季蘭龍，曹榮敏，周惠興

（1.北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京100192；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

1 引言

控制系統(tǒng)的研究對(duì)象為永磁式動(dòng)圈型直流直線電機(jī)。直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以看作是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)沿徑向剖開(kāi)，并將電機(jī)的圓周展開(kāi)成直線而形成的。其中定子相當(dāng)于直線電機(jī)的初級(jí)，轉(zhuǎn)子相當(dāng)于直線電機(jī)的次級(jí)，在直線電機(jī)的三相初級(jí)繞組通入三相正弦交流后，會(huì)產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，次級(jí)導(dǎo)條在行波磁場(chǎng)切割次下產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生電流。導(dǎo)條的電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生電磁推力［1］。在這個(gè)電磁推力的作用下，如果初級(jí)和次級(jí)中的一個(gè)固定不動(dòng)，則另一個(gè)就會(huì)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)部件的直線運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

圖1 交流直線電機(jī)氣隙中的行波磁場(chǎng)Fig.1 Traveling magnetic field of linear motor

圖1中，a 為初級(jí)，b 為次級(jí)，c 為行波磁場(chǎng)在直線方向上呈正弦分布，v為行波磁場(chǎng)的移動(dòng)速度也等于動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)速度。

由于直線電機(jī)的負(fù)載直接與直線電機(jī)的動(dòng)子相連，負(fù)載的運(yùn)動(dòng)變化和外部擾動(dòng)直接作用于直線電機(jī)上，因此對(duì)直線電機(jī)的控制提出了較高的要求。結(jié)合現(xiàn)階段直線電機(jī)的控制理論和應(yīng)用研究現(xiàn)狀，本文采用德州儀器（TI）推出一款可驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流（BLDC）與永磁同步（PMSM）電機(jī)的完整電機(jī)控制評(píng)估套件。該控制器基于專用集成型電機(jī)控制芯片比較傳統(tǒng)分立式器件組成的控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外圍器件少、功能齊全、可靠性高等特點(diǎn)。因?yàn)橹本€電機(jī)的工作原理和BLDC 相似，故采用該套件可以加快直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的研發(fā)和應(yīng)用。

2 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)應(yīng)用TI公司旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)控制。通過(guò)直線電機(jī)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)跟蹤電機(jī)位置和速度指令的變化。

2.1 系統(tǒng)組成

直線電機(jī)控制系統(tǒng)總體框架圖如圖2所示。

圖2 直線電機(jī)控制系統(tǒng)總體框架圖Fig.2 Linear motor control system overall frame

驅(qū)動(dòng)器的控制芯片采用TI公司的DSP TMS 320F28035，設(shè)定電機(jī)運(yùn)行速度指令，由DSP芯片發(fā)出PWM 信號(hào)，通過(guò)DRV8312 芯片進(jìn)行調(diào)理、放大、處理后將PWM 信號(hào)傳送給三相全橋逆變電路，控制逆變電路MOSFET器件的依次通斷狀態(tài)，產(chǎn)生直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)所需的三相交流電流，驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)運(yùn)動(dòng)。DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)直線電機(jī)中的霍耳傳感器反饋的電機(jī)次級(jí)位置信號(hào)來(lái)確定［2］。

直線電機(jī)采用U型直線電機(jī)，具體參數(shù)為：額定輸出力30 N，定位精度5 μm，最大運(yùn)行速度1 m/s，允許加速度（3～5）g，最大有效行程380 mm。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的硬件電路分為控制電路和功率驅(qū)動(dòng)電路?？刂齐娐分饕刂菩酒珼SP及其外圍電路、DRV8312 驅(qū)動(dòng)芯片及其外圍電路、霍耳傳感器接口電路、RS232通訊電路和數(shù)字I/O電路等。功率驅(qū)動(dòng)電路包括輸入電源及其保護(hù)電路、電平轉(zhuǎn)換電路、三相逆變電路、PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣電路等。

2.2 功率驅(qū)動(dòng)電路

功率驅(qū)動(dòng)逆變電路控制器件的通斷，實(shí)現(xiàn)將直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娏鞯姆绞絹?lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在本設(shè)計(jì)中使用的電壓型PWM三相全橋逆變器由6 個(gè)MOSFET 開(kāi)關(guān)管和6 個(gè)續(xù)流二極管組成，其中逆變電路原理圖如圖3所示。

