，堡 a b s t r a c t h lo r d e rt os u b s t i t u t ea u t o m a t i cc o n t r o lf o rt r a d i t i o n a lm r n t l a lo p e r a t i o n , t h e a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mw l f i c hi sa p p l i e db yc c n a i ns h i pi si n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s am e c h a n i s mo fe c c e n t r i cw h e e ld r i v e nb yl o w s p e e ds y n c h r o n o u sm o t o rh e r ei s e m p l o y e dt os i m u l a t et h er e a ld e v i c eo nt h es h i p t h ec i r c u i ta n ds o f t w a r ed e s i g no f e c c e n t r i cw h e e lc o n t r o l l e ri si m p l e m e n t e d ，a n ds oi st h ep r i n c i p l ed e s i g no ft h e1 2 c o m b i n a t i o nc o n t r o ls y s t e m w ea d o p ts p m ( s m a r tp o w e rm o d u l e ) a st h ek e r n e lo ft h ee c c e n t r i cw h e e l c o n t r o l l e rc i r c u i t , a n di n t r o d u c ed e t e c t i o nc i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i t ，e t c t h es o f t w a r e o ft h ee c c e n m cw h e c lc o n t r o l l e rc a nb ed i v i d e di n t ot w os e c t i o n sw h i c hi n c l u d e e c c e n t r i cw h e e l sm o t i o nc o n t r o ls e c t i o na n de c c e n t r i cw h e e l sp o s i t i o ne s t i m a t i o n s e c t i o n t h em o t i o nc o n t r o ls e c t i o nc o n t r o l st h eo p e r a t i o ns t a t u so ft h ee c c e n t r i c w h e e l ，s u c ha sp o s i t i v er o t a t i o n , n e g a t i v er o t a t i o na n ds t a n ds t i l l ，a n dt h ep o s i t i o n e s t i m a t i o ns e c t i o nd i s p l a y st h ep r e s e n tp o s i t i o no ft h ee c c e n t r i cw h e e l p o s i t i o n e s t i m a t i o np r o g r a mi sb a s e do nt h ep o s i t i o ne s t i m a t i o np r i n c i p l ew h i c hi san o v e l s e n s o r l e s se c c e n t r i cw h e e l sp o s i t i o ne s t i m a t i o nm e t h o d t h em e t h o da r i s e sf r o mt h e r o t a t i n ge c c e n t r i cw h e e l sc h a r a c t e r i s t i c s ：u n d e rn o r m a lc o n d i t i o n s ，e c c e n t r i cw h e e l m a k e sc i r c u l a rm o t i o na tt h eu n i f o r mv e l o c i t y , m e a n w h i l et h ep h a s ed i f f e r e n c e b e t w e e np h a s ev o l t a g ea n dp h a s ec u r r e n tv a r i