雙電機控制系統在吊放電纜壽命試驗臺中的應用方案

潘 璐 ，張爭氣

（西北工業大學 陜西 西安 710072）

雙電機控制系統在吊放電纜壽命試驗臺中的應用方案

潘 璐 ，張爭氣

（西北工業大學 陜西 西安 710072）

主要闡述了吊放電纜壽命試驗臺電機控制系統的硬件部分設計方案，其主要采用雙直流電機和美國德州儀器公司的TMS320F2812構成控制系統，包括電源電路、PWM產生電路、DSP外圍電路、速度控制及檢測電路等硬件模塊設計。該控制系統能同時驅動兩臺直流電機，并能精確實現同步控制。

雙直流電機；DSP；TMS320F2812;控制系統

吊放聲納主要裝備在反潛直升機上，用吊放電纜將聲吶探頭垂入水中探測目標。用于對潛艇、水雷等的探測和定位。它主要由探頭、電子機柜、吊放電纜及其收放裝置3部分構成。吊放電纜及其收放裝置包括吊放電纜、鼓輪、絞車及轉動裝置，用于控制吊放電纜及探頭的收放。在探測工作中，當直升機在探測點上低空懸停時，聲吶探測器需要用吊放電纜通過絞車送入水中，電纜隨洋流等條件不斷擺動。在這一過程中對吊放電纜的損傷非常大。目前尚沒有針對電纜與滑輪磨損并模擬水下分機隨洋流擺動的實驗設備。傳統的做法是在不考慮電纜擺動的情況下來確定吊放電纜的使用壽命。

文中是以DSP及雙直流電機構成的系統為研究對象，主要針對吊放電纜的收放及吊放電纜的擺動系統，以實現兩臺電機聯動工作的功能。當一臺電機發生故障時另一臺電機同時停止工作。

1 雙電機聯動控制系統

控制系統主要由兩臺無刷直流電動機構成，額定轉速為1 500 r/min,額定功率為4 kW，主要用于收放電纜和模擬電纜擺動，因此需要兩臺電動機聯動工作，而且能夠根據所需各自調節轉速，已達到兩臺電機聯動的目的。

無刷直流電機的控制系統主要分為控制電路部分、轉子位置檢測、驅動電路、逆變電路部分及電流采樣電路等幾部分。此控制系統的核心部分主要是TMS320F2812芯片，它主要承擔控制運算、模擬采樣等任務。其中TMS320F2812以其事件管理器模塊最為突出：由于它有EVA和EVB兩個事件管理器，因此可以輸出8個16位脈寬調制(PWM)信號。本控制系統就是借助這一突出特點來設計的，在PWM波的輸出上相當簡單方便;可編程的PWM死區可以避免上下橋臂同時輸出觸發脈沖造成的直通；控制電路輸出的弱電信號被驅動電路功率放大，輸出驅動能力強的電信號來控制逆變電路的開關管，供給電動機交流電，實現控制電動機的目的；位置檢測電路用來檢測電動機的轉子信號，并輸送給控制電路來處理；電流采樣電路主要完成對直流電源電流的檢測工作。本控制系統外圍器件減少,設計難度小，高性能傳感器檢測電路的采用，使系統穩定性和精度大大提高。

2 無刷直流電動機控制系統

無刷直流電動機的控制主要是換相，其控制方法為雙環調速系統，外環為速度環，內環為電流環，經過雙環調節，得所需的PWM信號，信號控制哪個開關管由霍爾檢測信號決定。其無刷直流電動機控制系統如圖1所示。

3 控制系統的硬件方案設計

控制板以TMS320F2812為核心，一些外圍電路和接口組成。該系統主要是實現控制指令的接收與執行，電流采樣信號接收與轉換，速度信號的接收與處理，電流閉環與速度閉環控制算法的運行。系統硬件電路如圖2所示。

圖1 無刷直流電動機控制系統Fig.1 Brushless dc motor control system

圖2 系統硬件電路Fig.2 System hardware circuit

3.1 TMS320F2812主要性能

TMS320F2812芯片非常適用于電機控制等場合，它是目前市場上最強大的定點32位DSP芯片。采用了先進的哈佛總線結構，將程序空間與數據空間分隔，數據的吞吐率提高了整整一倍。

電機控制主要采用片上的兩個事件管理器EVA和EVB。T1和T2兩個通用定時器產生兩個六路PWM波形正好可以驅動兩個三相橋電路。用捕獲單元CAP1-6來捕獲外部輸出脈沖的上升沿和下降沿，已達到計數和調速的目的。同時TMS320F2812有兩個12位AD轉換模塊對電機輸出的電流信號和電壓信號進行存儲和轉換。

3.2 驅動電路

無刷直流電動機不同時刻各相的通斷狀態是由自身的霍爾傳感器各相位置信號所決定。DSP芯片產生PWM信號并放大后，用來控制逆變電路中的開關管狀態。逆變電路輸出需要的控制信號驅動電機轉動。本系統選擇了專用集成功率驅動芯片IR2131，該芯片只需要一個供電電源就能驅動三相橋式逆變電路的6個MOSFET管，進而讓驅動電路變得可靠簡單。IR2131內部設計有過流、過壓及欠壓保護。驅動部分電路如圖(3)所示，其中PWM1-6是由DSP輸出的波形信號，U、V、W分別接到電動機的不同相。

