低压直流电机控制技术

1、分类号密级U D C低压直流电机控制技术刘春华导师姓名(职称 王向周(教授 答辩委员会主席 申请学科门类工学论文答辩日期申请学位专业 机械电子工程年月日摘要本文主要研究了直流伺服技术在低压直流电机控制系统中的应用。文中首先探讨了低压直流电机控制系统的构建方案,然后深入研究了控制系统的硬件设计,软件设计,控制算法,以及实验平台的构建和实验结果分析。在硬件设计和软件设计中,利用大功率电子器件IPM和PWM调制技术,实现了H 型结构单极性驱动的可逆PWM控制方式的直流电机驱动器设计。并利用光电编码器和可逆计数器等集成芯片构成的码盘接口调理电路设计了位置/速度反馈接口电路,该电路配合单片机的内部功能,

2、可实现电机速度和位置检测,为电机速度控制和位置控制提供可靠的保证。此外,在低压直流电机控制系统的算法研究中,主要分析了:基于光电编码器的测速方法及其在直流电机控制系统的实现方法;并分别研究了速度、位置闭环分段PID控制算法及其实现的具体过程。最后,本文利用LabVIEW构建了一个基于低压直流电机控制系统的测控平台,通过实验检验了电机速度闭环分段PID控制算法,以及电机位置分段PID闭环控制算法实际效果。实验表明,低压直流电机控制系统整体性能,以及速度、位置控制算法都有比较好的控制效果。关键词:低压直流电机控制,直流电机驱动器,PWM技术,位置/速度反馈,PID控制速度控制,位置控制,测速方法,

3、测控系统,IGBT。ABSTRACTLow voltages DC motor control system based on DC servo technology is discussed in this dissertation. The dissertation first presents the design schedule for the low voltages DC motor control system. Then, it is sequentially introduced the design of hardware, the design of software,

4、 the research of control algorithms, and the experiment platform for analyzing the experiments.In the design of hardware and software, the - H structure, sigle polarity, inversed PWM modes DC motor driver - is successfully designed based on the technology of IPM and PWM. Also, the position and veloc

5、ity measurement is realized by photoelectric encoders interface circuit and controller, which helps to realize the position and velocity close loop control.In addition, the dissertation researches and analyzes the control algorithms and their realization in the motor control system, including the po

6、sition and velocity measurement, the segmentable PID algorithm of the velocity control and the position control.Finally, the dissertation presents a measurement and control platform which can test the performance of the motor control system. Furthermore, the platform can also help to analyze the cha

7、racters of the segmentable PID algorithm of the velocity control and the position control. These experiments show that the low voltages DC motor control system has good performance as a whole.Keywords: Low Voltages DC Motor Control System, DC motor driver, PWM, position/velocity feedback, PID contro

8、l, velocity control,position control, velocity measurement, measurement and controlsystem, IGBT.目录摘要 (ABSTRACT.II 目录.III 第一章 绪论. (1§1.1 研究背景 (1§1.2 直流电机控制技术的研究现状 (1§1.2.1 直流伺服控制技术 (1§1.2.2 直流电机及其控制技术的特点 (2§1.2.3 直流电机的微机控制技术 (3§1.3 论文研究的主要内容 (4第二章 系统总体方案 (5§2.1 低压直流

9、电机控制系统方案的确定 (5§2.1.1 直流电机系统的控制形式 (5§2.1.2 低压直流电机控制系统的实现方案 (6§2.2 电机功率驱动器方案的确定 (8§2.3 系统硬件组成和软件环境 (10第三章 系统硬件设计 (11§3.1 主控制器硬件设计 (11§3.1.1 主控制器简介 (11§3.1.2 数字控制器硬件设计 (13§3.2 直流电机驱动器设计 (14§3.2.1 直流PWM电机伺服驱动装置的原理和特点 (14§3.2.2 PWM控制驱动方式分类、选型和原理 (16§

10、3.2.3 直流电机PWM控制驱动装置设计 (18§3.3 电流检测接口设计 (20§3.4 位置/速度反馈接口电路设计 (21§3.4.1 位置测量传感器选型 (21§3.4.2 位置/速度反馈接口电路设计 (23§3.4.3 通过位置/速度接口电路实现的速度检测 (26§3.5 系统通信、电源及其它接口电路设计 (27§3.5.1 系统通信接口设计 (27§3.5.2 电源和其它硬件接口设计 (28第四章 系统主要的软件设计 (29§4.1 控制系统的软件设计方案 (29§4.2 控制系统的

11、软件模块设计 (30§4.2.1 系统主程序设计 (30§4.2.2 软件定时器中断服务程序和高速捕获器中断程序 (32§4.2.3 串口发送和接收程序 (34§4.2.4 外部中断服务程序 (35第五章 控制算法研究与应用 (36§5.1 微机控制的测速方法研究 (36§5.2 常规PID控制原理 (42§5.2.1 PID控制原理 (42§5.2.2 数字PID控制算法 (43§5.3 数字PID控制改进算法研究 (45§5.4 数字PID控制改进算法的应用 (46§5.4.1 P