e sw i t ht h ep o s i t i o no fe c c e n t r i cw h e e l t h ep r o p o s e dd e s i g ni si m p l e m e n t e da n dv 甜f i e db yt h ee x p e r i m e n t ，a n dt h er e s u l ti s a p p l i c a b l e b a s e do ns i n g l ee c c e n t r i cw h e e lc o n t r o l l e r , a1 2c o m b i n a t i o nc o n t r o ls y s t e m m a d eu po f1 2e c c e n t r i cw h e e lm e c h a n i s m si sd i s c u s s e d t h i ss y s t e ma m p l o y sa t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 am i c r op r o c e s s o rt oc o n t r o l1 2e c c e n t r i cw h e e lm e c h a n i s m s s i m u l t a n e o u s l yi no r d e rt os o l v et h ep r o b l e ma b o u tt h es h o r t a g eo fd s p i op o r t s ， s p ic i r c u i ti su s e dt o 既p a n ds o m ep o r t sa n dc d 4 0 5 3c h i pc i r c u i ti sa p p l i e df o rd s p c a p t u r eu n i t se x p a n s i o n , a n dd e t a i l e dc o m p o n e n ti m p l e m e n t a t i o ni sd i s c u s s e d t o s e t u pa1 2c o m b i n a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，t h eo p t i m a ll o g i cd e s i g no f c h i pg a l l 6 v 8 i s c o m p l e t e ds oa st od e c r e a s et h ec o m p l e x i t yo f t h es y s t e r ns o f t w a r ed e s i g n k e y w o r d ：l o w s p e e ds y n c h r o n o u sm o t o r ；p o s i t i o ne s t i m a t i o n ；s p m ；d s p ；g a l i i 浙江大学硕七学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 有一船用设备，使用过程中需要人工拉动握把来控制设备上的一个制止器的 打开与关闭。然而采用手动操作不仅效率低下，且存在一定的危险性。因此设想 开发一套自动控制系统取代人工操作。 1 2 试验装置介绍 1 试验装置以一强力弹簧牵引的横杆模拟船用设备上的握把。握把下方加装 一凸轮( 试验中，由于凸轮加工上的困难，以一偏心轮代替凸轮) ，在弹簧拉动 作用下，横杆时刻紧压偏心轮。当偏心轮克服弹簧拉力转动时，将周期的抬升横 杆。偏心轮旋转的前半周横杆抬升，偏心轮轮旋转的后半周横杆回落。当横杆被 抬升到最高点时，制止器打开；当横杆在最低位置时，制止器完全关闭。试验装 置实物如图卜1 。 图1 - 1 偏心轮机构 试验使用一带减速箱的永磁低速同步电机来拖动偏心轮。横杆的运动由偏心 轮带动，偏心轮的转动又由低速同步电机拖动。对偏心轮的自动控制最终归结为 对低速电机的自动控制。试验所用的低速同步电机有其特殊性，以下对永磁低速 浙江大学硕七学位论文 绪论 同步电机做详细介绍1 1 2 1n 1 “1 。 永磁低速同步电机是近2 0 年得到迅猛的发展的一种微特电机，广泛的应用于 自动化装置和小功率拖动领域。电机利用定转子齿槽效应引起的气隙磁导变化而 工作的。电机的同步转速由下式决定： 6 0 厂 以；一 z 2 毛= 毛p 式中：f 为电源频率( h z ) ，z ：为转子小齿数，z 。为定子小齿数，p 为定子绕组 极对数，式中取“+ ”时转子转向与定子旋转磁场同向，取“”时转子转向与定 子旋转磁场反向。 永磁低速同步电机带负载惯量的能力随转速增加而降低。最低转速可以做到 6 0 r m i n 。虽然从理论上来讲转速完全可以实现转速比6 0 r m i n 更低但是由于 定转子齿数增多后齿宽很窄，受制造工艺的限制使得电机制造难以实现。但是 可以配以不同减速比的齿轮箱从而得到甚低转速和甚大转矩的效果。 电动机结构为封闭式，电机的主要零部件由压铸件端盖、转子铁心组、定子 铁心组件三大部件组成。