低成本高可靠永磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 低成本高可靠永磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 呼明亮嚴(yán)會(huì)會(huì)Summary：該文所設(shè)計(jì)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)采用sT公司的8位低成本高性能單片機(jī)STM8S105實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法，功率驅(qū)動(dòng)電路采用TI公司的DRV8301芯片實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)電路和控制器工作電源變換，采用LTC公司的電源專(zhuān)用芯片LTC4364-1實(shí)現(xiàn)電源過(guò)壓、欠壓和過(guò)流故障保護(hù)，并配置位置傳感器，可滿足高精度伺服控制需求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高的特性，可廣泛應(yīng)用于中低壓永磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。Key：永磁無(wú)刷直流電機(jī)；驅(qū)動(dòng)；保護(hù)；可靠性：TP202 ：A ：1009-3044（2018

2、）06-0192-03永磁無(wú)刷直流電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)力巨大、調(diào)速性能好、功率密度高、易維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、精密儀器、機(jī)器人、電動(dòng)汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件電路一般采用分立器件或功率驅(qū)動(dòng)模塊（IPM）方式實(shí)現(xiàn)，其電路設(shè)計(jì)復(fù)雜、體積大、可靠性低和靈活性較差，同時(shí)其價(jià)格較為昂貴，不適用于批量生產(chǎn)。本文設(shè)計(jì)了一套低成本、高可靠永磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，控制器采用ST公司的8位高性能單片機(jī)STM8S105實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法，功率驅(qū)動(dòng)電路采用TI公司的DRV8301芯片實(shí)現(xiàn)功率驅(qū)動(dòng)電路和控制器工作電源變換，采用LTC公司的電源專(zhuān)用芯片LTC4364-

3、1實(shí)現(xiàn)電源過(guò)壓、欠壓和過(guò)流故障保護(hù)，系統(tǒng)配置電機(jī)電流檢測(cè)模塊、輸出狀態(tài)采集模塊、霍爾位置傳感器采集模塊和正交編碼器位置狀態(tài)采集模塊，用于提高電機(jī)控制精度和可靠性，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、完備，通用性好，擴(kuò)展性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用于中低壓永磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。1總體設(shè)計(jì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要包括電機(jī)控制器模塊、三相功率橋驅(qū)動(dòng)模塊、功率模塊、霍爾位置傳感器檢測(cè)模塊和輸出狀態(tài)采集模塊?？刂破魍ㄟ^(guò)RS485通訊總線接收上位機(jī)發(fā)送的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)命令，依據(jù)霍爾位置傳感器和正交編碼器輸出的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行邏輯運(yùn)算，并結(jié)合電機(jī)電流產(chǎn)生PWNM功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器和功率模塊變換實(shí)現(xiàn)功率信號(hào)放大，

4、作用至電機(jī)繞組，控制電機(jī)按照給定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精確伺服控制?？刂七^(guò)程中，電源監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控功率電源過(guò)壓、欠壓和過(guò)流狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)功率電路保護(hù)。輸出狀態(tài)采集模塊周期監(jiān)控功率電路輸出狀態(tài)，參與BIT邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)電機(jī)故障診斷。2硬件設(shè)計(jì)2.1控制器電路設(shè)計(jì)控制器電路的主要功能是結(jié)合電機(jī)位置狀態(tài)反饋信號(hào)、電機(jī)相電壓、相電流等信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制算法。本文采用意法半導(dǎo)體公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)電機(jī)控制推出的8位高性?xún)r(jià)比單片機(jī)STM8S105實(shí)現(xiàn)電機(jī)算法控制。圖2所示為控制器最小系統(tǒng)。其工作頻率可達(dá)16MHz，寬電壓工作：2.95V-5.5V，溫度范圍-40125，采用三級(jí)流水線哈佛架構(gòu)，具備豐富的外設(shè)資源，包

5、括7通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于5微秒，1路SPI接口，1路PC接口，配置25路獨(dú)立通用輸入輸出接口，芯片開(kāi)發(fā)資源豐富，技術(shù)支持完備，且價(jià)格低廉，特別適用于低成本、高性能永磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。芯片配置4路定時(shí)器，其中定時(shí)器1為16位高性能控制定時(shí)器，利用其互補(bǔ)輸出、死區(qū)控制和中心對(duì)齊PWM方式，該定時(shí)器可被用于產(chǎn)生PWM斬波信號(hào)，定時(shí)器1發(fā)出的PWM信號(hào)經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路作用至上橋功率管，GPIO發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路作用至下橋功率管。2.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是將控制器發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)放大，控制功率MOSFET開(kāi)通和關(guān)斷，為電機(jī)提供三相電流。DRV8301是