12、ID控制改进算法在电机速度控制的应用 (46§5.4.2 PID控制改进算法在电机位置控制的应用 (50第六章 系统实验研究与分析 (53§6.1 实验方案 (53§6.1.1 实验测控系统构建 (53§6.1.2 实验方案 (56§6.2 速度控制实验研究与分析 (56§6.2.1 轻负载下的速度闭环分段PID控制实验 (56§6.2.2 突加负载下的速度闭环分段PID控制实验 (58§6.2.3 恒定重负载下的速度开环与闭环分段PID控制实验 (59§6.3 位置控制实验研究与分析 (60第七章 总结

13、 (63致 谢 (65参考文献 (66第一章 绪论§1.1 研究背景直流电机因其具有良好的起、制动性能和宽范围的平滑调速性能以及良好的控制效果,因而由其构成的控制系统在民用领域和军事领域,如车辆、船舶、飞机、轧钢机、挖掘机、海洋钻机、大型起重机、金属切削机床,造纸机等,都取得了较广泛的应用1, 2。但是,目前在车辆上使用的通常是较高电压(如110、220、380伏的直流电机,直流电机驱动设备通常也采用这种高压供电的方式。因此,相对于车载设备主要使用的低压直流电源(车辆一般都有24伏等低压直流电源或者蓄电池,必须配备专门的电源设备。显然,研究、开发基于低压电源的直流电机及其控制技术,不

14、但可减少额外的电源转换设备,而且相对高压电源来说,安全性更有所保障,同时也避免了升压带来的诸多不利因素。然而,采用低电压直流电源直接驱动中、大功率的直流电机在实际应用中仍然是一个难题,特别是在基于功率驱动模块的PWM直流电机构成的控制系统中,系统容易产生欠电压、过电压、过电流和大电流导致的过热等问题。现在,随着电机技术、微电子技术、电力电子技术、传感器技术、微机技术等迅速发展,国外对于低压中、大功率的直流伺服系统的研究已逐渐成熟,并开始应用于国防和民用设备。面对我国基于低压电源的中、大功率直流电机控制技术的研究和应用水平落后于国外技术的现实情况,结合“985工程”资助项目水平位置测控调平装置所

15、提要求,本论文研究了基于低压电源的直流电机控制系统,课题的完成将为直流电机在伺服系统的应用提供更多、更方便的选择。§1.2 直流电机控制技术的研究现状1, 2, 3, 4, 5§1.2.1 直流伺服控制技术伺服控制技术是自动控制学科中与各产业部门联系最紧密、服务最广泛的一个分支。自从1944年世界上第一个伺服系统“火炮自动跟踪目标”由美国麻省理工学院辐射实验室(林肯实验室的前身研制成功以来5,在半个多世纪中,伺服控制技术及其系统在工业、农业、国防等各个领域都得到了广泛的应用。伺服控制总体上经历了发电机-电动机系统、交磁电机扩大电机控制、磁放器控制、晶闸管控制、集成电路控制、

16、计算机控制的发展过程,至今已经进入了一个全新的鼎盛时期。反映这一时期的现代伺服控制技术及其系统的主要特征可以概括为:全控型电力电子器件组成的脉宽调制(PWM技术在伺服功率驱动中的广泛应用;微处理器在伺服系统中的普遍应用,使得现代控制理论逐渐工程实用化;各种伺服控制元件与线路向着集成化、数字化、功能化、模块化、智能化,以便于计算机控制的方向发展;伺服系统的可靠性设计及其自诊断技术伴随着系统功能、性能以及复杂化程度的升级而愈来愈受到各行业的欢迎。直流伺服电机控制技术的发展,与控制驱动器件的发展有着紧密的联系。由于各种控制器件的不断出现,使得直流伺服控制技术有了显著的进步。特别是20世纪70年代以来

17、,国际上电力电子技术,即大功率半导体技术的突飞猛进,推出了开和关都能控制的“全控型”电子器件,使直流伺服系统能够大范围的实现精密的速度和位置控制,特别是晶体管脉冲宽度调制直流伺服控制系统。也正是如此,直流伺服控制系统一直在高性能的工业场合始终占有主导地位。近几十年来,国外对直流伺服控制技术的研究已逐渐成熟并总结出许多实际应用规律。直流伺服控制系统虽然看起来形式多样,但是从基本结构上看,主要由三部份构成:控制器、功率驱动装置、电动机。控制器按照给定值和实际运行的反馈值之差,调节控制量;功率驱动装置按实际需要将电能作用于电动机上,调节电机的转速、转矩和位置等物理量;电动机则按供电大小拖动运动机械运

18、转,实现对被控量的控制。§1.2.2 直流电机及其控制技术的特点自电机诞生以来,研究电机控制的各种技术就一直在快速发展中,特别是交、直流两大电气传动在工业领域的发展更是日新月异。虽然各个时期科学技术的发展使交、直流两大控制所处的地位、作用有所不同,但是它们始终随着工业技术的发展而迅速发展,彼此在相互竞争、相互促进、不断完善和变化6。长期以来,直流电机在电力、航空、航天等伺服控制系统中占有主导地位,虽然近年来交流电动机的调速控制技术发展很快,但是直流电机电枢和磁场能独立进行激励,并且转速和输出转矩的描述是对可控电压(或电流激励的线性函数,另外其响应快、控制灵活简单,因此,容易实现各种直