定子组件是由定子、铁心和定子绕组导磁机壳等组成， 转子由非导磁材料轴、转子铁心与钕铁硼磁钢及非导磁拧紧螺帽等组成。电机的 典型结构1 5 】6 1 如图卜2 。 非导磁轴导岱机壳定子绕蜘转子铁心定严铁心 非导磴轴承敏铁硎硪钢皿铸智 端盏 图卜2 用此低速同步电机典型结构 永磁低速同步电机具有以下特点” 7 1 ： 永磁低速同步电机可靠性高、使用寿命长、运行时振动小、噪声低、转 速稳定。电机能在2 0m s 内瞬时起停、正反转，且在此过程中输入功 2 浙江大学硕十学位论文 绪论 率和输入电流变化很小，对电源无冲击，大大简化了对控制电路的要求。 永磁低速同步电机直接输出低转速和大转矩，配以减速齿轮箱后，可获 得更大的转矩和更低的转速。最终输出转矩应为： k 咖2 l 。m 。g r 。 式中：k 。为齿轮箱输出转矩，乙。为电机输出转矩，g r 为齿轮箱减 速比，为齿轮箱效率。当g r = 3 5 时，取8 8 ；g r 2 9 2 5 时，取7 7 ；g r 2 2 7 1 2 5 时，取6 8 。 若在永磁低速同步电机一相或二相绕组上馈以直流电源，可获得较大的 自锁转矩。尤其是当两相绕组同时馈以直流电源时，当其绕组中直流激 磁电流数据和电机规定的工作电流一致时，可得到和电机最大转矩数值 相当的自锁转矩。这种状态可以用做刹车或“电磁离台器”的使用系统 所采用。当电机绕组不馈直流电压时也存在剩余自锁转矩，其值大概为 直流励磁时自锁转矩的1 3 0 。这种状态可以用于对自锁转矩值要求不 高的状况。 图卜3 绕组馈以直流电增大白锁转矩 2 2 试验选用配以减速箱的低速同步电机，减速齿轮箱的传动比为5 0 ：1 。低速 电机和减速齿轮箱构成高转矩、低转速齿轮减速电机。该低速同步电机的定子为 二相正交绕组，最简单的控制方式如图1 - 4 ： 3 浙江大学硕士学位论文 图1 - 4 速同步电机的r c 移相控制电路 图1 - 4 中r 1 、c 1 构成了移相电路，当控制开关s 1 连接“逆”触点时，相电压 u b 连接正弦交流市电2 2 0 y 5 0 h z ，u a 超前u b 相位大约以角度，同步电机逆时针 ，厶 旋转；当控制开关s 1 连接“顺”触点时，相电压u a 连接市电2 2 0 v 5 0 h z ，u b 超前 u a 相位大约7 以角度，同步电机顺时针旋转。厂家提供了在此控制方式下的的电 ， 机具体参数如表卜1 。 表卜1 低速同步电机参数： 电压电流频率 2 2 0 v0 0 7 5 a5 0 h z 转速 转矩电容 电阻 6 0r r a i n3 0 0 m n m0 4 7u f 5 0 0 v1 0 k ，8 w 需要说明的是，本系统中，需要控制低速电机的正转、反转、定位自锁保持， 由于r c 移相电路不能满足控制要求，实际上设计选用二相正交的逆变电路进行控 制。 一 1 3 文章开展的工作 1 设计以仙童( f a i r c h i l d ) 公司生产的s p m 模块为核心的电机变频驱动电路、 位置信号检测电路、l e d 显示电路。 4 浙江大学硕士学位论文绪论 2 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为平台开发软件。完成偏心轮正转、反转、以及定 位自锁保持程序。按键控制偏心轮正转、反转、定位自锁保持三状态的切换； 3 针对试验装置的特殊性、偏心轮运动的周期往复性，提出无位置传感器检 测偏心轮位置的方法，并详细阐述了此方法的原理。设计偏心轮位置估算、l e d 显示程序。 4 完成1 2 联控系统的设计方案规划。1 2 联控系统仅用一片d s p 控制1 2 套偏心 轮机构。硬件上，利用d s p 的s p i 通信模块扩展d s p 有限的i o 端口；使用c d 4 0 5 3 芯片扩展d s p 的捕捉端口；设计g a l 芯片的逻辑来控制偏心轮的正传、反转、定位 自锁保持以及实现故障保护。软件上，实现d s p 以扫描的方式完成对1 2 套偏心轮 机构位置信号的捕获并设计串行通信的流程。1 2 联控系统的最终功能如下： 一片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 可控制十二套偏心轮机构，实现每套偏心机构的独 立运行，具有正转、反转、定位自锁保持的功能。 较为准确的监测转动中的十二个偏心轮的即时位置。 1 2 套偏心轮机构的控制信息反馈，将通过通讯接口与上位系统联系。 当低速同步电机发生失步时，及时提出错误报告。 1 4 论文的章节安排 第一章在阐明了课题的来源与研究的意义之后，对特殊的试验装置做详细介 绍。在此基础上强调开发1 2 联控系统的主要任务。 第二章介绍了偏心轮机构控制器的硬件设计全过程。详细介绍了s p m 模块 f s a m i o s h 6 0 a 、通用逻辑器件g a l l 6 v 8 的性能与参数。列举了硬件的各个功能单元 的具体工作过程。 第三章介绍了偏心轮机构的控制软件及试验结果分析。软件包括主程序、各 个中断服务程序以及子程序的实现流程。软件按功能划分为两个部分：偏心轮运 动控制程序和位置估算及显示程序。运动控制程序控制偏心轮的正转、反转、定 位自锁保持。