數(shù)字農(nóng)業(yè)平臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾素瓊

(嘉應(yīng)學(xué)院，廣東梅州514015)

1 數(shù)字農(nóng)業(yè)平臺(tái)電機(jī)選擇

當(dāng)前我國正處于農(nóng)機(jī)化大發(fā)展進(jìn)程中，科技農(nóng)業(yè)是發(fā)展的總趨勢(shì)，農(nóng)業(yè)數(shù)字化是時(shí)代潮流所需。數(shù)字農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)牽涉到計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息與處理技術(shù)、自動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)技術(shù)、視頻技術(shù)、精準(zhǔn)測(cè)試和精準(zhǔn)作業(yè)技術(shù)等，其中開發(fā)一套新型農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)作業(yè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)生產(chǎn)技術(shù)平臺(tái)的建設(shè)的重要部分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分為精準(zhǔn)作業(yè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，通過電路與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)有效驅(qū)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)功能的控制，系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)及驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響到農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)作業(yè)系統(tǒng)的可行性以及位置控制精度［1-2］。系統(tǒng)的整個(gè)驅(qū)動(dòng)及控制要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不但驅(qū)動(dòng)力滿足要求，系統(tǒng)控制物的運(yùn)行及其控制精度必須符合要求。電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)部分也是系統(tǒng)主要的耗能部分，對(duì)電機(jī)技術(shù)改造、對(duì)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)合理設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字農(nóng)業(yè)的節(jié)能環(huán)保的關(guān)鍵［3-5］。

農(nóng)用電動(dòng)機(jī)，在農(nóng)村中使用很廣，涉及到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)機(jī)擔(dān)當(dāng)耗電型動(dòng)力母機(jī)，用電量占農(nóng)村用電總量的75%，在全國有80%的農(nóng)用電動(dòng)機(jī)處于高能耗運(yùn)轉(zhuǎn)。農(nóng)用電機(jī)的更新?lián)Q代、技術(shù)改造是農(nóng)村節(jié)能關(guān)鍵，農(nóng)用電機(jī)的科學(xué)選取型、合理使用等是全面節(jié)能、降低電耗的重要措施。無刷直流電動(dòng)機(jī)既具有簡單結(jié)構(gòu)、可靠運(yùn)行、方便維護(hù)等交流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，又具備良好的調(diào)速性能、勵(lì)磁損耗小及高效等直流電機(jī)的特點(diǎn)［6-9］。采用環(huán)保、節(jié)能、高效的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)替代現(xiàn)有交流電機(jī)、有刷直流電機(jī)，有利于減輕污染、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。

2 電機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用DSP具備高速實(shí)時(shí)高精度處理能力來滿足精準(zhǔn)作業(yè)系統(tǒng)對(duì)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求，系統(tǒng)采用美國 AD公司的 ADMC401定點(diǎn) DSP，ADMC401適用于永磁無刷直流、異步和永磁同步等類電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，它完備的外圍控制接口和豐富的電機(jī)控制外設(shè)電路，將DSP的控制能力和高速運(yùn)算能力結(jié)合到一起，為電機(jī)控制提供可靠、高效的控制平臺(tái)［7，9］。

永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的總體方案是基于DSP的電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)帶機(jī)械式位置傳感器的系統(tǒng)。采用轉(zhuǎn)速反饋、電流反饋的雙閉環(huán)的控制方案是為了使系統(tǒng)得到較好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能，達(dá)到系統(tǒng)的精準(zhǔn)作業(yè)控制目的。轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)通過調(diào)節(jié)電樞電流去控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而控制到轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)還用雙閉環(huán)改善其安全性及工作特性。系統(tǒng)依據(jù)工作可靠、低成本、可靈活用于不同功率、不同電壓的使用場合來設(shè)計(jì)。三相無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 三相無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)控制框圖

圖1中，DSP(ADMC401)是系統(tǒng)的控制核心。位置傳感器檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，位置信號(hào)經(jīng)處理后送入DSP的輸入輸出口，DSP根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息計(jì)算出電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速并與電機(jī)的給定轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，并利用PID算法計(jì)算出結(jié)果作為電流預(yù)期值;電流檢測(cè)電路對(duì)電機(jī)工作電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，采樣電流值與電流預(yù)期值進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號(hào)，利用誤差信號(hào)通過PID算法產(chǎn)生合適的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后，將控制三相全橋逆變器中相應(yīng)的功率管的導(dǎo)通或關(guān)斷，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)電機(jī)的工作電流，從而經(jīng)電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的目的。