19、流电机控制系统(调速系统、位置随动系统等,也容易实现对控制目标的“最佳化”。这也是直流电机长期主导传动领域的根本原因。近年来,随着电力电子技术的快速发展及其应用技术的进步,微处理器、外围电路元件的模块化和智能化、专用集成芯片的不断出现,使直流电机的运动控制技术得到了显著的进步。直流电机的驱动部分所用的功率器件也逐渐更新到了全控型功率器件,如MOSFET和IGBT等。而新型的检测器件的出现(如霍尔器件、高分辨率光电码盘,使直流电流和电压信号的隔离及检测的精度和可靠性得到明显提高,保证了直流电机伺服控制系统的精确性。目前,用大功率晶体管PWM控制的永磁式直流伺服电动机驱动装置,是高精度伺服控制领域

20、应用得最为广泛的驱动形式,较常规的驱动方式(交磁电机扩大机驱动、晶体管线性放大驱动、电液驱动、晶闸管驱动具有显著的优点。随着大功率晶体管的容量和开关速度的不断提高,PWM驱动装置将使现代直流伺服电机控制的应用更加方便、灵活,性能更加优越。§1.2.3 直流电机的微机控制技术在直流伺服系统中,直流电机控制的目标是希望能够自动的、连续的、精确的复现输入信号的变化规律1。其构成主要是由直流电动机、功率驱动模块、速度和位置传感器、伺服控制器以及其它传动和接口模块组成。控制方案主要有电流、转速、位置构成的单环、双环、以及多环的复合控制。早期,在直流电机伺服控制系统中,控制主要采用模拟控制:主要

21、靠位置调节器、速度调节器、电流调节器、模拟功率接口、伺服电动机、测速机、滤波器等构成三环或双环的控制系统,进行位置或速度的相关控制1, 3。相应控制算法主要是进行PID调节,但是,显然如果负载变化时,由于采用的是模拟电路,伺服系统的参数需重新调节,相当麻烦。现在,随着微机的大规模应用和半导体大功率器件的应用,上述纯模拟的直流电机伺服控制系统已经逐渐被以微机为核心,并以PWM功率驱动接口,传感器接口与电动机相结合发展的数字模拟混合式或者纯数字式的伺服系统所取代。当负载变化时,采用微机控制的电机伺服系统,可以自行调节参数,而不用重新改变硬件电路的设计。而控制算法也不再仅限于单纯的PID控制,由于微

22、机的引入,各种智能控制算法以及改进的PID控制算法正普遍应用于电机伺服系统中。以全控型电力电子器件和微机为核心的直流电机控制系统,表现出了极大的优越性,适应了现代电子技术、自动控制技术和电机技术的最新发展,在今后的发展中,将会得到越来越广泛的应用。同样,基于低压中、大功率的直流电机控制系统方案可以为低压场合直流传动提供实用的选择。§1.3 论文研究的主要内容论文针对直流电机控制系统的体系结构和控制形式的分析,确定了低压直流电机控制系统整体方案;根据既定的控制方案,设计了相关的硬件模块和接口电路,包括电机数字控制器外围接口设计、直流电机驱动器设计、位置/速度反馈接口硬件电路设计等;按照

23、设计的硬件接口,设计了直流电机控制系统的相关软件,并研究了速度检测方法,以及速度和位置控制算法;最后,开发了低压直流电机测控系统,将直流电机控制系统的速度、位置等信息实时采集到上位机,并进行相关处理,从而可对电机速度和位置分段PID控制算法的效果进行分析和检验。第二章 系统总体方案§2.1 低压直流电机控制系统方案的确定§2.1.1 直流电机系统的控制形式在直流伺服电机控制系统中,针对不同的应用场合和控制性能的要求,根据被控物理量来分,主要的控制形式有:电流控制,速度控制,位置控制三种形式。这三种控制形式又可以根据实际应用情况组合,构成转速负反馈单闭环直流调速系统;转速、电

24、流双闭环直流调速系统;转速、位置双闭环直流随动系统;电流、转速、位置三环直流随动系统;以及其它变结构控制位置随动系统等。不管系统的结构如何,从基本上来看,电流、速度、位置这三种反馈和控制方式构成了直流电机伺服系统控制的主要手段和方式。1、电流反馈和控制在直流电机控制系统中,电机启动时,转速几乎为零,反电势也几乎为零,所以电机的电枢电压几乎落在电枢电阻上,这样启动的电流就很大。同样,若电机堵转时,也存在类似的问题。这种大电流突变,对于电机的换向非常不利,对电机驱动设备的安全也有影响,甚至会使整个系统受到影响。因此,在电机控制系统中,需要在特定情况下提供相应的保护措施。而电流反馈和控制在某种程度上