位置估算及显示程序用作无位置传感器估算偏心轮的位置。 第四章在理论上规划了基于1 2 套偏心轮机构的1 2 联控系统的实现模式。设计 5 浙江大学硕十学位论文绪论 t d s p 的s p i 端口扩展电路、用于d s p 捕捉口扩展的c d 4 0 5 3 电路、用于串行通信的 串行接口电路、用于实现偏心轮正转、反转以及定位自锁保持的g a l 逻辑电路。 第五章对整个设计工作做出总结。提出设计的不足，对1 2 联控系统的下一步 设计提出改进意见及展望。 6 浙江大学硕士学位论文偏心轮机构控制器的硬件设计 第二章偏心轮机构控制器的硬件设计 2 1 概述 偏心轮机构由压力横杆、偏心轮和低速同步电机三部分构成，其中拖动设备 低速同步电机是电气控制的对象。设计的偏心轮机构控制器硬件电路按照功能来 划分，主要包括三部分：低速同步电机控制器、检测电路和显示电路。 图2 1 硬件电路总体结构图 低速同步电机控制器：主控芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 输出的控制信号经过光电耦 合隔离后送入g a l ( 通用逻辑阵列) 电路。g a l 器件将故障信号和d s p 输出的控制 信号进行逻辑运算后输出。输出的信号控制s p m ( 智能功率模块) 中的i g b t 的导 通或关断，从而控制低速同步电机的运行。低速电机的运行状态决定偏心轮的正 转、反转或定位自锁保持。 检测电路：检测电路包括偏心轮位置信号检测电路和故障信号检测电路。偏 心轮位置信号检测电路是无位置传感器估算旋转偏心轮位置的硬件基础。采用无 位置传感器的方式是由于：最终开发的自动控制系统为1 2 联控系统，且又受恶劣 环境和安装空间的限制，不适合安装其他独立的位置检测元件。故障信号检测电 7 浙江大学硕十学位论文偏心轮机构控制器的硬件设计 路监测在异常的状况下，低速同步电机绕组上的电压的变化。 显示电路：显示电路与d s p 的s p i ( 串行外设接口) 接口相连。d s p 以s p i 通 信的方式通过四个七段数码管将偏心轮旋转的角位置显示出来。 2 2 光电耦合隔离电路设计嘲 光电耦合是以光信号为媒介来实现电信号的耦合和传递的，因其抗干扰能力 强而得到广泛应用。 光电耦合器将发光元件( 发光二极管) 和光敏元件( 光电三极管) 相互绝缘 地组合在一起。发光元件为输入回路，它将电能转换为光能；光敏元件为输出回 路，它再将光能转换为电能，实现了两部分电路的电气隔离，从而能有效抑制干 扰。 在系统电路中，d s p 输出的p w m 信号与电机驱动电路之间的隔离采用6 n 1 3 7 高 速光耦。其他d s p 输出信号与驱动电路之间的隔离采用最常用的t l p 5 2 1 系列光耦。 分析t l p 5 2 1 系列光耦的传输特性，对于频率低- 3 q ( t 。+ t 。厅) = 1 6 6 k h z 的信 号( t 。2t o 仃= 3 ，巧) ，它都应该能够很好的传输。但是在试验中发现，在输 入频率为i o k h z 的p w i d 信号时，经光耦传输过来的信号会发生严重畸变。这致使 s 附中的i g b t 处于线性区的时间加长，造成发热现象而影响性能。这是由于t l p 5 2 1 系列光耦的速度性能不够高，以及外围电路中存在寄生电容的缘故造成的。故p w m 信号与驱动电路之间的隔离采用高速光耦。 p l i 8f 隅 v m 犁互2 芗旺 一l 一j 6 3 广一 _ _ _ 一 图2 - 2 高速光耦6 n 1 3 7 电路图 8 浙江大学硕十学位论文偏心轮机构控制器的硬件设计 + 5 图2 - 3 光耦t l p 5 2 1 - 4 电路图 2 3 通用逻辑阵列器件电路设计 2 3 1g a l 器件的介绍。 通用阵列逻辑器件g h l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ) 是美国l a t t i c e 公司在2 0 世纪 8 0 年代推出的一种可电改写、可重复编程、可加密的新型可编程逻辑器件。它是 在p a l 器件基础上发展起来的低密度p l d ( 也称小容量p l d ) 。其操作灵活、使用方 便、开发迅速，广泛应用在电子设计系统中。 g a l 器件有很多优点，其电可擦除工艺使编程单元和逻辑配置可重编程；高 性能的e c m o s i 艺使器件的功耗低( 最大运行功率为4 5m a ) ，速度高( 存取速度为 1 5 2 5n s ) ；输出逻辑宏单元的配置使复杂逻辑设计具有最大的灵活性，可以替 代任何p a l 器件，完全兼容；具有保密单元，可以保护电路成果。此外，g a l 器件 还有输出寄存器的预加载功能及锁定保护、输入缓冲和加电复位等技术特性。 硬件设计选用型号为g a l l 6 v 8 的g a l 器件。g a l l 6 v 8 为与门阵列可编程而或门 阵列固定的可编程逻辑器件。它内部由缓冲器、与门阵列、8 个输出逻辑宏单元 o l m c ( 或门阵列包含其中) 组成。其中缓冲器包括8 个输人缓冲器、8 个输出缓冲 器，8 个输出反馈输人缓冲器；与门阵列由8 8 与门组成，共形成6 4 个乘积项。 