驱动器设计方案.docx
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驱动器设计方案
无刷直流电动机
驱动器设计方案
2009年3月
1.总体需求与方案
1.1系统总体结构
该系统的配套连接框图如图1所示，共需要6台电机驱动器，分别控制6台无刷直流电动机，其中：
两台电机1的驱动器由上位机1经RS422总线给出控制信号；
两台电机2的驱动器由上位机2经RS422总线给出控制信号；
两台电机3的驱动器由操作人员经I/O接口给出控制信号，控制电机以低速、点动方式运行；
具有自检测功能。
1．2电机控制系统的相关配置
无刷直流电机控制系统的外部配置：
（1）无刷直流电机（MAXONEC-max3040W型号272769）
机载电源DC28V
（2）活门减速器变比：
134：
1
电机行星齿轮箱减速比：
33：
1
总减速比：
4422：
1？
（3）旋转变压器精度10minutes（分）
（4）霍尔传感器（电机自带），位置传感器
1.3控制性能指标
1）排气活门控制围：
0--90度；
2）电机驱动器应保证负载能够在0～1.6rpm（0--7075r/min）速度围任意可调，特别是保证负载在0.05rpm（221r/min）左右的调速性能的稳定性和准确性；
3）无刷直流电机驱动器采用28V直流电源供电，即额定电压为28V；
4）电机转速控制围：
0~5500r/min。
2．电机驱动器的硬件设计
2.1电机驱动器的硬件功能需求
1）具有RS422通讯接口，与上位机通讯，以接收控制指令和报告活门的位置状态；
2）接收电机的位置信号，并且根据上位机指令能够对无刷直流电动机进行高低速、正反转控制；
3）具有自检测与保护功能，包括过流、短路、欠压保护，当电机工作状态异常时向上位机报告。
2.2控制器方案
控制器的功能要求见图2，采用数字信号处理器（DSP）来实现，型号选用最新型的TMS320F2812。
图2控制器结构框图
具体功能如下：
1．TMS320F2812有异步串行接口RS232，将其转换为RS422A，作为与上位机的接口；
2．TMS320F2812输出PWM信号，采用软件控制，输出与电机的位置信号综合，控制三相桥电路的上（或者下）3个功率开关器件，以控制电机的电压达到控制转速的目的；
3．TMS320F2812有同步的串行数据接口SPI，将其与旋转变压器的数字变换电路（RDC）连接，完成电机转速信号的采样，RDC集成电路选用AD2S90；
4．TMS320F2812采用两路ADC接口，能够扩展为16路模拟量数据输入接口，采集位置信号和电流信号，实现电流和位置反馈。
5．留出8位PIO接口信号，作为手动控制、运行使能，以及其他需要增加控制时的信号。
2.3转速测量电路
电机的速度传感器采用无刷旋转变压器，与电机同轴旋转，完成电机转速反馈时的转速测量。
2.3.1信号变换电路
无刷正余弦旋转变压器由环形变压器与正余弦旋转变压器结构两部分组成。
结构见图3。
图3无刷旋转变压器结构
当环型变压器的定子绕组上施加励磁电压，环型变压器的转子绕组感生的电动势送到旋转变压器原边的转子绕组作为励磁电源，该励磁电流所产生的磁场使副边的定子两相绕组中感应出按下式变化的电动势。
其中
为电机的机械轴角度，
为转子激磁电源的角频率，
为电压幅值。
位置传感器采用无刷旋转变压器、励磁信号发生电路、数字变换电路组成，结构框图见图4。
图4位置传感器结构
其中
1．励磁信号发生器
采用AD2S99集成电路产生旋转变压器的励磁信号，信号频率5~10kHz，电压7V，输出电流200mA。
2．数字信号变换器（RDC）
数字信号变换器（RDC）采用集成电路AD2S90，将正余弦信号变换为12位的数字位置信号，直接送至数字信号处理器（DSP）。
