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Motionchip是一種性能優(yōu)異的專(zhuān)用運動(dòng)控制芯片，擴展容易，使用方便。本文基于該芯片設計了一款可用于直流有刷/無(wú)刷伺服電機的智能伺服驅動(dòng)器，并將該驅動(dòng)器運用到加氫反應器超聲檢測成像系統中，上位機通過(guò)485總線(xiàn)分別控制直流有刷電機和無(wú)刷電機，取得了很好的控制效果，滿(mǎn)足了該系統的高精度要求。 在傳統的電機伺服控制裝置中，一般采用一個(gè)或多個(gè)單片機作為伺服控制的核心處理器。由于這種伺服控制器外圍電路復雜，計算速度慢，從而導致控制效果不理想。近年來(lái)，許多新的電機控制算法被研究并運用于電機控制系統中，如矢量控制、直接轉矩控制等。隨著(zhù)這些控制算法的日益復雜，必須具備高速運算能力的處理器才能實(shí)現實(shí)時(shí)計算和控制。為了適應這種需要，國外許多公司開(kāi)發(fā)了控制電機專(zhuān)用的高檔單片機和數字信號處理器（DSP）�，F在，通常使用的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP和大規�？删幊踢壿嬈骷M成，這種方案可以根據不同需要，靈活的設計出性能很好的專(zhuān)用伺服控制器，但是一般研制周期都比較長(cháng)。 MotionChip的特點(diǎn) MotionChip是瑞士Technosoft公司開(kāi)發(fā)的一種高性能且易于使用的電機運動(dòng)控制芯片，它是基于TMS320C240的DSP，外圍設置了許多電機伺服控制專(zhuān)用的可編程配置管腳。TMS320C240是美國TI公司推出的電機控制專(zhuān)用16位定點(diǎn)數字信號處理器，其具有高速的運算能力和專(zhuān)為電機控制設計的外圍接口電路。MotionChip很好的利用了該DSP的優(yōu)點(diǎn)，并集成多種電機控制算法于一身，以簡(jiǎn)化用戶(hù)設計難度為目的，設計成為一種新穎的電機專(zhuān)用控制芯片。MotionChip有著(zhù)集成全部必要的配置功能在一塊芯片的優(yōu)點(diǎn)，它是一種為各種電機類(lèi)型進(jìn)行快速和低投入設計全數字、智能驅動(dòng)器的理想核心處理器。具有如下特點(diǎn)： ·可用于控制5種電機類(lèi)型：直流有刷/無(wú)刷電機、交流永磁同步電機、交流感應電機和步進(jìn)電機，且易于嵌入到用戶(hù)的硬件結構中； ·可以選擇獨立或主從方式工作，并可根據需要，設置成通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口進(jìn)行多伺服控制器協(xié)同工作； ·全數字控制環(huán)的實(shí)現，包括電流/轉矩控制環(huán)、速度控制環(huán)、位置控制環(huán)； ·可實(shí)現各種命令結構：開(kāi)環(huán)、轉矩、速度、位置或外環(huán)控制，步進(jìn)電機的微步進(jìn)控制，并可實(shí)現控制結構的配置，其中包括交流矢量控制； ·可以配置使用各種運動(dòng)和保護傳感器（位置、速度、電流、轉矩、電壓、溫度等）； ·使用各種通訊接口，可以實(shí)現RS232/RS485通訊、CAN總線(xiàn)通訊； ·基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平臺，強大功能的IPM Motion Studio 高級圖形編程調試軟件：可通過(guò)RS232快速設置，調整各參數與編程運動(dòng)控制程序。其功能強大的運動(dòng)語(yǔ)言包括：34種運動(dòng)模式、判決、函數調用，事件驅動(dòng)運動(dòng)控制、中斷。因此便于開(kāi)發(fā)和使用。 ·可以通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫TMLlib,利用VC/VB實(shí)現PC機控制；也可以與Labview和PLC無(wú)縫連接，通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫，用戶(hù)可以在上層開(kāi)發(fā)電機的控制程序，研究控制策略。 運動(dòng)控制系統設計 本文是以MotionChip為控制器核心，直流無(wú)刷電機/有刷電機/永磁同步電機為控制對象進(jìn)行伺服驅動(dòng)器設計。設計指標為：適應12—36V寬范圍直流母線(xiàn)電壓輸入，工業(yè)標準5V邏輯電源輸入，最大輸出電流3A，峰值電流6A。