陀螺感應型無刷電動螺絲刀調速控制研究

陳 超，陳小元，于秉田，吳旦旦

(麗水學院,麗水 323000)

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陀螺感應型無刷電動螺絲刀調速控制研究

陳 超，陳小元，于秉田，吳旦旦

(麗水學院,麗水 323000)

采用陀螺感應技術實現調向調速控制可使無刷直流電動機驅動的電動螺絲刀的智能性和操作舒適度得到提升。依據陀螺儀的應用特點，研制了陀螺感應型無刷電動螺絲刀系統。詳細敘述了數字控制模塊和陀螺感應模塊電路的設計；采用了轉速電流雙閉環控制策略，操作控制策略和陀螺感應控制策略的綜合控制方法，給出了程序流程圖。最后完成對原理樣機測試實驗，實現了應用陀螺感應功能的無刷直流電動機驅動的電動螺絲刀用戶操作舒適性和智能性的提升。

陀螺感應；無刷直流電動機；電動螺絲刀；控制器；智能操作

0 引 言

電動螺絲刀是現代工業生產裝配中提高工作效率和裝配精度的常用工具[1]，傳統電動螺絲刀多數采用有刷串勵電機作為動力源[2]，但換向火花惡劣，易磨損、無智能控制等缺點限制了其在高精密行業的應用。

無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)采用電子換向裝置來代替傳統有刷電動機的機械換向裝置，功率密度高，無磨損和火花，結構簡單，維修方便[3]，逐漸成為國外高端電動工具首選的動力源。另外配以基于高性能MCU的數字驅動控制器[4-5]，可以實現數字變頻的無級調速。基于BLDCM的高端電動工具產品除具有起動/停止和正轉/反轉等基本操作外，還具有軟起動和自制動等功能。當用戶觸發起動操作時，轉速會受控逐步升高，保證起動力矩的同時起動電流受限可控。當擰緊螺釘扭力增大產生堵轉時，機械機構受觸發產生制動信號，驅動控制器接收到制動信號后關斷電機驅動電源，且采用自制動來快速消耗電機旋轉慣性能量，使電機停機，既保證停機速度，又可避免電機受大力矩沖擊和大堵轉電流沖擊。

在保證動力輸出的可靠性和高效性的同時，智能性的提升成為了國內外高端電動螺絲刀的設計新方向。如市面上有些電動螺絲刀就采用數碼管顯示、按鍵操作和喇叭實現計件功能，可保證工件上的螺絲全部安裝和無遺漏。

在一些需要頻繁改變螺絲安裝時速度和轉向的裝配領域，即便采用數字型的電動螺絲刀，亦需要通過設置正反按鍵和調速按鍵進行調向調速操作，致使裝配工作變得繁瑣，降低了裝配效率。且操作工人疲勞操作，易導致裝配誤操作，使得產品合格率下降。

為了提升電動螺絲刀的智能性和操作舒適度，本文采用陀螺儀傳感器去感應扭轉方向和幅度，將陀螺儀傳感器輸出的信號經分析處理后作為調向調速信號，配合硬件和控制策略的相應設計，實現一種陀螺感應調向調速的無刷驅動電動螺絲刀控制系統，并通過實驗驗證。

1 工作原理

基于BLDCM的電動螺絲刀系統由驅動控制器、BLDCM和減速制動機構等三大部件組成[6]。圖1為基于陀螺感應的無刷電動螺絲刀系統結構框圖，其中驅動控制器由起動操控板、正反轉操控板、陀螺感應模塊、數字控制模塊、功率驅動模塊、電壓電流檢測模塊和霍爾檢測模塊組成。

圖1 陀螺感應無刷電動螺絲刀系統結構框圖

圖2為基于陀螺感應的無刷電動螺絲刀安裝示意圖。陀螺感應模塊安裝在電動螺絲刀體內部，通過對扭轉動作作出感應，輸出感應的調向信號和調速信號。另外本電動螺絲刀系統亦設置了正反轉操控板，也可以輸出調向信號。陀螺感應調速信號可直接作為電機轉速命令信號。基于陀螺感應調向信號和正反轉調向信號可以設計為基本調向操作模式和陀螺感應調向操作模式兩種。基本調向模式時，陀螺感應信號不起作用，正反轉調向信號獨立使用作為調向命令信號；陀螺感應調向模式時，陀螺感應調向信號和正反轉操控板調向信號配合使用作為調向命令信號。

圖2 陀螺感應無刷電動螺絲刀安裝示意圖

2 硬件電路設計

基于陀螺感應的無刷電動螺絲刀硬件電路設計在文獻[6]中所述的基礎上，把微控制器更換為性能更強的8位16 MHz主頻單片機STM8S103，以此來提升系統性能，以及支持計件和陀螺感應等智能功能。

