基于直流永磁電機(jī)的X-Y 工作臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

呂宗旺，孫福艷，蔡 芃

(1.河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001;2.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

此低成本X-Y 臺(tái)位置伺服系統(tǒng)［1-8］，用的馬達(dá)是一款#700 直流永磁馬達(dá)，在馬達(dá)的接線端連接了一個(gè)雙通道500 線的編碼器，這對(duì)建立一個(gè)伺服系統(tǒng)有很大的作用。為了更好的讓馬達(dá)運(yùn)行在最佳狀態(tài)，所有的馬達(dá)參數(shù)都來自于某公司生產(chǎn)的馬達(dá)性能曲線。到目前為止，社會(huì)上還沒有發(fā)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用。從馬達(dá)的性能曲線可以知道，該馬達(dá)在轉(zhuǎn)速為2568 rpm、負(fù)載電流為5.37A 的時(shí)候的堵轉(zhuǎn)扭矩為293.2Nm ，此時(shí)的最大功率為78.9W。因此，在速度環(huán)中定義馬達(dá)的最大負(fù)載電流5 A，運(yùn)行速度為2500rpm。

1 硬件設(shè)計(jì)

此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路是以DSP 為“大腦”進(jìn)行信息的采集［9-10］，根據(jù)采集的信息產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)可執(zhí)行器件，其硬件連接示意圖如圖1 所示。

圖1 硬件模塊

1.1 電流傳感

此電路的設(shè)計(jì)是為了獲得轉(zhuǎn)矩環(huán)路控制中的直流馬達(dá)的電流，用可調(diào)的精密齊納穩(wěn)壓器LM431 提供3 V低噪聲參考電壓。Voffset= 2.5 ×(1 +R42/R43)=2.5 × (1 +2/10)=3 V ，對(duì)于比較器MAX4081FASA，輸出電壓Vout的參考值由REF1A和REF1B控制。電壓Vref是Vref1a和Vref1b的平均電壓。當(dāng)兩個(gè)插腳相連，如圖2 所示，輸出電壓參考值=Voffset/2 (3/2 =1.5 V)。當(dāng)Vsense=0 時(shí)，Vout = 1.5 V。VRS+＞VRS-時(shí)，參考電壓的輸出值為正向電流反應(yīng);VRS+＜VRS-時(shí)，參考電壓的輸出值為負(fù)向電流反應(yīng)。

圖2 電流傳感電路

Vout= Vref±Rsense×Iload×AV =1.5±0.02×Iload×5=1.5±0.1×Iload此處用有源濾波器濾除噪音。LMC6482 是CMOS 軌對(duì)軌運(yùn)算放大器。一個(gè)被動(dòng)式濾波器(R52，C52)要盡可能近的放在ADC 輸入端。

1.2 MOS 管的驅(qū)動(dòng)

用專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2103 驅(qū)動(dòng)半橋，半橋驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示。

圖3 半橋驅(qū)動(dòng)電路

1.3 短路保護(hù)

電路可以防止MOS 管因?yàn)橥蝗欢搪范鵁龎摹４穗娐钒? 部分:延時(shí)電路(如圖4b 所示)、比較電路和自鎖電路(如圖4a 所示)。

最大峰值電流:Ipk_max= ((15/(R37 +R38))*R37)/Rshunt=(15* 20/(20 +180))/0.1 =15 A，當(dāng)通過Rshunt的負(fù)載電流大于15 A 的時(shí)候，比較器(U31B)輸出高電平。當(dāng)Vdelay大于1.5 V 時(shí)，U31C 的輸出為高，即使是Vdelay后來變成低電平。此時(shí)，MOS 管被關(guān)閉，同時(shí)電路型號(hào)傳遞給DSP 。

具體的工作流程如下:

狀態(tài)0 (正常情況):V6 ＞V7;V1 ="0";V8 ＞V9;V14 ="0" ;

狀態(tài)1 (短路情況):V7 ＞V6;V1 ="1";V9 ＞V8;V14 ="1";Q31，Q32 動(dòng)作;

狀態(tài)2 (低端驅(qū)動(dòng)器的MOS 管被關(guān)閉):V6＞V7;V1 = "0";V9 ＞V8;V14 = "1";Q31，Q32動(dòng)作。

圖4 短路保護(hù)電路

在上電過程中為了避免一些不穩(wěn)定的信號(hào)誤觸發(fā)自鎖電路，延時(shí)電路可以使自鎖電路在幾百毫秒后動(dòng)作。

時(shí)間常數(shù):

1.4 過溫度保護(hù)

過溫度保護(hù)電路如圖5 所示。在該電路中，兩個(gè)負(fù)溫度系數(shù)溫度傳感器NTC 分別放置在靠近兩個(gè)H橋附近去測量他們的工作溫度。當(dāng)Vt1＞V11和Vt2＞V11時(shí)，V11=15*R54/(R53 +R54)=5.3V，隨著溫度的升高，當(dāng)Vt1＜V11或者Vt2＜V11時(shí)，

其中R0=100K，B= 3450，T0=25oC。

當(dāng)T≈80oC，Rntc≈12.5K，V11=V10時(shí)，過溫度保護(hù)電路開始工作。

圖5 過溫度保護(hù)電路

1.5 限位開關(guān)界面

每一個(gè)馬達(dá)有兩個(gè)限位開關(guān)，并且共享同一個(gè)界面電路給DSP ，因?yàn)楫?dāng)馬達(dá)準(zhǔn)備運(yùn)行的時(shí)候每個(gè)馬達(dá)的運(yùn)行方向已經(jīng)在DSP 中設(shè)置好了，所以根本沒有必要去見判斷那個(gè)限位開關(guān)被觸發(fā)。