其内部逻辑图如下： 9 浙江大学硕士学位论文偏心轮机构控制器的硬件设计 图2 4g a l l 6 v 8 内部逻辑图 2 3 2g a l l 6 v 8 的逻辑设计 1 编写g a l 设计源程序。 g a l 器件的逻辑功能描述应用f m ( f a s tm a p ) 语言，它是一种原理图描述 语言。原理图描述是一种直观简便的方法，它可以将现有的小规模集成电路实现 1 0 浙江大学硕士学位论文偏心轮机构控制器的硬件设计 的功能直接用g a l 器件来实现，而不必去将现有的电路用语言来描述。在调用f m 软件前，首先要根据f m 的语法格式和逻辑设计方案用文本编辑6 a l 源程序。源程 序中包括器件型号、实现的功能、设计者姓名和设计日期、电子标签、g a l g i 脚 表以及逻辑表达式。 + 5 v i np b 0 2 i np b li i np b 24 u p b 35 i np w h l 06 i np 、儿7 、r o f8 n l t l t9 g n dl o 图2 5g a l l 6 v 8 电路图 w h 、1 l 圮 i z u h f 见 g a l l 6 v 8 各个引脚的功能定义与图2 5 中的标示一致： i n _ p b 0 、i n _ p b l 、i n p b 2 、i n p b 3 、i n p w m 0 、i n p w i d l 为输入的六路控 制信号。 w h 、w l 、v h 、v l 、u h 、u l 为g a l 器件的输出信号。 v o f 为智能功率模块的保护信号。 f a u l t 为检测到的电机异常运行时的信号。 g a l 芯片引脚的组合逻辑关系式如下，并以输出信号w h w l 为例，说明逻辑关 系的意义。 w h = ( i n p b 0 + i n p b 2 + v o f + f a u l t ) w l2 ( i n p b 2 + i n p b 0 + v o f + f a u l t ) v h = ( i n p b l + i n p b 3 + v o f + f a u l t ) v l2 ( 聃 p b 3 + 烈p b l + v o f + f a u l t ) 芽车f乒l； qqq寸q岭田他 w m b 幻d d d n k 0p_氨ijt口 些晓 d n 毗 n n n n 洲 上ui 毗 浙江大学硕士学位论文偏心轮机构控制器的硬件设计 u h2 ( i n p w m o + i n p w m l + v o f + f a u l t ) u l = ( i n p w m l + i n _ p w m o + v o f + f a u l t ) s p m 模块的输入控制信号为低电平有效，w h 、w l 信号分别控制s p m 中的i g b t 桥电路中上、下桥臂i g b t 的导通与关断( 图2 8 ) 。i n p b o - 与i n p b 2 做或运算， 保证了上、下桥臂的i g b t 不会共态导通。此外，又添加了v o f 、f a u l t 信号 的或运算，确保检测到故障时g a l 输出全部为高电平，起到保护作用。 ( 正常运 行时，保护信号v o f 或f a u l t 输出高电平；故障时，保护信号v o f 或f a u l t 输出低电 平) 。 2 按照以上分析编写完成g a l 源程序后，调用软件f m e x e ，建立文本文件 ( l s t 文件) ，熔丝图文件( p l t 文件) ，标准装载文件( j e d 文件) 。 3 用编程器将标准装载文件( j e d 文件) 烧写进g a l 器件，完成硬件编程。g a l 芯片的硬件编程使用r f - 8 1 0 智能编程器，编程器采用y 4 0 脚零拔插力z i f 的万能 烧写座，可以支持双列直插封装的d i p 4 d i p 4 0 脚的集成电路芯片。放置g a l 芯片 时要注意，芯片的缺口方向要和夹紧手柄方向一致，且芯片一律靠和夹紧手柄相 反的方向放置，否则会烧写失败或者损毁芯片。 2 4s p m 驱动器电路设计n 帕嘲b 盯 2 4 1s p m 模块f s a m i o s h 6 0 a 介绍0 ” 驱动电路设计选用仙童( f a i r c h i l d ) 公司生产的智能功率模块s p m ( s m a r t p o w e rm o d u l e s ) 。模块型号按照直流母线电压和电机的而定电流选取，并流有一 定裕量。线路设计中，直流母线电压为3 0 0 v 左右，电机的额定电流为0 0 7 5 a 。选 择额定电压为6 0 0 v 、电流为i o a 的的模块，型号为f s a m l 0 s h 6 0 a 。这里选用i o a 的 模块，可以安全驱动额定电流为2 a 左右的电机，也适用于同步电机额定电流在2 a 以下的其他类似系统。智能功率模块由高速、低功耗的i g b t 芯片和优选的门极 驱动及保护电路构成，并采用了新的隔离封装技术。以下对s p m 的部分引脚和主 要单元做说明。 1 2 浙江大学硕十学位论文偏心轮机构控制器的硬件设计 2 2 ) v j t 2 ”v i ”h i 2 0 ) i n 岍h l 2 3 ) v j 18 ) v m l ”) v h 1 1 1 6 ) c o m ， 1 5 ) t n w m 1 9 ) v l t 13 ) v k u 1 2jv 。