25、可以起到如下作用:(a在电机启动时,能够在电流限制范围内提供较大的恒定启动电流;(b在转速达到给定值时,电流可以迅速降下来,让电机保持一定的速率转动;(c当系统出现扰动时(在电流环内,电流控制可以起到一定的抗扰作用;(d电机电枢电流突变,超过某个极限时,通过电流反馈,可以使电机关断。因此,在大多数的直流伺服转速和位置闭环控制系统中,都使用了电流控制构成的电流反馈内环,从而可以有效地提高系统的整体控制性能。2、速度反馈和控制在很多情况下,负载的工作要求使得对直流电机在各种运行状态下的速度控制成为需要。这主要是在电流、转速双闭环调速系统中,在电机启动过程中主要靠电流负反馈控制起主导作用以保证最大允

26、许的恒定启动电流,当电机启动完毕后,要求静差尽可能小,这时应该主要依靠速度控制起作用。这种双闭环的控制系统,在直流速度控制中,应用非常广泛。另外,在位置伺服系统中,加上速度驱动控制,可以很大程度上提高整个系统的刚性和灵活性。3、位置反馈和控制对负载有定位要求的伺服系统,一般都需要引入位置控制环节,提高系统的定位精度。在位置伺服系统中,位置传感器是不可缺少的器件,常用的位置传感器是各类编码器和旋转变压器。在数字伺服系统中,通常使用的是光电编码器,通过对码盘脉冲个数的控制和计数,从而控制电机和负载的角位移来实现位置控制。在位置控制场合下,通常根据实际情况,加入电流、速度等内环,构成双环或者三环的位

27、置随动系统(即位置伺服系统。这种系统的优点是,不但能满足定位要求,而且系统的整体性能比较好;缺点(电流、速度、位置三环结构是多环的引入必然降低了系统的开环增益(闭环增益总小于相应的开环增益,从而使系统截至频率有所降低。§2.1.2 低压直流电机控制系统的实现方案本文所设计的低压直流电机控制系统,主要是针对电机的速度控制和位置控制;同时,由于电机的功率在1千瓦左右,而电压是24V,因此电枢电流有可能达到较高值40A,所以必须引入电流控制负反馈;另外,设计了电机的驱动器,这样,可以方便地实现电机速度控制和位置控制(通过软件和硬件结合。根据以上要求,本文采用了混合闭环的低压直流电机控制系统

28、方案。这种控制方案,在构成位置伺服控制时,可实现电机位置定位;在构成速度伺服控制时,可以把位置外环当作开环处理,从而构成速度闭环的调速系统。对于直流电机伺服控制系统,可以采取模拟、全数字或者数模混合的控制策略。基于单片机的普遍应用,仅仅采用模拟为主的控制方案:完全依赖位置调节器、速度调节器、电流调节器等模拟器件的控制方法基本上已经处于淘汰边缘。对于含有电流负反馈,且电流可能达到40A的情况下,采用纯粹的数字控制,技术难度很大,很难采用完全的数字控制策略。因此,整体上,电机控制采用数字为主,模拟结合的数模控制方案。具体实现方案如下:首先,直流电机输出的速度、转角等物理量,需要相关的检测装置进行测

29、量。在综合考虑各种因素后,决定采用合适的光电编码器并配合数字控制器进行转角检测和速度测量。其次,电机电枢电流的检测可以采用霍尔器件,如霍尔电流传感器。利用霍尔器件检测电流的方法目前在工程上应用比较成熟,而且使用方便,便于实现单片机接口设计,在本系统中用其检测电流并实现系统电流保护具有一定的优越性。此外,电机驱动部分的设计对于低压直流电机系统来说,是至关重要的一个部分。在目前,用大功率晶体管PWM控制的永磁式直流伺服电机驱动装置,是高精度伺服控制的主要形式,采用这种驱动装置对于本电机系统来说,可以较好的实现速度和位置控制。最后,为了实现电机控制系统的扩展性,应该考虑电机与上位机或者与其它控制设备

30、的通信连接。根据实际要求,本系统在通信上实现了RS232、CAN和外部控制器的接口设计。另外,也应该考虑其它的辅助接口设计和相关的调试接口设计。电源构成模块应该是基于24伏直流电压,功率可以达到2千瓦的直流电源,其不但可以为电机提供电能,而且可以为电机控制系统提供供电,从而构成一体化的供电体制。这样系统的电能管理比较可靠,而且可以使电机和控制系统在供电上同步。 图2-1 低压直流电机伺服控制系统原理框图因此,整个电机控制系统的总体方案结构如图2-1所示。在该方案中,虚线以内,为电机控制器的控制架构,通过24伏直流电源可以对其进行供电。电流环的电流检测直接通过霍尔器件检测电机电枢的电流并通过控制

31、器本身的A/D转换口将调理后的电流信号送入控制器;速度控制部分可以通过电机驱动器功率驱动模块,和数字控制器产生的PWM实现,速度检测可由码盘计数脉冲结合一定的算法实现;直流电机位置控制则可以由以上部分,并结合光电编码器及其计数调理接口,通过一定的算法实现。§2.2 电机功率驱动器方案的确定3, 5, 66, 68在低压直流电机控制系统中,电机驱动器的设计是其中非常关键的一个部分,因为驱动器的性能直接影响到电机的控制效果和整个系统的控制精度。直流电机的转速n 的一般表达式为3U IR n K =(2-1 式中, U 电枢端电压;I 电枢电流;R 电枢电路总电阻;每极磁通量;K 电动机结