圖3 逆變電路工作原理圖Fig.3 Principle diagram of the inverter circuit

圖3中M1，M2，M3，M4，M5，M6為6 個(gè)MOSFET 開(kāi)關(guān)管和6 個(gè)續(xù)流二極管，每個(gè)開(kāi)關(guān)管和續(xù)流二極管反相并聯(lián)組成三相全橋的3個(gè)橋臂。M為直線電機(jī)；U為直流電壓；Hall為霍耳傳感器檢測(cè)的電機(jī)信號(hào)。不考慮觸發(fā)信號(hào)的死區(qū)時(shí)間，上橋臂開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)和下橋臂開(kāi)關(guān)管的控制信號(hào)成互補(bǔ)關(guān)系，即上橋臂觸發(fā)信號(hào)為“1”時(shí)，下橋臂觸發(fā)信號(hào)就為“0”。每個(gè)橋臂的導(dǎo)通角度為180°，同一相的上下兩個(gè)橋臂交替導(dǎo)通，每個(gè)相開(kāi)始導(dǎo)通的角度依次相差120°，這樣在任意時(shí)間只有一對(duì)上下兩臂同時(shí)導(dǎo)通［3］。這樣就形成了驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的三相交流電流。

2.3 控制信號(hào)電路

控制電路主要完成轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的譯碼、驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成、PWM斬波信號(hào)的控制、轉(zhuǎn)速檢測(cè)與控制等功能。

位置和速度傳感器采用3 個(gè)霍耳效應(yīng)（HALL）傳感器，霍耳傳感器通過(guò)檢測(cè)永磁體磁極信號(hào)脈沖到達(dá)的時(shí)刻不同和時(shí)間間隔，得到直線電機(jī)動(dòng)子的位置速度和運(yùn)動(dòng)方向信息。霍耳信號(hào)經(jīng)過(guò)編碼后發(fā)送給DSP F28035 輸入捕獲引腳（CAP，QEP），依據(jù)轉(zhuǎn)子信號(hào)的不同決定三相全橋逆變電路中上下橋臂的關(guān)斷次序。3個(gè)霍耳效應(yīng)傳感器給出3 個(gè)180°重疊信號(hào)，從而提供6 個(gè)強(qiáng)制換相點(diǎn)。當(dāng)檢測(cè)到傳感器輸出的上升和下降邊沿時(shí)，生成相應(yīng)的標(biāo)志［4］。

電流檢測(cè)電路，由放置在主線路上的采樣電阻檢測(cè)電機(jī)電流大小，將電流信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）送至DSP芯片處理運(yùn)算［5］。因?yàn)槿嗄孀冸娐访恳淮螕Q流是在同一個(gè)相上下兩臂之間進(jìn)行的，電機(jī)內(nèi)部每次只有1個(gè)電流。因此，只需放置1 個(gè)電流傳感器就可檢測(cè)電機(jī)3個(gè)相電流［4］。每一次電流測(cè)量使DSP在一個(gè)PWM周期開(kāi)始載入全新的PWM占空比。

整體硬件功能原理示意圖如圖4所示。

圖4 整體硬件功能原理示意圖Fig.4 The overall hardware function principle diagram

圖4左側(cè)為DSP芯片內(nèi)部硬件工作原理示意圖，PWM1～PWM3可以產(chǎn)生6 路PWM 信號(hào)，并分別控制右側(cè)逆變電路中6 個(gè)開(kāi)關(guān)管的通斷。CAP，QEP為捕獲和正交編碼單元用于對(duì)電機(jī)Hall信號(hào)處理，ADC 單元用檢測(cè)逆變電路的電流。UART用于DSP程序和計(jì)算機(jī)上位機(jī)的通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

程序設(shè)計(jì)目標(biāo)針對(duì)開(kāi)發(fā)板上控制DSP 控制芯片編程，實(shí)現(xiàn)采用霍耳效應(yīng)傳感器的直線電機(jī)控制。

3.1 程序設(shè)計(jì)流程

程序采用Code Composer Studio v5.3 版本進(jìn)行開(kāi)發(fā)，采用結(jié)構(gòu)體模塊化、功能遞增構(gòu)建方案。

程序進(jìn)行一系列相關(guān)初始化后，DSP 啟動(dòng)PWM 波形產(chǎn)生程序，進(jìn)入中斷循環(huán)。采樣電阻測(cè)量到的直流總線電流通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化器（ADC）發(fā)送給DSP。在電路板上對(duì)采集到的電機(jī)霍耳效應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理，并將信號(hào)發(fā)給DSP 的GPIO引腳，DSP控制芯片根據(jù)反饋回來(lái)的電流和直線電機(jī)位置速度信號(hào)進(jìn)入PID 調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的伺服控制［6］。