驅動電路采用24 V電壓，采用三相全橋與電機連接。PWM調制方法為軟斬波方法，當導通時,下橋臂功率管狀態保持為打開，上橋臂功率管由 信號控制其開關。集成功率開關器件采用HITACHI公司的6AM15，由3個N MOSFET管和P型MOSFET管組成三相全橋功率開關電路。從而提高了系統的集成度，使電路板面積減小。其中每個MOSFET管帶有的二極管使其在關閉期間起到反向續流作用，提高了系統的穩定性。

功率驅動部分電路框圖如圖3所示。L01、L02、L03代表三路低側輸出，H01、H02、H03代表三路高側輸出。

圖3 功率驅動部分電路框圖Fig.3 Power drive part of the circuit

3.3 外圍電路設計

3 .3 .1 霍爾檢測電路

對于無刷直流電動機，電動機上集成霍爾元件，即轉子位置傳感器上帶有霍爾元件，傳感器輸出H1、H2、H3三個脈沖信號用于檢測轉子所在位置。電機驅動電路中的功率管的導通順序是依據轉子位置信號改變的，控制電動機轉動方向和轉速，因此，實際霍爾檢測信號的獲取在無刷直流電動機控制中至關重要。傳感器的輸出信號經過整形后送入DSP的CAP單元，在每個上升或下降沿的CAP口的狀態決定轉子的位置和速度，從而實現電動機正確換相和電動機速度的調節。利用CAP1-3和CAP4-6為EVA和EVB單元中的霍爾信號采樣端口，實現霍爾信號檢測。

3 .3 .2 電壓檢測電路

電壓檢測電路主要檢測電源輸出電壓及直流母線電壓。采用電阻分壓方法對母線電壓進行檢測。電阻分壓后取母線電壓的1/10，經隔離運放后送入AD采樣口，實現過壓保護。過壓閾值設定為27 V，若母線電壓大于27 V,比較器輸出低電平，進而觸發故障保護。

欠壓故障檢測開關電源12 V輸出電壓，當開關電源12 V輸出電壓小于10 V時，則為欠壓，若發生VCC欠壓，則欠壓檢測器快速速翻轉，故障邏輯處理單元輸出低電平。

3.4 其他外圍電路設計

該系統的外圍電路包括RS232通訊電路、JATG仿真接口電路、手動復位電路、晶振電路等。在這里只介紹下RS232通訊電路。RS232電平轉換芯片MAX3232E,它只支持3.3V低電壓；連接頭則采用標準的9針插頭。

4 結論

文中提出了一套完整的雙電機聯動步控制系統的硬件方案，采用TI公司的TMS320F2812作為主處理器，整個系統的集成度高，易于設計應用。一個控制器同時控制兩臺電動機完全取決于TMS320F2812有兩個功能相同的EV模塊，本設計節省了成本，為實現吊放電纜壽命試驗臺的雙電機同步控制提供了穩定的硬件系統。該系統可以將控制系統和實際的控制策略相結合，實現不同的控制功能，故應用較為廣泛。

[1]王曉明，王玲.電動機的DSP控制—TI公司DSP應用[M].北京北京航空航天大學出版社，2004.

[2]陳忠，吳靚.基于DSP的雙電機同步控制系統在中小水電站中的應用方案[J].中國農村水利水電，2010（3):1-2.

CHEN ZHONG,WU JING.Double motor synchronous control system based on DSP application in small and medium-sized hydropower station scheme[J].China's Rural Water Conservancy and Hydropower,Preceding,2010(3):1-2.

[3]Wang YF,Xia CL.Adaptive speed control for brushless DC motors based on genetic algorithm and RBF neural network[J].IEEE International Conference on Control and Automation,China,2007,1210-1216.

[4]Texas Instruments.TMS320C28X DSP Controllers System and Peripherals Reference Guide [M]. Beijing: Texas Instruments,2002,21-33.

[5]蘇奎峰，呂強，耿慶峰，等.TMS320F2812原理與開發[M].北京:電子工業出版社，2005.

[6]顧衛鋼.手把手教你學DSP—基于TMS320X281x[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

Double motor control system in the application of sling the cable life test rig

PAN Lu,ZHANG Zheng-qi
（Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072，China）

Mainly expounds the sling the cable longevity test-beds motor control system design of the hardware part,it mainly adopts the TMS320F2812 of ti and double dc mechanism into control system,including power circuit,PWM circuit,DSP peripheral circuit,speed control and detection circuit hardware module design,etc.The control system can be driven by two dc motors at the same time,and can be accurate synchronization control.

double Dc motor;DSP;TMS320F2812;control system

TN710.9

A

1674-6236（2014）13-0094-02

2013-10-11 稿件編號：201310047

潘 璐（1987—），女，陜西西安人，碩士研究生。研究方向：聲學與電子工程。