2.1 數字控制模塊

單片機及外圍電路的原理圖如圖3所示，具體功能如下：

圖3 單片機及外圍電路原理圖

(1)PWMUH、PWMUL、PWMVH、PWMVL、PWMWH和PWMWL分別為單片機用于驅動三相全橋6個開關管的驅動信號。其中，PWMUH、PWMVH和PWMWH采用PWM模式，驅動三相全橋的3個上開關管，PWMUL、PWMVL和PWMWL采用電平控制模式，用于驅動三相全橋的3個下開關管。

(2)HALL_A、HALL_B和HALL_C為霍爾位置信號接口，用于檢測判斷轉子瞬時位置，分析計算后可以得到轉子轉速。

(3)三路采樣信號V_ADC、IADC和T_ADC分別是獲取母線電壓信號Vin、母線電流信號iin和MOS管附近溫度信號Temp的接口。

(4)START_IN、DIR_IN和BREAK_IN分別為起動信號、正反轉信號和制動信號的接口。陀螺感應采樣信號G_ADC經單片機分析處理后即可得到陀螺感應出的正反調向和調速命令。

2.2 陀螺感應模塊設計

陀螺儀傳感器采用ENC-03型號，它是一種應用科氏原理的角速度傳感器，可以±0.67mV/[(°)·s-1]的轉換率將檢測到的扭轉角速度轉換為電壓信號。如將其固定在電動螺絲刀上，隨著用戶對電動螺絲刀本體的扭轉動作，ENC-03對扭轉角速度產生感應，經過如圖4所示的陀螺儀感應電路后，最終輸出的信號G_ADC是一個以1.35 V偏置電壓為基準、隨角速度變化而線性變化的電壓信號。此外，圖4中陀螺儀感應模塊電路中C15和R20組成的高通濾波器用于減小溫度變化的影響；R22和C17組成的低通濾波電路用于抑制傳感器信號噪聲。

圖4 陀螺儀感應模塊電路原理圖

圖5為電動螺絲刀驅動控制器實物圖。主控制板板集成了數字控制模塊、功率驅動模塊和電壓電流等檢測模塊，副控制板主要集成了陀螺感應模塊。兩控制板可以上下層疊加，便于安裝。起動操控板和正反操控板通過接口與主控制板連接。圖6為基于陀螺感應的無刷電動螺絲刀樣機。

圖5 驅動控制器實物圖

圖6 新型電動螺絲刀樣機實物圖

3 控制策略設計

BLDCM的驅動控制方法有很多，本文采用經典的兩相導通星型三相6狀態導通方式，調制方式為H_PWM-L_ON，具體見參考文獻[6]。

3.1 轉速電流雙閉環控制策略設計

圖7 轉速電流雙閉環控制框圖

相較于轉速單閉環控制策略，轉速電流雙閉環控制策略增加了一個電流內環控制，即保證轉速控制精度的同時，又使電流受控，可抑制起動或堵轉時的電流過沖，系統更為穩定可靠。在用戶觸發起動時，為給螺絲刀頭與螺絲槽口留一段嚙合時間，又要保證起動迅速，轉速的加速須設計為先緩再急的控制方式。因此軟起動功能可通過設定轉速n*分檔加速的方法再配合轉速電流雙閉環來實現。

轉速電流雙閉環控制策略需要實時檢測母線電流iin和實際轉速n。母線電流iin可通過檢測串在母線電流檢測電阻獲取[6]，實際轉速n可通過分析霍爾信號變化得到。在圖7的控制框圖中，每個定時器中斷(對應一個PWM脈沖時間)需要分析三路霍爾信號來進行一次轉子位置檢測，并計算一次電機驅動控制策略。轉子磁勢旋轉一周時，每個霍爾信號也高低電平變化一次，因此可以累計霍爾信號高低電平變化一次時定時器中斷個數Sum，來推算轉子此周期的轉速n。本單片機的定時器中斷頻率為16 kHz，因此,分別將三個霍爾信號變化一周的中斷個數代入式(1)，可以得到三個轉速值，再求平均后轉速會更精確。

(1)

3.2 操作控制策略設計

START_IN、DIR_IN和BREAK_IN作為起動信號、正反轉信號和制動信號，可以實現電動螺絲刀基本操作功能，新型電動螺絲刀增加了陀螺感應功能后，陀螺感應信號與這三種信號配合操作。表1所示為操作狀態說明表。