c j u h ， ”】i n i u h 1 4 ) v 韶。 1 0 ) r 托 ( g l c k ( 8 ) c ，0 8 1 7 v 1 6 ) c o m “： 5 ) i n u i n 帆 ( 3ji n u 2 ) c o m e l l i ”v 。m u 图2 - 6f s a m i o s h 6 0 a 的引脚分布 ( 2 9 ) n _ ( 2 7 ) n y 2 8 ) n u 1 2 5 ) r t ( 2 4 iv 1 部分引脚功能 s p m 模块f s a m l 0 s h 6 0 a 含有提供栅极驱动和带欠电压检测( 门限电平是1 2 v ) 和保护的控制i c s 。低端低压i c ( l v i c ) 用作驱动逆变器低端的三只s e n s e - i g b t s 和提供短路电流保护。三块( u 、v 和w ) 高端高压i c s ( h v i c s ) 用作驱动高端的三只 1 3 浙江大学硕士学位论文偏心轮机构控制器的硬件设计 普通i g b t s 。脚1 ( l v l c 上) 和脚2 l 、脚1 7 、脚1 2 ( - - 块h v i c s 上) 链接1 5 v 的电 源电压v c c 。在每一块h v i c 中，脚v b ( u 、v 、w ) 与v c c ( u 、v 、w ) 之间的快速恢 复二极管d b s 及脚v b ( u 、v 、w ) 与脚v s ( u 、v 、) 之间外接的电容c b s 可组成自 举电路。上桥的三个i g b t s 的3 0 0 v 集电极电压由脚3 2 输入。模块的脚2 9 、脚3 0 和 脚3 l 为电机提供三相( u 、v 和l r ) 驱动信号。脚7 ( v p o ) 为故障输出脚8 ( c f o d ) 的 外接电容c f o d 可用于设定故障输出持续时间。下桥的三只s e n s e i g b t s 发射极的 外部连接电阻r s 为电流感测元件。 2 重要功能单元 控制电源欠压锁定( o r ) f s a m l o s h 6 0 a 的内部控制电路由外接的1 5 v 直流电源供电。只要此电源电压 下降到指定的欠压断开阈值( u v ) 以下，s p m 就会关断，同时产生一个故障输出 信号。当电源电压超过欠压复位闽值( u y r ) 时，故障复位信号会消失，恢复正常 运行状态。 短路保护( s c ) 当负载发生短路或系统控制器出现故障而使s p m 的上、下臂同时导通。短路 保护电流将使s p m 关断。在保护电路软关断s p m 的同时，在故障输出信号端将会输 出一的固定宽度( t m o ) 的低电平脉冲信号。 温度保护( f i r ) f s a m i o s h 6 0 a 内置了个5 0 k q ( 2 5 ) 的n t c 热敏电阻。s p m 的脚2 5 ( r t h ) 输出可用做温度监测。热敏电阻装在靠近i g b t 芯片的绝缘基板上。若基板的温度 超过了过热断开阈值，s p m 内部的保护电路将封锁门极驱动信号而不响应控制输 入信号。当温度下降到过热复位阈值以下且控制输入信号为断态电平时，芯片可 恢复工作，同时故障复位信号也将消失，从而使系统在控制信号下一个通态电平 到来时恢复正常工作。 1 4 匝霉蛞锰督嚣丑窖。9ho_【善sd宁n圈 基魁芒略g椎磊裂窭暴习章0雀 钗秘-珥扑中匿扑kh崧 浙江大学硕七学位论文偏心轮机构控制器的硬件设计 2 4 2 低速电机的控制方式2 1 n 3 1 ”1 伽 本系统采用三相模块电路来实现二相正交输出，结构紧凑( 单一模块) ，只 需要单个直流主电源。其中的0 点，是利用上下桥对称高频开关构造的虚拟中点。 控制中之所以选择2 5 h z 的基波，一是电机的工作速度要求，二是本电路拓扑结构 使得电机绕组上的电压最大值只有直流主回路电压的一半，利用基本的v f 恒定 关系，减低频率，可以保持力矩能力不降低。以下内容将详细介绍s p m 模块中的 各个i g b t 工作状况与两相低速同步电机的驱动方式。 s m a r tp o w e rm o d u e 一一 图2 - 8i g b t 桥式控制电路图 - 1 i 1 j 1 电机的正反转控制 永磁低速同步电机为两相正交电机，当在两相绕组中加上两相正交的方波电 压，电机可以正常运转。试验中，在u h 和u l 中输入两路互补的频率为i o k h z 的对 称p w m 信号：在w h 、w l 、v h 、v l 中，输入基波频率为2 5 h z 的信号。因为u h 和u l 高 频对称地轮流导通，o 点平均电压为输入电压的二分之一。设计w h 、v h 、w l 、v l 的导通时序，就可以为电机绕组l l 、l 2 提供两相正交的方波电压，驱动电机旋转。 只要改变l l 、l 2 上电压的相序，就可以改变电机转向。改变基波的频率，可以改 变转速。理想情况下，电机的正、反转时两相的电压波形大致如下： 1 6 浙江大学硕十学位论文偏心轮机构控制器的硬件设计 l - 唧叫! 砌舢删 。