32、构参数。由式(2-1可知,直流电动机的转速控制方法可以分为两类:对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行的控制的电枢控制法。其中励磁控制方法在低速时受磁极饱和的限制,在高速时(有刷直流电机受换向火花和换向器结构强度的限制,并且励磁线圈电感较大,动态响应较差,所以这种控制方法用得较少。现在,大多数应用场合都用电枢控制法。电枢控制法在对电机电枢电压的控制和驱动中,主要依赖半导体功率器件的使用,该方法针对半导体器件的使用主要分为两种:线性放大驱动方式和开关驱动方式。 线性放大驱动方式使半导体功率器件工作在线性区。这种方式的优点是:控制原理简单,输出波动小,线性好,对邻近电路干扰小;但是功率器件

33、长期工作在线性区会将大部分电功率用于产生热量,效率较低,且散热问题严重,因此这种方式只在数瓦以下的极小功率直流电机驱动下使用。绝大多数直流电机采用的是开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态,通过脉宽调制技术来控制电动机电枢电压,实现调速功能。随着计算机大规模进入控制领域,以及新型的电力电子功率元件的不断出现,使用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(Pulse Width Modulation ,简称为PWM 控制的开关驱动方式已成为现代直流电机控制技术的绝对主流。这种基于PWM 的开关驱动控制方式的主要技术特点和发展趋势是:容易在微处理器中实现,从而为直流电动机控制数字化提供

34、极大的方便;生产制造PWM驱动装置主要有国外企业垄断,且种类繁多、技术成熟,比如目前许多国外公司的制造水平是输出电压320伏,电流300安培,调制频率110kHz,调速范围1:104,其输出转矩150牛·米5;国内在研究PWM驱动装置较国外落后,但是国内高校、研究所都在努力发展国内自己的PWM系统,且后劲较足,发展潜力无限;直流PWM伺服技术是一个正在发展的新领域,在未来很长时间内都有很好的应用前景。本论文在直流电机驱动器的设计上,结合大功率电子器件,综合考虑数字控制器的接口功能,技术条件和经济实用程度,决定采用PWM的控制方式。该控制方式不但有很好的实用性,而且结构设计灵活,对于直

35、流电机的控制有着较好的效果。在PWM电机驱动装置中,PWM控制信号的产生方法主要有四种:(1分立元件组成的PWM信号发生器,这种方法用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路,这是早期的方式,目前已经被淘汰。因此,本课题不采用该方法。(2软件模拟方法,该方法利用单片机的一个I/O引脚,通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM波输出,这种方法需要占用CPU大量时间,使单片机的其它工作受到一定程度的影响,目前使用也越来越少。考虑到本论文的电机控制需要一定的扩展运算,并且太占用CPU的时间,所以不采取该方法。(3专用PWM控制集成电路,这些集成芯片出来可以发生PWM信号外,还可以有“死区”调节功能

36、、保护功能等等,并且可以减轻CPU的负担,工作较可靠。(4利用数字控制器的PWM口,目前很多数字控制器本身就具有可以产生PWM信号的功能,控制器通过初始化设置就可以自动地发出PWM脉冲波,且只有需要在改变占空比的时候,CPU才去干预。后两种方法都切实可行,考虑到目前的控制器很多都具有产生PWM功能的引脚,所以使用了第四种PWM控制信号的产生方法,其主要示意图如图2-2所示。 图2-2 PWM控制方式驱动示意图§2.3 系统硬件组成和软件环境17, 18, 30根据上述总体控制方案,本系统中硬件设备主要包括动力装置直流伺服电机,速度驱动装置直流伺服电机驱动器采用全控型功率驱动模块,减速

37、器减速比为64:1,位置/速度检测传感器光电编码器,数字控制器单片机,霍尔型电流互感器其它调理电路,实现RS232通信的电平转换电路器件,CAN通信的接口电路器件,低压24伏直流电源以及电源电压转换器件。此外,在位置/速度检测传感器中,可选用增量式光电编码器,系统还需要相应的可逆计数器、辨向电路、控制器与之接口的电路等。另外,对控制器的外部接口扩展有,复位电路、LED、按键、限位开关等其它有关的接口设备。在本系统电路设计中,使用Protel作为电路原理图和电路板的设计工具。使用Protel设计电路原理图和板子,在实际开发过程中,可以节省较多的时间。针对数字控制器的底层编程语言主要有汇编语言和C

38、语言,汇编语言执行速度较快,但是可读性不强,且调试较困难;C语言环境下开发控制程序,不但容易调试、错误率低,而且代码执行速度也比较快。电机控制器的控制程序基本上都是在基于C 语言环境下进行开发。在实验方案的设计中,本文采用基于LabVIEW的虚拟仪器技术构建了低压直流电机的测控系统,该系统可以为电机控制系统提供友好的测试和实验平台。LabVIEW 是NI公司的推出的一个图形化软件开发环境,利用LabVIEW开发测控系统,可以有效地支持系统的测试和控制。在直流电机控制的实验过程中,充分利用了LabVIEW开发虚拟仪器的优点,设计了一个实用的电机速度、位置测控系统平台,该系统可以实时采集电机速度、