表1 操作狀態說明表

在電動螺絲刀上電后的5 s內，若檢測到DIR_IN信號為低電平，則此次上電期間不啟用陀螺感應功能，進入基本調向操作模式，由正反轉操控板輸出的DIR_IN信號來決定螺絲刀電機輸出的轉向，低電平時為正轉(順時針方向)，高電平時為反轉(逆時針方向)。

在電動螺絲刀上電后5 s內，若檢測到DIR_IN信號為高電平，則起動陀螺感應功能，進入陀螺感應調向操作模式。此時，由陀螺感應方向信號和DIR_IN共同控制電機輸出方向。兩者分別為低/低或高/高時，電機正轉;分別為高/低或低/高時，電機反轉。因此，不同的扭轉方向都可以通過正反轉操控板的設置實現電機正轉或反轉輸出，滿足了不同用戶的操作習慣要求。

3.3 陀螺感應的調向調速控制策略設計

圖4的陀螺感應模塊電路輸出信號G_ADC是一個包含扭轉時的角速度信息的電壓信號，經單片機分析處理后獲取實時的角速度量ω(t)。考慮陀螺儀傳感器ENC-03輸出信號特點，將角速度量ω(t)代入式(2)獲取扭轉時的角位移量θ(t)，將θ(t)的正負作為陀螺感應調向命令信號，θ(t)的絕對值大小作為陀螺感應調速信號。考慮用戶對螺絲刀的調速要求，設計為有級調速，共4個速度檔。

(2)

3.4 主控程序設計

控制器的主控程序由主程序和定時器中斷程序兩部分組成。主程序除完成單片機相關功能初始化配置外，在循環中還要完成對DIR_IN，BREAK_IN和START_IN等操作信號的檢測處理，獲取操作控制命令，并對系統監控保護。中斷程序完成所有電機控制功能，其處理流程圖如圖8所示。

圖8 中斷處理流程圖

在中斷程序中，首先執行電壓、電流和溫度等采樣參數的數據處理，然后檢測霍爾信號并判斷處理轉子位置和轉速，接著根據主程序循環中得到的操作命令來使電機工作于不同狀態。在待機狀態時，關閉電機驅動功能；在制動狀態時，電機三相繞組短路實現快速制動；在運行狀態時，控制電機運行于相應工作模式。

系統工作于運行模式時，如果陀螺儀功能已經啟用，則須先處理陀螺感應功能獲取陀螺感應調向和調速命令信號，然后執行調向調速操作處理，確定最終電機運行命令。當電機處于初始運行時刻，執行軟起動功能，設定轉速n*采用先緩后急的方式，逐步逼近調速檔位對應的轉速，最終穩定在檔位對應的轉速。n*交由轉速電流雙閉環處理后得到占空比d，再由電機驅動控制策略算法計算后輸出6路MOS管驅動信號給功率驅動電路。

4 實驗驗證

圖9為正向扭轉時操作信號及母線電流波形，顯示了從待機狀態開始，正反轉設置，按下起動，扭轉使陀螺感應，運行以及最后制動過程中，信號DIR_IN、BREAK_IN、START_IN、G_ADC和I_ADC的變化情況。

圖9 正向扭轉時操作信號及母線電流波形

從圖9中可以看出，起動前START_IN為低電平，G_ADC電平維持在1.35 V左右。當用戶操作起動操控板，使START_IN變為高電平后的時間段(1)內，起動操作時的抖動導致G_ADC波形出現了一個低于1.35 V的凹谷，角速度量ω(t)為負值，經時間積累后的角位移量θ(t)較小，沒有達到起動最低速度檔位1的閾值，故無陀螺感應命令信號，電機無法起動。在時間段(2)，用戶正向扭轉電動螺絲刀，G_ADC波形高于1.35 V，在整個時間段內隨角速度量ω(t)的累加，使角位移量θ(t)增大，在扭轉結束時，經單片機分析計算判斷速度檔位為2擋。此后在時間段(3)，轉速電流雙閉環控制策略開始工作，初始軟起動時隨著設定轉速n*從0開始逐步逼近檔位轉速，母線電流IADC上升直至穩定在0.3 A左右。在時間段(3)的后半段，由于螺絲擰入塑料件螺紋深處時，需要的扭力變大，IADC超過0.4 A；特別是在最后時刻，螺絲擰緊堵轉，IADC超過0.6 A，此時減速制動機構傳輸給單片機一個制動信號，控制器使電機制動停機，IADC瞬間降為0，一次工作結束。