：掣叫哪向1 掣叫唧 l l唧州f 1 唧砌咖掣唧砌 呻唧唧哪p 岬唧哪哪p 图2 1 0 电机反转时绕组电压波形 2 偏心轮的定位自锁保持 因为偏心轮承受着横杆的强大压力，实现偏心轮轮转到任意位置都可以立即 定位自锁保持，需要低速电机输出大的转矩保证偏心轮有足够大的定位保持力 矩。绪论中介绍低速同步电机时提到，在电机两相馈入直流电可以产生大的自锁 转矩。然而当应用s p i d 的二相正交逆变控制策略下，不适合使用此方法实现偏心 轮的定位自锁保持。假设u l 、州、v h 对应的i g b t 导通，u h 、w l 、v l 对应的i g b r 关断，此时电机的两相就馈入直流电。然而在这种供电方式下，i g b t 会因长时间 承受3 0 0 v 的高压而损坏。因此这里着重介绍另外一种使偏一l l , 轮定位自锁保持的控 制方案。 低速同步电机自身转速很慢，且又经减速箱减速后拖动偏心轮，故偏心轮的 转速只有电机转速的1 5 0 。控$ l t l g b t 的导通时序，使得电机两相绕组l 1 、l 2 上的 电压波形如图2 一1 1 。在一个电周期内，前半周期为电机正转时两相绕组l 1 、l 2 上的电压波形，后半周期为电机反转时两相绕组l 1 、l 2 上的电压波形。如此反复， 电机将重复正转、反转微动。如此低速下，偏心轮实际上可看作定位自锁保持。 理想情况下，偏心轮定位自锁保持时电机两绕组l 1 、l 2 上的波形如下： 1 7 浙江大学硕十学位论文 偏心轮机构控制器的硬件设计 卜司? 2 _ 卜- t ：斗 。- 唧哪掣唧唧 图2 1 1 偏心轮轮定位自锁保持时绕组电压波形 2 5l e d 显示电路设计1 1 显示电路的结构为s n 7 4 h c l 6 4 芯片驱动的四个共阴极七段数码管。s n 7 4 h c l 6 4 是一个8 位串形输入并形输出移位寄存器，它的内部e h 8 个d 触发器串联而成。芯 片在时钟c l k 脉冲的上升沿将a 、b 引脚上的串行输入信号在8 个时钟脉冲以后并行 输出到输出引脚q a 到q h 。时钟脉冲由d s p 的s p i c l k 日 脚提供，数据从d s p 的s p i s i m o 脚输入。 图2 1 2l e d 显示电路原理图 1 8 浙江大学硕十学位论文偏心轮机构控制器的硬件设计 2 6 检测电路设计 在硬件电路设计中，有两处用到电流过零检测电路d s ( 图2 1 4 、图2 1 6 ) 。 电流过零检测电路工作原理如下：当正向( 图中标示电流正方向) 电流流过时， 二极管d 1 、d 2 、d 3 、d 4 导通，四个二极管产生的正向压降使光耦t l p 5 2 1 1 的发光 二极管导通，光耦输出低电平；当反向电流流过时，二极管d 5 导通，光耦输出高 电平。因此光耦输出电压的相位与反向电流的相位相同。 i n 图2 一1 3 电流过零检测电路 1 低速电机的绕组l 1 的回路中串联一个检测电路。该检测电路由电流过零检 测电路和与门电路1 1 9 ( 图2 一1 4 中虚线框内电路) 组成。光耦输出信号( 该电压 的相位与流过绕组l 1 的反向电流相位相同) 输入与门电路的一端，绕组l 1 正向电 压的相位指令信号输入与门的另一端，两信号经过与门电路相与后输出。输出脉 冲的正脉宽就是绕组l l 上的相电流与相电压的相位差，简称为电压一电流相位差。 这个检测电路定义为电压一电流相位差检测电路。偏心轮旋转到不同的位置，该 相位差的正脉冲保持时间长短不同。电压一电流相位差信号送入d s p 的捕捉端口， 用作旋转偏心轮位置估算的信息来源。 1 9 浙江大学硕十学位论文偏心轮机构控制器的硬件设计 r 一一一一一一1 图2 一1 4 相电压一电流相位差检测电路 2 同步电机的运行位置与时问是严格关联的，但这种关系在同步电机出现失 步时出现分离。文中设计的位置估算方法要严格避免电机出现失步的可能。由于 电机的负载是一个弹簧机构，在电机驱动力矩不足不能抵抗弹簧的作用力时，就 会出现失步。需要设计一个检测环节，利用失步时的电量特征，捕获失步时的信 息，告知上位系统作出判断。 当应用绪论中提到的r c 移相控制电路控制偏心轮机构时，低速电机在2 2 0 v 5 0 h z 供电下运行。在弹簧反作用力最大的区域，断开电机绕组的供电，电机失 力，受弹簧反作用而快速旋转，速度远大于5 0 h z 频率下的正常转速，在绕组端部 开路条件下测得的波形如图2 1 5 。图中虚线左端为5 0 t t z 2 2 0 v 正弦激励时的端电 压波形：虚线右端为电机端开路，受弹簧作用力快速旋转时的绕组端电压波形， 此时电压远大于供电的2 2 0 v ，频率远大于5 0 h z 。这是由于低速同步电机的转子磁 场和齿槽效应，在定子上产生很大的电压。 2 - 1 5 电机端开路掉电试验绕组上的电压波形 浙江大学硕士学位论文 偏心轮机构控制器的硬件设计 在本设计中采用的i g b t 的正交二相供电环境下，若驱动力不足，在弹簧力反 向作用下，电机也会快速旋转。然而由于此时电机绕组不是开路的，i g b t 模块上 的续流二极管和直流主回路的滤波电容会吸收电机在弹簧反作用力下的能量。为 检测到此时的电压变化，设计将电流过零检测电路串联在s p m 模块与3 0 0 v 整流电 压输入回路之间( 图2 1 6 ) 。 