3 驅(qū)動(dòng)電路

3.1 驅(qū)動(dòng)主電路

采用三相全橋式驅(qū)動(dòng)電路作為系統(tǒng)的功率驅(qū)動(dòng)主電路，電路如圖2所示。三相全控橋式電路由6個(gè)功率管組成，6個(gè)功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，每一相電機(jī)繞組得電工作必須有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，采用此方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)的三相繞組，電機(jī)可獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩和較小的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)低速時(shí)的平穩(wěn)性和起動(dòng)性能都較好，此驅(qū)動(dòng)方案能較好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的全方位控制。

圖2 功率驅(qū)動(dòng)主電路基本結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)選用MOSFET作為主控開關(guān)器件，它是單極性電壓控制型絕緣柵場效應(yīng)管，具有輸入阻抗高、高頻效應(yīng)好、所需驅(qū)動(dòng)功率小等特點(diǎn)［10-12］，適合應(yīng)用本系統(tǒng)電機(jī)的控制。

3.2 基于IR2130功率管驅(qū)動(dòng)電路

采用三相全橋式的驅(qū)動(dòng)主電路，若用分立電路來實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)主電路中的6個(gè)功率管需要六路驅(qū)動(dòng)電路和六路獨(dú)立電源［13-15］，這樣系統(tǒng)復(fù)雜且性能并不一定好。IR2130是專用驅(qū)動(dòng)模塊，它內(nèi)部有自帶的故障檢測(cè)電路，系統(tǒng)使用集成的IR2130專用驅(qū)動(dòng)模塊后，只需一個(gè)供電電源(15 V直流電源)即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變器中的六個(gè)工作在開關(guān)狀態(tài)的功率管。圖3是IR2130引腳情況及應(yīng)用電路圖［9］，圖中的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出分別經(jīng) R6、R7、R8、R9、R10、R11 至圖2中的六個(gè)功率驅(qū)動(dòng)管的柵極U+、V+、W+、U-、V-、W-。

圖3 IR2130功率管驅(qū)動(dòng)電路

4 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

4.1 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

圖4 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路如圖4所示，系統(tǒng)通過霍爾位置傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)［9，13］，此傳感器是集電極開路輸出式的，所輸出的檢測(cè)信號(hào)需經(jīng)合適的集電極電源VCC和合適的上拉電阻R4、R5、R6得出轉(zhuǎn)子位置的數(shù)字信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)經(jīng)74LS14型施密特觸發(fā)器波形變換后再經(jīng)R10、R11、R12輸出至DSP接口，由DSP處理后形成控制電機(jī)的換相信息和電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算的信息。

4.2 電流采樣與電壓采樣設(shè)計(jì)

因?yàn)橄到y(tǒng)對(duì)調(diào)速性能要求較高，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速信號(hào)負(fù)反饋和電流信號(hào)負(fù)反饋的雙閉環(huán)系統(tǒng)。對(duì)定子繞組的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)到的電流信息還可用于設(shè)計(jì)保護(hù)電路，防止電機(jī)在起動(dòng)、過載、運(yùn)行異常等情況時(shí)因電流過大而對(duì)控制線路或電機(jī)造成傷害。系統(tǒng)中采樣電流信號(hào)的獲得采用較簡單的電阻法，主電路的采樣電流信號(hào)通過電路轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)送至控制電路，進(jìn)而控制到電機(jī)轉(zhuǎn)速，此類控制比較適合小功率電機(jī)、低直流電壓的場合。采樣電路如圖5所示。

圖5 電流采樣與電壓采樣電路

每一個(gè)脈沖調(diào)制周期對(duì)電流采樣一次，電流采樣值經(jīng)R1、C1低通濾波器濾波去干擾后送入雙運(yùn)放LM358第一級(jí)，經(jīng)運(yùn)放同相比例放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)由DSP根據(jù)當(dāng)前的電流值進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制。前級(jí)運(yùn)放LM358同時(shí)輸出至由第二級(jí)運(yùn)放LM358構(gòu)成的反相輸入比較器6腳，比較器輸出信號(hào)用于過流保護(hù)等電路的設(shè)計(jì)。

5 電源的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要48 V、15 V、5 V三種等級(jí)的直流電源。本設(shè)計(jì)作了以下安排:48V直流電源為電機(jī)三相繞組的提供驅(qū)動(dòng)電壓，可用工頻交流電(220 V，50 Hz)經(jīng)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓提供，也可直接由直流電源提供;驅(qū)動(dòng)部分電路用15 V直流電源，可由48 V直流電壓經(jīng)輸出電壓可變的集成三端穩(wěn)壓塊LM317和可調(diào)節(jié)電阻組成;5 V直流電源為放大器、驅(qū)動(dòng)芯片和DSP供電，可由15 V直流電壓經(jīng)一定電路再經(jīng)三端穩(wěn)壓管簡單地獲到。