39、位置等数据,并通过前端上位机以虚拟仪器面板的形式实时显示这些数据和处理后的曲线。该低压直流电机测控系统平台,为电机控制系统提供了有效的实验支持。第三章 系统硬件设计根据第二章研究确定的低压直流电机的控制方法,本章研究直流电机控制系统的硬件实现技术,以完成直流电机控制系统的主控制器设计、电机驱动器设计,电流检测接口设计,位置、速度检测反馈接口设计,并实现电机与上位机或与其它控制器的通信接口设计,以及与电机控制系统相关的接口设计。§3.1 主控制器硬件设计19, 20, 21, 22, 23适用于直流伺服系统的数字控制器主要有单片机、DSP数字信号处理器、工控机等。单片机有丰富的软、硬件

40、资源,技术条件成熟,价格相对便宜;数字信号处理器的计算速度较快,对于大容量的数字处理有明显优势,但硬件接口资源相对较少;工控机各种资源都比较丰富,且处理能力较强,但是价格昂贵,系统庞大。它们各自都在不断地朝着扩大集成度、增加位数、加快速度、提高数据和信号处理能力、扩展硬件功能接口、降低成本的方向发展。综合考虑各控制器的控制精度、运算处理速度、性能价格比、硬件接口资源、系统体积,以及现有开发资源、开发的难易程度等因素,本系统决定采用单片机作为直流电机控制系统的主控制器,并结合实验室资源,使用FUJITSU公司的MB90540系列的单片机MB90F549进行控制系统开发,以及使用C语言在SOFTU

41、NE环境下开发控制程序和相关算法。§3.1.1 主控制器简介MB90F549单片机是日本富士通FUJITSU公司生产的MB90540/545高端系列单片机的一种,该单片机硬件接口资源丰富,集成有CAN控制器、8路10位的AD转换器、8通道的ICU高速捕获器、4通道的OCU输出比较器、PWM脉冲发生器、256K的FLASH 和6K的RAM、2组通用异步收发器UART、定时计数器、重装数定时器、8通道外部中断接口等。同样,MB90F549单片机的软件开发功能也比较强大,总线接口可以达到16M的地址空间,其开发环境Softune支持C语言编程,并且集成有软件仿真器,可以执行基本的debug

42、命令和寄存器状态查询;而且调试号的软件程序可以通过PC机的串口,直接往单片机的UART1口写入FLASH,而无需其它的硬件烧录设备。MB90F540系列单片机的内部结构图如图3-1所示。 MB90F549单片机的具体功能和特点如下:1. 该单片机是16位的CPU,4MHz 的外部时钟(16MHz 内部时钟。采用0.5um 的COMS加工技术,QFP 封装,体积较小。其工作温度在-40120摄氏度,存储温度-55150摄氏度,可处于待机睡眠、间歇工作等状态。支持C 语言编程,可大大提高开发效率。2. 该单片机的可编程脉冲发生器(Programmable Pulse Generator有四组,每组

43、PPG 内部由两个8位的计数器、两路脉冲输出信号源,两路中断输出源、四个8位的重装数寄存器、一个16位的控制寄存器。因此通过选择它的4种工作模式,可以输出8位或者16位的脉冲信号,本文结合单片机的这个特点,通过设定PPG0图3-1 MB90540/545系列单片机内部结构图和PPG1的输出方式,传送脉冲信号到IGBT功率模块,从而实现PWM控制。3.ICU是该单片机提供的高速输入捕获模块,共有四个。每个ICU主要由一个16位的自由运行计数器(4个模块共用、边沿检测控制寄存器、中断控制寄存器、两个输入捕获寄存器以及两个输入通道等组成。每个输入通道的功能基本相同,都可以完成输入信号的沿跳变检测。在

44、光电码盘的反馈中,码盘相关的速度、位置脉冲信号可以直接输入到该捕获器中,从而捕获有关的脉冲信号。4.MB90F549内部具有双CAN控制器,符合CAN2.0A和CAN2.0B协议规范;支持标准帧和扩展帧的接送和收发;16个收发信息缓冲区,29bitID(标识位和8字节数据,多级信息缓冲区结构;支持full-bit comparison、full-bit mask和bit mask滤波;两个acceptance mask寄存器支持标准帧或扩展帧格式;波特率从10Kbps到1Mbps可编程(输入时钟为16M。另外,单片机内部有2组通用串行数据通信接口UART,UART具有标准的双向通信功能,可以跟

45、PC直接进行数据传输。5.本单片机使用电阻电容型的逐次比较的转换方法,利用内嵌的8/10位的AD转换器可以吧模拟输入电压转换成10位或者8位的数值,输入信号可以是8路模拟信号的任意一路,并可由软件、内部时钟等来启动一次A/D转换。另外,8通道的外部中断接口可以为外部设备提高较多的外部中断请求,并可以设定相关的中断优先级(7级。6.另外单片机还具有定时器、16位重装数定时器、看门狗定时器、4通道的输出比较器、4M内部时钟等基本功能。基于MB90F549单片机的以上功能和特点,在低压直流电机控制系统的设计中,该控制器充分发挥了其本身具有的硬件和软件资源,使整个开发过程大大节省了开发成本和时间。&#