。v 主c 智能功 率模块 妊 s p m 图2 一1 6 故障检测电路 当运行到弹簧反作用力最大的区域突然撤掉i g b t 的驱动，电机失力，受弹簧 反作用而快速旋转。此时，电机的感应电压经模块的续流二极管对直流主回路充 电时的电流过零检测波形如图2 - 1 7 。图中虚线左端为在s p m 模块二相正交供电下 直流母线上的电流过零检测波形：虚线右端为电机在弹簧作用力下快速旋转时， 电机的感应电压经模块的续流二极管对直流主回路充电时的电流过零检测波形。 将此波形滤波后送d s p 处理。同时将此检测信号送往g a l 电路输入端，确保故障发 生后尽快切断电机的驱动信号。 图2 1 7 逆变控制电路下掉电实验测得的电压波形 2 1 浙江大学硕士学位论文偏心轮机构控制器的软件设计 第三章偏心轮机构控制器的软件设计 3 1 概述 偏心轮机构控制器由硬件和软件两部分构成。合理的硬件结构是软件得以发 挥的机体，良好的软件功能确保硬件电路的正常运行。当完成硬件设计后，根据 设计好的硬件电路进行软件设计就成为设计的关键。 3 1 1t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片介绍“1 恤1 自动控制处理器芯片选择t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是t i 公司2 0 0 2 年7 月推出的l f 2 4 0 x 系列芯片。它采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降 为3 3 v ，减小了控制器的功耗：3 0 m i p s 的执行速度从而指令周期只有3 3 n s ，增强了 控制器的实时控制能力。片内高达3 2 k 的f l a s h 程序存储器、1 5 k 字的数据 程序r a m 、5 4 4 字可实现零等待两次访问的存储器空间d a r a m 、2 k 字单次零等待访 问的存储器空间s a r a m 。片内i o b i t 的模拟数字通道增加到1 6 路，自带采样保持器 且转换时间仅需5 0 0 n s ，通道增加，速度加快，可满足绝大多数工业控制信号采 集和转换的应用。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 包括两个事件管理模块e v a 和e v b ，每个事件管理模块有包括 通用定时器，比较单元，捕获单元以及正交编码脉冲电路。自带专门用于电机控 制的脉宽调制通道达1 2 路，当外部引脚p d p i n t 出现低电平时快速关闭p w m 通道， 可编程的p w m 死区控制以防止上下桥臂同时输出触发脉冲。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的具有三个通信接口，一个同步串行s p i 接口，一个异步 串行s c i 接口，一个局域控制c a n 接口。s p i 是一个高速、同步串行i 0 1 ，它允许 长度可编程的串行位流( 卜1 6 位) 以及可编程的位流传输速度移入和移出的器件。 通常s p i 用于d s p 处理器和外部设备以及其他的处理器之间的通信。s c i 接口模块 支持c p u 与其它使用标准格式的异步外设之间的数字通信。s c i 接收器和发送器是 双缓冲的，每一个都有它自己单独的使能和中断标志位。两者都可以单独工作， 也可以在全双工的方式下同时工作。为了确保通信数据的完整性，s c i 对接受的 数据进行间断检测，奇偶性校验，超时和帧出错的检测。通过一个1 6 位的波特率 2 2 浙江大学硕士学位论文偏心轮机构控制器的软件设计 选择寄存器，数据的传输速度可以被编程为多达6 5 5 3 5 多种不同的方式。c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器区域网，主要用于各种设备检测及控制的 一种网络，是工业控制系统高可靠性的数据传输的一种新的解决方案。具有独特 的设计思想，良好的功能特性，极高的可靠性和现场抗干扰能力。 3 1 2 软件结构矧汹1 以硬件设施为基础而设计的软件，从功能上分为偏心轮运动控制程序和偏心 轮旋位置估算及显示程序( 简称位置估算程序) 两部分，从结构上区分为主程序 模块、中断服务程序模块、应用子程序模块( 系统初始化子程序、d s p 的各个单 元初始化子程序、电机正转子程序、电机反转子程序、偏心轮定位自锁保持子程 序、位置显示程序中调用的各个算法子程序) ，程序的流程如( 图3 1 ) 。对各 中断服务程序做以下说明： 1 外部中断程序的功能：当按动x i n t i 按键时，产生偏心轮正转和反转的状 态切换指令。当按动x i n t 2 按键时，产生偏心轮定位自锁保持和转动的状态切换 指令。 2 t i m e l 中断服务程序的功能：对两个外部中断按键x i n t i 和x i n t 2 的指令做 出响应。在不同的指令下，分别发生不同的时序信号来驱动s p m 模块i g b t 桥电路 中的各个i g b t 导通或关断，从而控制偏心轮的正转、反转或定位自锁保持。用定 时器精确的确定各个