6、11公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的柵極驅(qū)動(dòng)器，芯片內(nèi)部集成死區(qū)電路，具備電源電壓欠壓、過(guò)壓保護(hù)，電流過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)等功能，保證系統(tǒng)可靠工作。芯片可驅(qū)動(dòng)6路N溝道MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管，支持寬電壓范圍（6V到60V）工作，最大峰值灌電流2.3A，拉電流1.7A。芯片運(yùn)用自舉技術(shù)簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，省去了多路輔助電源。DRV8301驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部功能框圖如圖4所示，主要包括Buck變換電路、控制和保護(hù)邏輯、三相功率橋驅(qū)動(dòng)和兩路電流檢測(cè)運(yùn)放。DRV8301內(nèi)部集成了Buck變換電路，與TPS54160功能相同，供外部控制器或其他模塊供電，驅(qū)動(dòng)能力為1.5A。Buck變換電路與芯片內(nèi)部其他功能獨(dú)立，驅(qū)動(dòng)電路故

7、障情況時(shí)，電源芯片正常工作，保證了系統(tǒng)的可靠工作。DRV8301還包括兩路電流檢測(cè)放大電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)相電流的精確放大，運(yùn)放通過(guò)偏執(zhí)電壓設(shè)置，支持雙向電流檢測(cè)，運(yùn)放檢測(cè)電路可通過(guò)SPI實(shí)現(xiàn)放大增益配置，從而滿足不同電壓范圍采集要求，提高采集精度。2.3電源監(jiān)控電路設(shè)計(jì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中，電源必須支持短暫持續(xù)時(shí)間的高壓浪涌，同時(shí)必須對(duì)電機(jī)負(fù)載實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓瞬變的保護(hù)，并提供繼續(xù)運(yùn)行能力。系統(tǒng)選用凌力爾特公司的專(zhuān)用芯片LTC4364實(shí)現(xiàn)。LTC4364專(zhuān)為抑制高壓浪涌和抑制輸出電壓而設(shè)計(jì)，具有理想二極管特性，保護(hù)負(fù)載免遭高電壓瞬變的損壞。LTC4364芯片的HGATE管腳驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFE

8、T（V1），以限制電源瞬變或過(guò)流過(guò)程中輸送至負(fù)載電路的電壓和電流。正常情況下處于導(dǎo)通狀態(tài)，并提供低阻抗通路；而在過(guò)壓和過(guò)流情況下負(fù)責(zé)耗散功率。DGATE管腳驅(qū)動(dòng)另一個(gè)N溝道MOSFET（V2），替代實(shí)現(xiàn)反向輸出保護(hù)和輸出電壓保持功能的肖特基二極管，實(shí)現(xiàn)電源輸入防反保護(hù)，并在輸入短路時(shí)，隔斷反向電流。LTC4364通過(guò)監(jiān)測(cè)SENSE引腳和OUT引腳之間的電阻電壓，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，當(dāng)二者之間的電壓差大于50mV時(shí)，將關(guān)斷V1場(chǎng)效應(yīng)管。LTC4364可精確地監(jiān)視輸入電源的過(guò)壓（0V）和欠壓（UV）情況，計(jì)算公式分別為公式（1）和公式（2）。LTC4364電路原理如圖5所示。2.4位置信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)永

9、磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)低速時(shí)速度和位置測(cè)量容易失真，系統(tǒng)一般結(jié)合霍爾傳感器和光柵編碼器（磁編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器）實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍位置、速度和加速度狀態(tài)信息反饋。系統(tǒng)選用MAXON公司的4096CPT，雙通道線性正交編碼器作為速度和位置反饋，電路交聯(lián)圖如圖6所示，正交編碼器發(fā)出的差分信號(hào)，經(jīng)SM3490轉(zhuǎn)換后送入FPGA，F(xiàn)PGA依據(jù)A、B信號(hào)間的相位關(guān)系，判斷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，通過(guò)計(jì)算A、B信號(hào)的頻率，獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)記錄A、B信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)，獲取電機(jī)絕對(duì)位置。3軟件設(shè)計(jì)永磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集電機(jī)位置、速度和電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)精確伺服控制，系統(tǒng)通過(guò)定時(shí)器TIM1實(shí)現(xiàn)PWM脈寬

10、調(diào)制，達(dá)到對(duì)電機(jī)的穩(wěn)定控制，整個(gè)控制系統(tǒng)軟件包括主程序和中斷服務(wù)程序等。主程序用來(lái)完成控制系統(tǒng)的時(shí)鐘、I/O端口、定時(shí)器等部件的初始化、電機(jī)運(yùn)行和故障診斷等工作。中斷程序中通過(guò)讀取三個(gè)霍爾傳感器狀態(tài)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，查表1獲得換向邏輯，中斷服務(wù)程序軟件流程圖如圖7所示。4實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)采用MAXON公司的三相永磁無(wú)刷直流電機(jī)EC60作為被控對(duì)象，參數(shù)如下：額定功率PN=1，5kW，相電流Iph=2.4A，極對(duì)數(shù)P=7，額定轉(zhuǎn)速600r/min，定子相電感L=1.4mH，電子相電阻R=0.504，轉(zhuǎn)矩常數(shù)KT=0.132N/mA。圖8所示為電機(jī)相電壓波形，圖9所示為電機(jī)相電流波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠滿足永磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制要求。5結(jié)論本文所設(shè)計(jì)的永磁無(wú)刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)采用ST公司的8位高性能單片機(jī)STM8S105實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制