在進(jìn)行伺服控制器設計之前，根據MotionChip的特點(diǎn)和伺服電機的特性進(jìn)行總體功能設計如下： ·采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的三環(huán)結構；三環(huán)都采用PID調節器；電機參數設置采用計算機輔助計算和工程整定相結合的辦法； ·具有通用伺服控制器接口，并可利用提供的人機接口進(jìn)行獨立參數設置，有網(wǎng)絡(luò )通訊接口進(jìn)行獨立參數設置，有網(wǎng)絡(luò )通訊接口方便外部監視和控制。 伺服系統的總體系統結構可以分為：MotionChip最小系統、驅動(dòng)電路、電流反饋檢測、外部控制接口、通訊接口等，如圖1所示。伺服驅動(dòng)器的硬件結構分為2個(gè)主要部分：驅動(dòng)電路部分：主要包括逆變橋、前置驅動(dòng)、電流檢測； 控制電路部分：包括反饋檢測、外部控制接口、通訊接口、MotionChip最小系統。 控制系統設計 在MotionChip的基本系統中，選用美國Xicor公司的SPI串行EEPROM：X25650來(lái)存儲TML運動(dòng)指令。該EEPROM的存儲容量為8K×8bit，最大時(shí)鐘頻率可達5MHz。由于在MotionChip正常運行時(shí)指令訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間21ns，所以為了使程序高速有效的運行，增加了2片32可×8bit的靜態(tài)RAM： ASC256-12JC，該SRAM的存取時(shí)間為12ns，所以MotionChip對該芯片的存取時(shí)間為12ns，所以MotionChip對該芯片的存取數據時(shí)不需要插入等待狀態(tài)。并且該SRAM具有較低的活躍功耗，在待機狀態(tài)時(shí)可自動(dòng)進(jìn)入更加低功耗的節能狀態(tài)。MotionChip芯片本身提供了電機控制專(zhuān)用的接口，包括6路PWM信號，在使用中可以配置作為三相電機逆變橋的驅動(dòng)信號。當保護中斷PDPINT有效或電機使能信號ENABLE無(wú)效時(shí)，6路PWM信號立即進(jìn)入高阻狀態(tài)，使逆變橋全部截至，電機停轉。另外，MotionChip為每個(gè)PWM輸出對提供了可編程死區時(shí)間設置（0—102μs），所以不需要外部的死區邏輯電路。碼盤(pán)反饋信號接口有ENCA，ENCB，ENCZ，其中ENCA和ENCB是相位差90°的脈沖信號，ENCZ是碼盤(pán)清零信號。 MotionChip可以對ENCZ和ENCB信號進(jìn)行四倍頻和辨向，然后送入增量計數器計數產(chǎn)生電機的位置信號，碼盤(pán)清零信號ENCZ可對計數誤差進(jìn)行修正。電機霍爾反饋信號HALL1，HALL2，HALL3，是為直流無(wú)刷電機/永磁同步電機進(jìn)行定位磁極設計的。其它重要引腳如DIR、PULSE直接作為電機脈沖指令的輸入接口。LSP，LSN可用來(lái)擴展作為運動(dòng)系統左、右限位事件的捕捉輸入。MotionChip有2個(gè)10位的A/D轉換器，每個(gè)都內建了采樣保持電路，最快采樣速率可達10kHz。模擬信號的輸入范圍通過(guò)MotionChip參考電平輸入管腳VREFLO和VREFHI確定。MotionChip可以工作在獨立運行和檢測引腳AUTORUN進(jìn)行方式選擇的，該引腳接高電平，MotionChip工作在從屬方式，接低電平工作在獨立運行方式。在獨立方式的工作條件下，MotionChip上電后，選檢測到AUTORUN的低電平，進(jìn)入獨立運行方式；然后自動(dòng)從SPI串行EEPROM中的開(kāi)始執行TML程序。 驅動(dòng)系統設計 電機的驅動(dòng)主要包括2個(gè)環(huán)節：電機PWM驅動(dòng)電路和電流檢測。 電機的PWM驅動(dòng)電路如圖2所示。本電路中，無(wú)刷直流電機采用全橋驅動(dòng)，這樣可以使用電機工作于四象限（正向驅動(dòng)、制動(dòng)及反向驅動(dòng)、制動(dòng)）。驅動(dòng)一個(gè)無(wú)刷直流電機需要6路PWM信號，而MotionChip的每個(gè)事件管理模塊（EV）中3個(gè)帶可編程死區控制的比較單元可以產(chǎn)生獨立的3對共6路PWM信號。所以在電路中，直接選用事件管理模塊B（EVB）中的比較單元來(lái)產(chǎn)生6路所需要的PWM信號，其輸出引腳為PWM7~PWM12，其中PWM7~PWM9輸出設為驅動(dòng)MOSFET功率管橋路的上半橋，PWM10~PWM12輸出驅動(dòng)下半橋。