程序流程圖分為主流程圖和中斷程序圖，如圖5a、圖5b所示。

3.2 程序結(jié)構(gòu)功能

程序主控制芯DSP 28035 設(shè)為60 kHz 的PWMDAC；中斷采用DSP 定時(shí)器0 執(zhí)行40 kHz的中斷服務(wù)程序；控制器芯片TMS320F28035 配置為PWM1，PWM2，PWM3用于電機(jī)控制，PWM6A，PWM6B，PWM7A和PWM7B用于DAC輸出［8］。系統(tǒng)程序主要配置信息如表1所示。

圖5 電機(jī)控制程序流程圖Fig.5 Motor control program flow chart

表1 系統(tǒng)程序配置特性Tab.1 System configuration features

程序結(jié)構(gòu)功能總體方框圖直觀表示如圖6所示。

圖6 程序結(jié)構(gòu)功能總體方框圖Fig.6 The overall program structure function block diagram

圖6中，虛線方框模塊為DSP 程序中定義的功能函數(shù)結(jié)構(gòu)體形式［9］。

MOD6_CNT模塊輸出6個(gè)可能值0，1，2，3，4或5。用來(lái)對(duì)應(yīng)生成驅(qū)動(dòng)三相全橋逆變電路中功率器件的6個(gè)換相狀態(tài)。

PWM 模塊用來(lái)產(chǎn)生PWM 實(shí)際輸出波形PWM1～PWM6用來(lái)控制逆變電路開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷。

PID模塊為程序中PID結(jié)構(gòu)體的定義和對(duì)電機(jī)速度設(shè)定值和返回值進(jìn)行電機(jī)PID調(diào)節(jié)控制。

SPEED模塊為電機(jī)速度測(cè)量模塊，依據(jù)霍耳效應(yīng)采集的信號(hào)進(jìn)行速度測(cè)量。

Hall_Sensor 模塊為電機(jī)中霍耳效應(yīng)傳感器對(duì)采集到的霍耳信號(hào)編碼等處理。

VIRTUAL_TIMER 模塊用來(lái)在程序中設(shè)置時(shí)間長(zhǎng)度，其他模塊中對(duì)電機(jī)速度的測(cè)量和控制。

其中，SPEED 模塊程序控制主要代碼如下所列。

3.3 用戶界面（UI）設(shè)計(jì)操作

DRV8312 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制板擁有良好的用戶交互控制顯示界面。能夠很好地顯示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和程序中重要的變量參數(shù)變化信息。

在確保硬件連接正確的情況下，把GUI程序?qū)懭氲紻SP F28035 的固化Flash 中，然后運(yùn)行DRV8312GUIv X.exe 程序，便會(huì)出現(xiàn)用戶交互（UI）界面，如圖7所示。

圖7 上位機(jī)DRV8312界面Fig.7 PC interface of DRV8312

可通過(guò)圖7用戶交互（UI）界面左側(cè)旋鈕來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行速度，中間為電機(jī)速度實(shí)時(shí)顯示，最下方的條形刻度條為電機(jī)相電流值。右側(cè)曲線為程序中主要變量變化：第1 欄為程序中變量Counter 的6 個(gè)取值（對(duì)應(yīng)6 個(gè)PWM 換相狀態(tài)）；第2 欄為霍耳傳感器采集到的電機(jī)位置編碼信號(hào)；第3、第4欄為相電壓的反電動(dòng)勢(shì)。

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試

4.1 程序設(shè)定和霍耳信號(hào)驗(yàn)證

運(yùn)行時(shí)程序中變量Counter 的6 個(gè)取值變化和對(duì)應(yīng)的霍耳傳感器采集到的電機(jī)位置編碼信號(hào)波形圖如圖8所示。

圖8 變量Counter和霍耳信號(hào)波形圖Fig.8 Variables Counter and the hall signal waveforms

分析圖8 可知變量Counter 的6 種可能取值（第1欄）分別上下對(duì)應(yīng)電機(jī)霍耳信號(hào)（第2欄）的6種狀態(tài)，也與電機(jī)6個(gè)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)，和程序設(shè)計(jì)思想一致。這樣可以使PWM波形精確控制全橋逆變電路中功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)直流轉(zhuǎn)化為三相交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.2 逆變電路和反電動(dòng)勢(shì)驗(yàn)證