為避免電機(jī)因電源欠壓故障及保證直流電源有較長的壽命，系統(tǒng)采用直流電源的欠壓保護(hù)措施，通過用電阻分壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電源電壓采樣，分壓輸出經(jīng)ADC處理后由DSP產(chǎn)生保護(hù)信息。

6 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

6.1 主程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件程序包括主程序和中斷服務(wù)子程序，構(gòu)建整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行由主程序負(fù)責(zé)，主程序首先完成控制系統(tǒng)、變量和各模塊的初始化，中斷服務(wù)子系統(tǒng)、寄存器和所需變量的設(shè)置等，然后進(jìn)入等待中斷服務(wù)子程序狀態(tài)［9］。中斷服務(wù)子程序則是在主程序中斷時(shí)執(zhí)行各功能模塊的程序。

6.2 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的處理及轉(zhuǎn)速的計(jì)算

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為直接將傳感器輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)輸入到DSP，DSP將定時(shí)讀取接口信息，以確定轉(zhuǎn)子準(zhǔn)確位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)繞組導(dǎo)通或截止時(shí)序的控制，使無刷直流電動(dòng)機(jī)可靠穩(wěn)定地?fù)Q相。

實(shí)際操作時(shí)，可以通過計(jì)算相鄰兩次傳感器輸出位置狀態(tài)變化的時(shí)間，來推算出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。ADMC401的中斷優(yōu)先級(jí)排列是:定時(shí)器最低，數(shù)字PIO口居中，PWMSYNC最高，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮轉(zhuǎn)子位置信號(hào)輸入、讀取、定時(shí)計(jì)數(shù)在DSP中有序有效地工作，數(shù)字轉(zhuǎn)子位置信號(hào)經(jīng)ADC后直接輸入到DSP的數(shù)字接口，DSP控制器讀取轉(zhuǎn)子位置信息選在PWMSYNC中斷期間，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的定時(shí)計(jì)數(shù)是利用PWMSYNC中斷，獲取電機(jī)的即時(shí)轉(zhuǎn)速。

6.3 電流調(diào)節(jié)器軟件設(shè)計(jì)

雙環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，電流調(diào)節(jié)器為內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)，其主要任務(wù)是通過處理速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與電流反饋信號(hào)，獲得電機(jī)要求的調(diào)控信息(誤差信息)，通過調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號(hào)PWM的占空比q，使電樞繞組中的電流幅值和相位得到即時(shí)有效控制［15］，從而達(dá)到有效控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。電流調(diào)節(jié)器算法如下:

(1)設(shè)置變量和參量;

(2)系統(tǒng)初始化;

(4)電流PID控制，用PID算法計(jì)算電壓平均值;

(6)脈寬調(diào)制信號(hào)PWM寄存器值(q值)更新。

脈寬調(diào)制信號(hào)PWM占空比q的正常范圍為:0≤q≤1，q不可大于1，也不可小于0，q范圍應(yīng)在軟件上作說明規(guī)定。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)控要求q＜0時(shí)，通過軟件令q=0，使電樞電流迅速降低，驅(qū)使電機(jī)快速降速達(dá)到需要值;當(dāng)系統(tǒng)調(diào)控要求q＞1時(shí)，通過軟件令q=1，使電樞電流迅速升高，驅(qū)使電機(jī)快速升速達(dá)到需要值，這種設(shè)定也使電流調(diào)節(jié)器相當(dāng)于有限幅作用。當(dāng)0≤q≤1時(shí)，系統(tǒng)為調(diào)流控速的正常控制范圍，電流或速度與期望值誤差大，q變化大;電流或速度與期望值誤差小，q變化小。電流調(diào)節(jié)器軟件流程圖如圖6所示。

圖6 電流調(diào)節(jié)器軟件流程圖

7 結(jié) 語

本文首先對(duì)數(shù)字農(nóng)業(yè)平臺(tái)中的電機(jī)選型作了分析，農(nóng)用電機(jī)換型及技術(shù)更新是必然;由分析可知，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)及其控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)適應(yīng)于要求精準(zhǔn)作業(yè)的數(shù)字農(nóng)業(yè)平臺(tái)中所需電機(jī)類型和控制系統(tǒng)。系統(tǒng)選用具備高速實(shí)時(shí)處理能力的DSP作核心控制芯片，結(jié)合無刷直流電動(dòng)機(jī)特性，設(shè)計(jì)了永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)，文中特別對(duì)系統(tǒng)的功率主電路及其驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)電路等主要硬件電路作了詳細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)控制系統(tǒng)主要軟件作了設(shè)計(jì)。

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