46、167;3.1.2 数字控制器硬件设计在直流电机控制系统中,控制器所要执行的主要功能是:通过PPG口发出一定占空比的脉冲信号给电机驱动器,从而驱动电机运转;通过AD转换器采集调理过的电流互感器所测得的电机电枢相关的电流信号;通过输入捕获口ICU和相关的I/O口获得码盘及其调理电路的脉冲信号,并通过软件实现位置检测处理和控制、速度检测处理和控制;外部中断接口实时检测电机驱动器的中断保护信号和电机上、下限位开关的中断信号,从而实时保护整个控制系统正常运行;通过内部的UART、CAN端口与上位机及其它控制器的通信,为控制系统提高良好的外部控制接口;扩展的按键与LED 显示接口处理,为控制系统调试提供

47、简单灵活的处理方式;另外主控制器负责执行电机控制算法和相关的控制程序,对整个电机控制系统进行控制操作,使系统满足控制要求。图3-2是主控制器设计方案图。 图3-2 主控制器设计方案§3.2 直流电机驱动器设计1, 3, 5, 11在低压直流电机控制系统中,电机驱动器是整个系统控制、驱动、反馈中的至关重要的一环。利用现代大功率晶体管设计PWM控制的直流电机驱动装置,对于实现高精度的电机控制有着极大的优点和实用性,并且性价比较高、体积小、结构灵活,是直流电机伺服系统设计的主流方式。本文在电机驱动器的设计上,采用PWM控制方式,驱动直流电机双向运转。§3.2.1 直流PWM电机伺

48、服驱动装置的原理和特点PWM驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源,按一个固定的频率来接通和断开,并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短,通过改变直流伺服电机电枢上的电压的“占空比”来改变平均电压的大小,从而控制电动机的转速。因此,驱动装置在这种“开关”方式下运行,又称为“开关驱动装置”。PWM 控制原理的基本示意如图3-3所示,可控开关S 以一定的时间间隔重复接通和断开,当S 接通时,供电电源s U 通过开关S 施加到电动机两端,电源向电机提供能量,电动机储能,电机两端电压为s U ;当开关S 中断时,中断了供电电源s U 向电动机提供能量,电动机两端电压

49、为0,但在开关S 接通期间电枢电感所储存的能量此时通过续流二极管VD 在电动机两端间得到的电压波形如图3-4所示,电压平均值用av U 可用下式表示:0on s on av s s on off t U t U U U t t T+=+ (3-1 式中 on t 开关每次接通的时间;T 开关通断的工作周期(即开关接通时间on t 和关断时间off t 之和; 占空比/on t T =。由式(3-1可见,改变开关接通时间on t 和开关周期T 的比例即可改变脉冲的占空比,电动机两端电源的平均值也随之改变(如图3-4所示,因而电动机转速得到了控制。按照式(3-1,改变占空比有两种调制方法:一种是开

50、关周期T 恒定(即脉宽频率恒定,通过改变导通脉冲宽度来改变占空比的方式,这就是所谓的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,即PWM;另一种方式为,导通脉冲宽度恒定,通过改变开关频率(f=1/T来改变占空比,也就是脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,即PFM。由于PFM 控制是依靠脉冲频率的变化来改变占空比,当遇到某个特殊频率的机械谐振时,就会导致系统振荡,正是由于这一严重的缺点PFM 控制在伺服系统中基本不使用,而使用PWM 控制方式。§3.2.2 PWM 控制驱动方式分类、选型和原理1、PWM 控制驱动方式选型直流电机PWM 控

51、制系统分为可逆系统和不可逆系统两大类。可逆系统是指电动机可以正反两个方向运转;不可逆系统是指电动机只能单向运转。电机可逆与不可逆的种种分类都跟直流电机电流(转矩T与转速n 的关系有关,可以用一个图来表示电动机运行的状态,如图3-5所示,从图中可以看出,第一象限是电动机正转运行状态,第三象限是电动机反转运行状态,第二和第四象限分别是电动机反转和正转时再生制动运行状态。电动机能在几个象限上工作与控制方式和电路结构有关。如果能在四个象限上完全运行,则电动机的控制系统功能就比较强。对于不可逆PWM 控制系统,可分为无制动和有制动两种系统,它们都不能完全工作在四个象限。因此在低压直流电机控制系统中,不采

52、用只能单向运转的不可逆控制方式。对于可逆PWM 控制系统,可分为单极性驱动和双极性驱动两种方式。单极性驱动是指在一个PWM 周期里,作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的。双 极性是指在一个PWM 周期里,作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。 其中双极性驱动方式组成的系统在低速时平稳性好,调速范围可达1:20000以上,电机可在四个象限运行。但其电流脉动较大,且在工作过程中,由于所有开关管都在开关状态,因此功率损耗较大,尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险,限制了开关频率的提高,因此只用于中小功率的直流电机控制,特别是500W 以下的直流伺服系统。而受限单极性驱动方式(非受限方式运用较少,