DSP輸出的這兩種3路PWM信號經(jīng)過(guò)IR2102前置放大后分別驅動(dòng)MOSFET功率管橋路的上半橋（Q1，Q3，Q5）和下半橋（Q2，Q4，Q6）進(jìn)行電機的驅動(dòng)。 電流檢測 電機電流檢測電路可提供重要的反饋信息，將該信息與來(lái)自主控DSP的控制信號相結合，可以控制MOSFET或IGBT的柵極驅動(dòng)芯片并最終調整電機速度。如果要實(shí)現過(guò)流保護，還必需進(jìn)行電流監控，不過(guò)對于低端應用而言，傳統的過(guò)流保護卻顯得過(guò)于昂貴。電流采樣的方案是在逆變橋的下橋臂串一0.027Ω采樣電阻如圖3（a），采樣電流范圍為0~6.22A，采樣后的電壓放大倍數為14.63倍，放大電路如圖3（b），并經(jīng)2.5V電壓抬升輸入DSP，所以輸入DSP的電流模擬電壓量為： UAD=2.5+I×0.027×14.63。 MotionChip AD口的模擬量輸入電壓為0~5V，所以電流采樣經(jīng)量化的值為： 應用 加氫反應器超聲檢測成像系統是一套適用于現場(chǎng)檢測的加氫反應器堆焊層剝離超聲檢測成像系統，實(shí)現加氫反應器堆焊層層間剝離的在役半自動(dòng)超聲掃查，檢測數據的自動(dòng)存儲、分析與評判，同時(shí)該系統對不同直徑的加氫反應器有一定的適用性。 加氫反應器剝離成像系統的控制系統本質(zhì)上是一個(gè)二維的運動(dòng)控制平臺，從系統要求的性能指標來(lái)看，控制系統需要滿(mǎn)足如下指標： ·水平掃查速度可達6mm/s無(wú)級可調；垂直掃查速度達300mm/s無(wú)級可調； ·能夠實(shí)現粗掃查和精密掃查，對指定的區域實(shí)現精密掃查； ·系統的控制方式分為手動(dòng)/自動(dòng)，兩者之間可以切換； ·X軸（水平）和Y軸（垂直）2個(gè)方向上的運動(dòng)誤差≤±1mm。 系統硬件設計 由此選擇了上述設計的運動(dòng)控制系統，具有體積小，性能高，控制簡(jiǎn)單，價(jià)格低，但是每個(gè)只能控制一個(gè)電機。若要兩臺電機協(xié)同控制，則須通過(guò)RS485總線(xiàn)將其連接起來(lái)�？刂葡到y的總體結構如圖4所示。X向電機用來(lái)控制絲杠的運動(dòng)：選用EC-max32，無(wú)刷70W+減速器為行星輪減速箱（速比為23，型號為GP 32C）+碼盤(pán)（三通道500線(xiàn)）。Y方向電機用來(lái)控制探頭的運動(dòng)，采用RE-32，有刷80W+減速器為行星輪減速箱，型號為GP42C（速比為33）+碼盤(pán)（三通道500線(xiàn)）。圖5示出硬件連接圖。 系統軟件設計 控制系統的軟件是基于Vc++和MotionChip的動(dòng)態(tài)鏈接庫設計的，軟件主要完成對探頭位置的運動(dòng)控制，如圖6。 用戶(hù)操作界面功能有： ·參數設置與顯示模塊主要是設置一些系統參數（如掃查長(cháng)度，探測寬度）和控制參數（如速度參數、加速度參數等）； ·任何時(shí)刻，控制程序都時(shí)刻監視系統的運行狀況，隨時(shí)對系統故障做出相應的處理。 軟件部分包括X向運動(dòng)和Y向的掃查運動(dòng)，數據存儲及處理，手動(dòng)控制，故障處理，運動(dòng)狀態(tài)顯示及故障顯示等。操作界面（GUI）給予清晰、簡(jiǎn)單的用戶(hù)界面，方便用戶(hù)調試、運行，同時(shí)能夠將伺服驅動(dòng)器傳遞過(guò)來(lái)的信息顯示出來(lái)，便于監控。任務(wù)編程模塊將要實(shí)現控制任務(wù)的規劃，如X軸向和Y軸向運動(dòng)等，包括故障查詢(xún)、處理。 運行效果 智能伺服驅動(dòng)器性能的好壞直接決定整個(gè)系統設計的成敗，為此用一直流電機對驅動(dòng)器進(jìn)行測試，電機的電流和位置誤差如圖7（a）、（b）所示，從圖7中可以看出，驅動(dòng)器的響應時(shí)間只有0.12s，位置誤差很小。通過(guò)對通訊速度及上位機控制命令的測試顯示，在實(shí)時(shí)性要求不是非常嚴格的情況下，以RS232串口或者485串口的通訊速率是完全可以滿(mǎn)足系統需求的。 本文基于一類(lèi)新穎的專(zhuān)用伺服控制芯片Motionchip，進(jìn)行了伺服控制器設計和實(shí)踐研究，并設計了一個(gè)功能較為完善的直流無(wú)刷伺服驅動(dòng)器的原型。將該控制器運用到加氫反應器超聲檢測成像系統中對二維的運動(dòng)進(jìn)行控制，保證了整個(gè)系統取得良好的性能。Motionchip這種多功能專(zhuān)用的運動(dòng)控制芯片不僅簡(jiǎn)化了整個(gè)系統的設計過(guò)程，而且具有很好的開(kāi)放性和網(wǎng)絡(luò )性，對中小型項目是非常理想的設計方案。 |