圖6 限位開關(guān)電路

2 軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)主要運(yùn)用PID 控制算法，通過控制位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)馬達(dá)精確控制的目的。

2.1 控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)中包括3 個(gè)閉環(huán)。針對(duì)電流環(huán)和速度環(huán)，用PI 補(bǔ)償扭矩和速度。為了解決振動(dòng)問題，只需要用最通用的P 方法去解決位置控制問題?？刂颇K如圖7 所示。

圖7 控制模塊

2.2 軟件架構(gòu)

軟件主要有兩個(gè)模塊:初始化模塊和運(yùn)行模塊。初始化模塊在開始的時(shí)候只執(zhí)行一次。運(yùn)行模塊的循環(huán)運(yùn)行主要決定于PWM 溢出的中斷標(biāo)志。當(dāng)中斷標(biāo)志位被置位時(shí)，相應(yīng)的中斷服務(wù)程序(ISR)開始工作。內(nèi)部的電流環(huán)在每個(gè)PWM ISR 周期內(nèi)校準(zhǔn)一次;而外部的速度環(huán)和位置環(huán)每50 個(gè)PWM 周期校準(zhǔn)一次。程序流程圖如圖8 所示。

圖8 流程圖

2.3 PID 運(yùn)算法則

運(yùn)用的控制算法工具是PI，

PI 的最終形式可表示為:

把公式分成兩部分，一個(gè)是比例控制器，一個(gè)是積分控制器。

對(duì)于P 控制器:uk_P = Kpek;

對(duì)于I 控制器:uk_I = uk-1+ KiTek，那么，

和傳統(tǒng)的PI 算法相比較，當(dāng)Ki非常小或者Ki =0時(shí)，

該算法是非?？煽康摹?/p>

2.4 數(shù)學(xué)考量

為了避免復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，此處只要用PU 模式。所以，在基本電壓和基本負(fù)載條件下并且驅(qū)動(dòng)達(dá)到基本參數(shù)值時(shí)，軟件表示的速度和電流為零。使用的#700 馬達(dá)額定值為:基本電壓:Ua=30V;基本負(fù)載電流:Ia=5A;基本速度:Na=2500rpm;基本位置:Pa=0.1 Turns(其中1 Turn =4mm 的直線距離)二級(jí)標(biāo)題的正文部分。

2.5 電流反饋

參考1.1 節(jié)，如果電樞電流反饋是:1.5 + / -0.1×Iload，那么

注:pu=測試電流/基本電流，1000h (4096d)= 1pu。pu模式下的負(fù)載電流可以簡單表示為:

圖9 傳感電流值

2.6 速度/位置反饋

在該DC 伺服系統(tǒng)中，用一個(gè)500 脈沖增量式編碼器采集轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。傳感器輸出的兩個(gè)通道(A 和B)直接連接到DSP 控制器的eQEP，eQEP 計(jì)算脈沖的兩個(gè)邊沿。軟件中的速率主要是由基于2000 增量/轉(zhuǎn)來決定的。因?yàn)轳R達(dá)通常行在2500rpm，只需要用下面的公式計(jì)算速率:

這兒，選擇T=2.5mS (400Hz)。

可以檢測的最小的轉(zhuǎn)速是0.0005 轉(zhuǎn)，當(dāng)樣板在400Hz 時(shí)，它的速度分解為:0. 0005 × 400 × 60 =12rpm。QPOSCNT(eQEP 位置計(jì)數(shù)器)和馬達(dá)速度之間的關(guān)系為:

那么，

在pu模式下，速率可以表示為:

在pu模式下，位置定義為0.1 Turn，那么

2.7 驅(qū)動(dòng)器

為了均分開關(guān)消耗，應(yīng)用PWM 兩邊信號(hào)驅(qū)動(dòng)H橋，PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)和H 橋如圖10 所示。DSP 的ePWM 模塊工作在up-down 模式，兩次開關(guān)頻率由馬達(dá)的一側(cè)完成。

圖10 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)和H 橋

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)圖9 控制模塊進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過Matlab的simulink 工具箱得到如下仿真結(jié)果如圖11 所示，通過實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)的波形如圖12 所示。

圖11 模型的仿真結(jié)果

圖12 控制器實(shí)際輸出波形

通過比較可知，通過仿真得到的結(jié)果和實(shí)際實(shí)現(xiàn)的結(jié)果是完全吻合的。螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一周則游標(biāo)直線移動(dòng)4mm，即1 Turn=4mm 直線距離，其電機(jī)帶動(dòng)螺桿模型見圖13。通過對(duì)控制對(duì)象的計(jì)算和測量可知，該系統(tǒng)可以把X-Y 臺(tái)的精度控制在±0.02mm 之間，即游標(biāo)的位置控制精度在±0.02mm 之間。

圖13 電機(jī)帶動(dòng)螺桿模型

4 結(jié)論

該X-Y 平臺(tái)是用#700 直流永磁馬達(dá)實(shí)現(xiàn)位置伺服系統(tǒng)，通過仿真、實(shí)驗(yàn)和最終的設(shè)計(jì)的實(shí)際樣品的測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以完全滿足生產(chǎn)設(shè)備的需要，提供更便宜的伺服系統(tǒng)，如果用在公司的生產(chǎn)設(shè)備上可以節(jié)約大約50%的成本。

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