53、且有直通的危险,必须附加延时,这里就不介绍了。主要优点在于运行可靠性高,可避免开关管的直通,不需附加延时,因而开关频率相对可以提高,因此广泛应用于中大功率直流电机的控制。此外,单极性驱动又可分为单极性同频和倍频驱动两种,区别在于:倍频方式是通过改变对开关管的控制方式,而使电机电枢两端获得比PWM 控制0 转矩T (电流I 转速n -T ,+n 正转再生制动+T ,-n 反转再生制动+T ,+n 电动机正转 -T ,-n 电动机反转 图3-5 电动机运行四个象限信号频率高1倍的电压波形,目的是为了弥补高频开关时,电流断流。但对于开关频率在4KHz左右,同频方式一般不会出现电流断续现象。综合考虑单

54、极性和双极性的特点,结合课题要求,对于上千瓦功率的直流电机控制,本文决定采用受限单极性驱动的可逆PWM控制方式;另外,系统采用的IGBT开关频率是2KHz,因此使用同频方式即可。对于单极性可逆PWM控制方式,根据功率转换电路的结构形式不同分为:T 型和H型。虽然T型电路结构简单、便于实现电能的反馈,但是要求双电源供电,而且晶体管要承受的方向电压较高,且动态性能较差,因此一般上只是在较小功率的电机驱动中使用。所以选择了H型的结构。综上所述,在考虑PWM控制的各种方式的特点和优缺点,选择了适合本系统的H型结构受限单极性同频驱动的可逆PWM控制方式。2、功率驱动器件选择在直流电机的调速和位置系统中,

55、主要使用的全控型功率器件有:门极可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR、功率场效应管MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT11。根据它们的各自特点,这些器件都有各自的应用范围:可关断晶闸管GTO仍然在大功率和超大功率领域内占统治地位,但同时关断时间较长;功率场效应管MOSFET是单极型电压驱动器件,具有工作速度快、输入阻抗高,热稳定性好以及驱动简单等特点,在中、小功率领域具有较强的优势,但是,导通电阻大,阻断电压也低;电力晶体管GTR和绝缘栅晶体管IGBT在大、中功率方面占统治地位,但相比而言GTR工作速度慢,驱动电流大,控制电路复杂,所以逐渐被性能更好的IGBT所取代。根据本课题的电机要求:功

56、率无需达到超大功率的GTO应用范围,而MOSFET 的功率相对较低,所以相比之下,选用性能最佳的IGBT作为功率驱动模块。3、H型结构单极性驱动的可逆PWM控制方式的基本原理使用IGBT功率管的H型单极性驱动的可逆PWM控制原理是:通过四个IGBT 功率模块连接成H桥结构,并且每个IGBT模块同时有一个续流二极管,如图3-6所示。四个开关管分成两组,V1、V4为一组V2、V3为一组。同一组的开关管同步导通或者关断,不同组的开关管导通和关断正好相反。在要求电机正转时,打开相应通道的脉冲信号U1,V1和V4导通,而此时U2为低,V2、V3截至,若让U1高电平占空比加大,则电机在该方向的转速也相应加

57、大,电机电枢承受从A到B的正向电压;同理,在要求电机反转时,打开相应通道的脉冲信号U2,V2、V3导通,此时晶体管V1、V4截至,让U2的高电平占空比加大,则电机在该方向的转速也相应加大,电机电枢承受从B到A的反向电压。电机在一个PWM周期里电机电枢只是承受一个方向的电压信号,这就是所谓的“单极性驱动”。电机正转或反转调节速度的占空比可按公式(3-1计算,有关受限单极性可逆驱动的其它特点请参考文献3和5。 图3-6 H型单极性可逆PWM驱动原理图在直流电机控制系统中,按一定条件设定两组晶体管的导通次序,就可实现电机的正转和反转控制。同样,通过MB90F549控制器PPG口并调节各PPG 口输出

58、脉冲的占空比就能实现相应速度的调节。比如打开PPG0口,而关断PPG1口使一组IGBT导通,电机向一个方向运转,若再调节脉冲的占空比,则该转向的速度也随之改变。同理,用PPG1口控制电机的另外一个转向,并通过设定脉冲占空比调节其转速。§3.2.3 直流电机PWM控制驱动装置设计针对直流电机控制系统,在设计IGBT驱动模块时,由于电机功率驱动模块IGBT 本身也需要专门的驱动器和保护电路,而主要考虑的是IGBT栅极的驱动和保护。目前,常用的IGBT栅极驱动专用集成电路有:富士公司的EXB84系列,IR公司的IR2100系列;MOTOROLA公司的MC35153;Unitrode公司的UC37系列;三菱公司的M57系列;美国SG公司的集成驱动电路等等。这些IGBT栅极驱动模块抗扰能力较强,速度快,保护功能完善,通常集驱动和保护于一身。另外,三菱公司也生产了智能功率模块IPM,这些IPM本身把IGBT及其栅极驱动做成一体,在使用上方便灵活,外部控制接口简单。对于低压直流电机控制系统来说