從圖10可看出，起動陀螺感應功能后，置DIR_IN為高電平即反轉，接著START_IN置為高電平起動電機，反方向扭轉電動螺絲刀，陀螺感應波形中出現一個低于1.35 V的凹谷，且凹谷比圖9的凸起面積大，單片機采樣處理后判斷陀螺感應方向信號為反轉，調速檔位為3擋。轉速穩定時IADC為0.4 A左右，螺絲擰入塑料件螺紋深處時，IADC大于0.7 A，直至堵轉停機。

圖10 反向扭轉時操作信號及母線電流波形

圖11演示了空載運行時兩次調檔的操作信號及母線電流波形圖。起動后正向扭轉，在時間段(1)積累了正的位移量θ(t)，產生了調向和調擋命令。操作者在完成時間段(1)的動作后電動螺絲刀正向運行，但操作者手腕處于扭轉狀態，考慮到操作者使用的舒適性，此時操作者手腕需要退出扭轉狀態，反轉扭回到初始位置，即在時間段(2)產生負的角速度量ω(t)，與時間段(1)的積累的θ(t)方向相反，程序處理時屏蔽對時間段(2)的ω(t)的累加計算。當檔位較低時，還可以再次扭轉，使位移量θ(t)繼續變大，速度擋位提高。因此在時間段(3)重新正向扭轉電動螺絲刀，速度檔位提高，電機提速，而操作者手腕在時間段(4)中的退出，扭轉狀態被屏蔽。

圖11 連續扭轉時操作信號及母線電流波形

5 結 語

本文基于陀螺感應信號實現無刷電動螺絲刀調向調速功能，詳細敘述了陀螺感應型無刷電動螺絲刀的硬件電路和控制策略設計。通過對實驗中操作信號、陀螺感應信號和母線電流的波形分析，驗證了新型電動螺絲刀可以通過扭轉操作，實現調向和調速，并可以連續調擋。實驗表明，控制器的硬件設計合理可靠，控制策略清晰有效，用戶操作舒適，滿足電動螺絲刀的智能性要求。

由于陀螺儀傳感器ENC-03性能受限，無法實現扭轉幅度與速度精確對應的無級調速。采用更高分辨率的陀螺儀傳感器，基于本智能電動螺絲刀平臺改進調向調速控制算法，可進一步實現無級調速。

[1] 劉亞光，蔣振宇，李海英，等．電動螺絲刀的市場和技術分析[J]．電動工具，2000，(4)：2-10．

[2] 魯方春，李海英．電動工具串勵電動機的優化設計[J]．電動工具，2012，(1)：1-3．

[3] 李鐘明，劉衛國．稀土永磁電機[M]．北京：國防工業出版社，2000．

[4] 周鳳爭，沈建新，王凱，等．帶正反轉功能的通用型無刷直流電機控制器設計[J]．微電機，2007，40(10)：43-44．

[5] 張爭爭, 任永德, 謝寶昌．基于DSP的無刷直流電動機控制系統[J]．微特電機，2001，29(2)：34-36．

[6] 覃全興, 陳小元, 陳超．電動螺絲刀用無刷直流電機驅動控制器的設計[J]．微特電機，2014，42(12)：58-61,65．

[7] 余安富, 于平, 李先鋒，等．基于TMS320F28335的無刷直流電機調速系統設計[J]．儀表技術與傳感器，2011，(9)：102-104．

Speed Control of Brushless DC Electric Screwdriver Based on Gyro Sensor

CHENChao,CHENXiao-yuan,YUBing-tian，WUDan-dan

(Lishui University,Lishui 323000,China)

Gyro sensor technology can be used to the speed control of the electric screwdriver drived by the brushless DC motor for promoting the operation intelligence and comfortableness. The speed control system of brushless DC electric screwdriver based on gyro sensor was designed according the application characteristics of the gyro sensor in this paper. The digital controller and gyro sensor circuit were illustrated in detail. The comprehensive control strategies were included by the losed-loop control of speed and current, operating control and gyro sensoring control, and the program flow chart was gived and analyzed. A prototype of brushless DC electric screwdriver based on gyro sensor was designed with the method presented and the tests were accomplished. The results show that the operation intelligence and comfortableness of the brushless DC electric screwdriver based on gyro sensor are improved effectively.

gyro sensor; brushless DC motor; electric screwdriver; controller; intelligent operation

2015-03-10

浙江省高等教育教學改革項目(jg2015186);浙江省高校實驗室工作研究重點項目(ZD201502);浙江省訪問學者發展項目(FX2013154);麗水市公益性技術應用研究項目(2013ZC004);國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201410352003)

TM33

A

1004-7018(2016)01-0059-05

陳超(1984-)，男，碩士，講師，研究方向為電力電子技術和電機數字控制技術。