2.3.2数字信号变换器（RDC）的应用
在该位置传感器中，数字信号变换器（RDC）的应用是其关键技术，这里采用了集成电路AD2S90。
AD2S90与旋转变压器的连接电路见图5。
图5AD2S90与旋转变压器的连接电路
AD2S90接收旋转变压器信号sin（U1）、cos（U2）、ref（Uin），将模拟机械轴位置信号转换为数字型信号，可供单片机或数字信号处理器（DSP）直接读取，处理器从AD2S90可以获得以下数字位置信号：
（1）12位串行二进制表示的绝对位置信息，即用十六进制数0x000—0xfff表示的对应电动机机械角0—360º位置。
（2）1024线模仿编码器的增量式2路正交脉冲（A、B）位置信息，电机每旋转机械角一周分别产生1024个脉冲，将2路信号“异或”可获得2048个脉冲，若取其跳变沿还可获得4096个脉冲。
（3）能够提供与速度成正比的模拟测速信号VEL，典型线性度
，最大输出电压2.5v，每伏电压相当于转速9000r/min。
由于模拟测速信号VEL精度较低，增量式信号为10位，而绝对位置信号为12位，本方案拟采用绝对位置信号，并且RDC和DSP有合适的同步串行数据接口。
2.4功率控制电路方案
本系统功率电路为低压的三相逆变电路，它由驱动电路与功率电路组成。
在器件的选择中，考虑到选用集成度高，功率损耗小的器件。
2.4.1功率开关器件的选择
根据被控电机的额定、极限工作参数，从众多商家的产品（见附录）中进行筛选，最终决定采用IXYS公司型号为GWM100-01X1的产品，其基本性能参数如下：
参数
GWM100-01X1
VDSS,max,（V）
100
ID25,Tc=25°C,（A）
90
ID90,Tc=90°C,（A）
68
RDS（on）,max,Tj=25°C,（mOhms）
8.5
RthJC,max,（K/W）
0.9
表中的数据表明，该电路集成度高（6管集成），功率损耗小（8.5m欧），选择了电流围大的器件，是因MOSFET的特点是大电流期间导通电阻小。
GWM100-01X1的外观尺寸（37.5*32.2*8.7）及部结构见图6。
图6GWM100-01X1的外观尺寸与部结构
MOSFET器件的导通特性是电阻不变，当选用上述的MOSFET导通电阻为8.5mΩ，计算得到单管导通损耗为0.5W左右，功率电路的工作时两管导通，导通损耗将为1W左右。
2.4.2驱动电路方案
满足性能指标要求的MOSFET驱动芯片有不少，其部结构都差不多，考虑通用性等方面的因素，决定选用InternationalRectifier（国际整流）公司的IR2136芯片。
IR2136芯片有以下特点：
1.具有独立的三相桥驱动功能，集成度高；
2.能提供10V至20V的门极驱动电压，符合MOSFET驱动要求；
3.具有独立的欠压及过流保护功能。
该器件的部结构见图6，外形尺寸见图7。
图6IR2136的部结构
图7IR2136的外部尺寸外观尺寸（40*15*8）
2.5换相控制电路
本系统无刷直流电动机采用霍尔元件位置传感器实现换相控制，因此可以采用可编程逻辑GAL器件来实现。
换相控制电路的逻辑关系见图8，图中的信号为：
DIR：
转速方向控制信号，为“1”时控制电机正转，为“0”时控制电机反转；
PWM：
脉宽调制信号，通过占空比控制电机绕组电压，来控制电机转速的高低；
PA、PB、PC：
霍尔元件产生的电机位置信号，控制电机换相；
g1---g6：
三相桥逆变器的控制信号。
图8换相控制电路的逻辑关系
图8中的各模块的功能为：
GAL器件的逻辑功能：
能够在换相逻辑变换的同时，将电机正/反转信号、PWM信号综合进去，构成能够进行电机高低速、正反转控制的MOSFET逻辑控制信号g1---g6；