電機(jī)A，B，C相反電動(dòng)勢(shì)波形如圖9所示。

圖9 反電動(dòng)勢(shì)A，B，C相波形圖Fig.9 The back emf waveforms figure

圖9由上向下依次為A，B，C 相的反電動(dòng)勢(shì)，分析可以看出實(shí)驗(yàn)所得A，B，C 反電動(dòng)勢(shì)在同一時(shí)刻只有一個(gè)導(dǎo)通（處于最高值），依次導(dǎo)通形成三相交流電流，和電機(jī)控制所需電壓波形相符合。

由于反電動(dòng)勢(shì)取決于電機(jī)的運(yùn)行速度，可以通過(guò)監(jiān)控顯示3 個(gè)反相電動(dòng)勢(shì)變量的值交替變化，來(lái)驗(yàn)證每相中采樣電流ADC的運(yùn)行情況。由圖9可以看出反電動(dòng)勢(shì)波形圖和梯形圖與理論上的波形圖符合。直流驅(qū)動(dòng)電流與梯形反電動(dòng)勢(shì)組合作用使得電機(jī)能夠產(chǎn)生一個(gè)恒定轉(zhuǎn)矩。

4.3 設(shè)定速度值和實(shí)際速度值比較

電機(jī)在不同設(shè)定速度下的實(shí)際運(yùn)行速度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示。由于上位機(jī)監(jiān)控顯示界面針對(duì)的是旋轉(zhuǎn)電機(jī)（無(wú)刷直流BLDC），此時(shí)測(cè)量值是將直線電機(jī)參數(shù)轉(zhuǎn)化為直流無(wú)刷電機(jī)運(yùn)行參數(shù)顯示。該型號(hào)無(wú)刷直流電機(jī)為T(mén)I 公司生產(chǎn)的Nema Size 17 BLDC Motor，最高轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。

圖10 設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速Fig.10 Set speed and actual running speed

圖10中上方旋鈕可以設(shè)置電機(jī)運(yùn)行速度，中間條形顯示界面為電機(jī)實(shí)際反饋的速度，最下面為電機(jī)運(yùn)行時(shí)線圈電流值。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，圖10a 速度設(shè)定為600 r/min，實(shí)際測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速為598 r/min；圖10b速度設(shè)定為800 r/min，實(shí)際測(cè)得轉(zhuǎn)速為806 r/min。可以看出電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度和設(shè)定速度接近，本次誤差為6 r/min 說(shuō)明達(dá)到預(yù)期速度伺服控制效果。

4.4 PWM占空比調(diào)節(jié)和速度響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

圖11a、圖11b 分別為PWM 波形占空比設(shè)定為0.1 和0.2 時(shí)速度顯示。上方條形顯示框?yàn)殡姍C(jī)運(yùn)行速度顯示，下方旋鈕為PWM 波形占空比設(shè)定，也可通過(guò)旋鈕下面輸入框直接輸入PWM占空比值。圖11c為當(dāng)PWM波形占空比由0.1變?yōu)?.2時(shí)電機(jī)速度響應(yīng)曲線。

圖11 PWM占空比調(diào)節(jié)和速度響應(yīng)實(shí)驗(yàn)Fig.11 PWM duty ratio and speed response experiment

圖11aPWM占空比設(shè)定為0.1時(shí)速度測(cè)量值為576 r/min；圖11b PWM 占空比設(shè)置為0.2 時(shí)速度測(cè)量值為1 158 r/min，此時(shí)速度約為占空比為0.1 時(shí)的2 倍；圖11c 為當(dāng)PWM 波形占空比由0.1變?yōu)?.2 時(shí)，電機(jī)速度由576 r/min 跳變?yōu)? 158 r/min 時(shí)的速度響應(yīng)曲線?？梢钥闯鏊俣葟?76 r/min 到1 158 r/min 響應(yīng)在較為合理的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)直線電機(jī)的快速伺服控制。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：調(diào)節(jié)PWM 波形占空比可相應(yīng)改變電機(jī)運(yùn)行速度；并且速度測(cè)量值和PWM 占空比值，成比例對(duì)應(yīng)。由此驗(yàn)證占空比調(diào)節(jié)和電機(jī)運(yùn)行速度響應(yīng)正常。

5 結(jié)論

本文在分析直線電機(jī)控制系統(tǒng)原理基礎(chǔ)上，對(duì)比傳統(tǒng)分立式器件和DRV8312 集成型電機(jī)芯片優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)運(yùn)用基于TI公司DRV8312 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制芯片的直線電機(jī)的伺服控制系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)所得電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)和上位機(jī)界面實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過(guò)此方案可以實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的伺服控制，實(shí)現(xiàn)效果達(dá)到預(yù)期設(shè)定目標(biāo)。

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