直流无刷伺服电机运动控制系统设计
来源: 作者: 发布时间:2015-04-02 10:30:10 浏览量:
Motionchip是一种性能优异的专用运动控制芯片,扩展容易,使用方便。本文基于该芯片设计了一款可用于直流有刷/无刷伺服电机的智能伺服驱动器,并将该驱动器运用到加氢反应器超声检测成像系统中,上位机通过485总线分别控制直流有刷电机和无刷电机,取得了很好的控制效果,满足了该系统的高精度要求。
在传统的电机伺服控制装置中,一般采用一个或多个单片机作为伺服控制的核心处理器。由于这种伺服控制器外围电路复杂,计算速度慢,从而导致控制效果不理想。近年来,许多新的电机控制算法被研究并运用于电机控制系统中,如矢量控制、直接转矩控制等。随着这些控制算法的日益复杂,必须具备高速运算能力的处理器才能实现实时计算和控制。为了适应这种需要,国外许多公司开发了控制电机专用的高档单片机和数字信号处理器(DSP)。现在,通常使用的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP和大规模可编程逻辑器件组成,这种方案可以根据不同需要,灵活的设计出性能很好的专用伺服控制器,但是一般研制周期都比较长。
MotionChip的特点
MotionChi电感电流p是瑞士Technosoft公司开发的一种高性能且易于使用的电机运动控制芯片,它是基于TMS320C240的DSP,外围设置了许多电机伺服控制专用的可编程配置管脚。TMS320C240是美国TI公司推出的电机控制专用16位定点数字信号处理器,其具有高速的运算模压电感能力和专为电机控制设计的外围接口电路。MotionChip很好的利用了该DSP的优点,并集成多种电机控制算法于一身,以简化用户设计难度为目的,设计成为一种新颖的电机专用控制芯片。MotionChip有着集成全部必要的配置功能在一块芯片的优点,它是一种为各种电机类型进行快速和低投入设插件电感计全数字、智能驱动器的理想核心处理器。具有如下特点:
·可用于控制5种电机类型:直流有刷/无刷电机、交流永磁同步电机、交流感应电机和步进电机,且易于嵌入到用户的硬件结构中;
·可以选择独立或主从方式工作,并可根据需要,设置成通过网络接口进行多伺服控制器协同工作;
·全数字控制环的实现,包括电流/转矩控制环、速度控制环、位置控制环;
·可实现各种命令结构:开环、转矩、速度、位置或外环控制,步进电机的微步进控制,并可实现控制结构的配置,其中包括交流矢量控制;
·可以配置使用各种运动和保护传感器(位置、速度、电流、转矩、电压、温度等);
·使用各种通讯接口,可以实现RS232/RS485通讯、CAN总线通讯;
·基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平台,强大功能的IPM Motion Studio 高级图形编程调试软件:可通过RS232快速设置,调整各参数与编程运动控制程序。其功能强大的运动语言包括:34种运动模式、判决、函数调用,事件驱动运动控制、中断。因此便于开发和使用。
·可以通过动态链接库TMLlib,利用VC/VB实现PC机控制;也可以与Labview和PLC无缝连接,通过动态链接库,用户可以在上层开发电机的控制程序,研究控制策略。
运动控制系统设计
本文是以MotionChip为控制器核心,直流无刷电机/有刷电机/永磁同步电机为控制对象进行伺服驱动器设计。设计指标为:适应12—36V宽范围直流母线电压输入,工业标准5V逻辑电源输入,最大输出电流3A,峰值电流6A。在进行伺服控制器设计之前,根据MotionChip的特点和伺服电机的特性进行总体功能设计如下:
·采用位置环、速度环、电流环的三环结构;三环都采用PID调节器;电机参数设置采用一体电感计算机辅助计算和工程整定相结合的办法;
·具有通用伺服控制器接口,并可利用提供的人机接口进行独立参数设置,有网络通讯接口进行独立参数设置,有网络通讯接口方便外部监视和控制。
伺服系统的总体系统结构可以分为:MotionChip最小系统、驱动电路、电流反馈检测、外部控制接口、通讯接口等,如图1所示。伺服驱动器的硬件结构分为2个主要部分:驱动电路部分:主要包括逆变桥、前置驱动、电流检测;
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