电流驱动电路：
在逻辑上可以是反向器或者同向器，将GAL输出逻辑信号增加电流驱动能力，驱动后面的光耦电路，通常为0~7mA；
光耦电路：
实现控制电路和功率电路的隔离，使逆变器的上三管能够电平浮动，同时也可以克服之间的电磁干扰。
3.系统控制方案
3.1系统控制的要求
（1）与上位机通讯：
经RS422A总线接收上位机的控制位置、最高转速的数据，到达位置后向上位机返回当前的位置数据；
（2）位置控制：
根据上位机经RS422A总线送入的位置数据，将系统输出控制到该数据指定的位置；
（3）转速控制：
根据上位机经RS422A总线送入的转速数据，将电机的最高转速限制在指定的围；
驱动器要控制电机的转动方向、转速和转动圈数，以根据上位机指令精确控制排气活门的开度。
为实现精确位置控制，驱动器采用目前最先进的数字信号处理器DSP/TMS320F2812对信号进行处理、计算，并给出控制信号。
采用AD2S90和AD2S99，对旋转变压器实现解码，计算，给出位置计算的依据。
3.2控制系统的结构
系统控制采用位置、速度闭环结构，如图9所示。
图9控制系统结构框图
（1）位置反馈控制，测量减速器后面的位置传感器（电位计型），通过DSP的AD变换电路（12位）采集数据，实现闭环控制；
（2）速度反馈控制，由旋转变压器和数字变换电路组成速度传感器，通过DSP的同步串行数据接口采集数据，实现闭环控制；
转速的数字测量是微处理器读取AD2S90输出的数字位置信号，通过软件计算来获得电机转速。
通过AD2S90可以得到三种分辨率的位置信号，即电机旋转一周可以产生4096、2048或者1024个脉冲。
这里设电机旋转一周产生的脉冲数为
，转速的算法可以采用脉冲计数法。
所谓脉冲计数法是在单位时间对位置脉冲信号计数，以获得单位时间的转角来计算速度。
若时间间隔为采样时间
，测量的脉冲数为M，则被测速度可由
计算得到。
脉冲计数方法对转速的测量可以用绝对位置信号通过软件完成，M由两次采样的位置差值获得，即
时刻的M值为
式中
为
时采样的位置信号。
脉冲计数法在采用较大的N0时，并且高转速围精度较高，适用于电机的高速运行。
3.3系统的控制方法
该系统对于控制律有比较高的要求，特别是要求在在0.05rpm左右的调速性能，对应电机转速为210r/min左右，要求系统的调速围为
30
属于要求调速围比较大的情况。
需要保证高速时系统的快速性和低速时的稳定性。
由于PI调节器是工程上应用最广泛的控制方法，本项目首先考虑采用PI调节器，构成闭环控制系统，动态结构图见图10。
图10电机控制系统的动态结构图
图10中的APR、ASR分别表示位置调节器、速度调节器，变量
和
为活门位置的给定值和反馈值，
和
为电机角速度的给定值和反馈值。
自动控制软件上，通过速度环实现对速度的精确控制。
由于系统要求调速围大，调速比要达到500，要求PI参数要有很强的适应性，可同时满足高速和低速的性能要求。
采用PWM调制，由DSP根据目标速度给出所需的占空比，同时，位置环可实现精确的位置控制。
系统要求活门精度为0.1度/转以下，根据不同的位置差，软件上给出不同的调节参数，以同时适应高速和低速的性能要求。
通讯上采用MAX489芯片，并设置波特率为115200。
手动控制软件上，由于不要求位置控制，且速度恒定，功能实现上要比自动控制简单。
位置环直接给出目标速度，不需要调节。
硬件上仍具有自动控制的高度限制以及高度限制等功能。
为保障系统工作的稳定性，电路PCB走线设定可允许通过5A的电流。
无刷直流电机驱动器可以接收模拟信号、开关信号和数字信号。
其中，限位开关和高度限制信号均为开关信号。
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