基于以太網(wǎng)的無位置無刷直流電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 興，吳愛國(guó)，劉玉明，王 碩

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

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基于以太網(wǎng)的無位置無刷直流電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 興，吳愛國(guó)，劉玉明，王 碩

(天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072)

設(shè)計(jì)了基于以太網(wǎng)的無位置傳感器無刷直流電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)的準(zhǔn)確檢測(cè)?？刂破鬟€通過以太網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)高速通信。文中詳細(xì)介紹了以太網(wǎng)控制器RTL8019AS在電機(jī)速度等數(shù)據(jù)傳輸上的應(yīng)用，給出以太網(wǎng)通信模塊的軟、硬件設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,驗(yàn)證了系統(tǒng)運(yùn)行與通信方面的可靠性與穩(wěn)定性。

無刷直流電機(jī)；反電動(dòng)勢(shì)法；過零檢測(cè)；以太網(wǎng)

0 引言

近年來，人們?cè)絹碓疥P(guān)注無位置傳感器控制技術(shù)在無刷直流電機(jī)方面的應(yīng)用。無位置傳感器控制技術(shù)實(shí)質(zhì)是為了省去霍爾位置傳感器，從主電路的信號(hào)中提取出轉(zhuǎn)子位置信息。這里研制的無刷直流電機(jī)無位置傳感器控制系統(tǒng)基于反電動(dòng)勢(shì)法設(shè)計(jì)了新型過零檢測(cè)電路，并采用以太網(wǎng)控制器RTL8019AS，在遠(yuǎn)程PC機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備間進(jìn)行相互通信?，F(xiàn)場(chǎng)控制層與管理層完成了全方位的無縫信息集成，讓電機(jī)控制領(lǐng)域引入現(xiàn)有局域網(wǎng)最通用的通信協(xié)議以太網(wǎng)技術(shù)成為了可能[1]?；谝蕴W(wǎng)的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框架圖

1 反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)三相繞組端電壓信號(hào)中載有很多相對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)頻率而言為高頻信號(hào)的PWM斬波干擾信號(hào)，為了精確檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)過零信號(hào)來濾除高頻干擾信號(hào)，有必要設(shè)計(jì)相關(guān)的低通濾波器，濾波器性能受反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)的精度影響。通常來講，低通濾波器的設(shè)計(jì)原理為不會(huì)因?yàn)闉V波過深而引起輸入波形信號(hào)失真，也能切實(shí)濾除高頻PWM干擾信號(hào)。由于電路各芯片的工作電壓為小電壓，而三相繞組端電壓數(shù)值相比之下非常大，因此這里采用分壓電路將三相繞組端電壓信號(hào)衰減，并用一階無源低通濾波器作為相應(yīng)的低通濾波器[2]。反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)硬件電路實(shí)現(xiàn)如圖2所示，以A相為例，Uao是三相繞組端電壓信號(hào)，R11、R12、R13、R14、R15、R21串聯(lián)與R16分壓，一階低通濾波器由C2和分壓電路組成，將高頻PWM干擾信號(hào)除掉。

圖2 端電壓調(diào)理電路

三相繞組端電壓信號(hào)和中性點(diǎn)電壓信號(hào)經(jīng)過濾波后進(jìn)入電壓比較器，能夠產(chǎn)生反應(yīng)轉(zhuǎn)子位置信息的數(shù)字信號(hào)UA、UB、UC，這3個(gè)隨反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)信號(hào)而發(fā)生跳變的數(shù)字信號(hào)通過光耦TLP117隔離后最終進(jìn)入DSP的CAP捕獲端口，如圖3所示。

圖3 過零點(diǎn)比較電路

2 工業(yè)以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)

2.1 以太網(wǎng)通信模塊功能

以太網(wǎng)控制器和遠(yuǎn)程PC機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信的TCP/ IP協(xié)議棧，是保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性的基礎(chǔ)。DSP與無刷直流電機(jī)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，完成無位置控制算法、PWM脈沖輸出等功能。嵌入式以太網(wǎng)接口由DSP TMS320F2812和以太網(wǎng)控制器RTL8019AS構(gòu)成，DSP負(fù)責(zé)控制算法實(shí)現(xiàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)被以太網(wǎng)控制器RTL8019發(fā)送至以太網(wǎng)或從以太網(wǎng)接收[3]。以太網(wǎng)控制器芯片RTL8019AS將由DSP產(chǎn)生的電機(jī)的速度等電機(jī)的狀態(tài)信息經(jīng)計(jì)算、濾波后傳送到以太網(wǎng)接口RJ45，再驅(qū)動(dòng)路由器連接至互聯(lián)網(wǎng)，通過互聯(lián)網(wǎng)訪問控制器在瀏覽器中輸入IP地址即可。遠(yuǎn)程PC機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)控制系統(tǒng)的控制與監(jiān)測(cè)，設(shè)定轉(zhuǎn)速并控制電機(jī)啟停，獲取運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，并保存現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息，訪問監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫。

2.2 RTL8019AS以太網(wǎng)控制器特點(diǎn)

RTL8019AS作為以太網(wǎng)控制器，其特點(diǎn)包括:收發(fā)同時(shí)達(dá)到10 Mbit/s；支持UTP,AUI、BNC、自動(dòng)檢測(cè)，帶有即插即用功能，符合Ethernet II和EEE802.3標(biāo)準(zhǔn)；為減少對(duì)主處理器的要求，內(nèi)部設(shè)有16K字的用于發(fā)送和接收的SRAM緩沖器；支持8/16位數(shù)據(jù)總線；帶有即插即用等功能，還能夠自動(dòng)極性修正IOBaseT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，RTL8019AS提供TQFP封裝，減少了PCB面積。

2.3 以太接口硬件電路設(shè)計(jì)

DSP TMS320F2812通過對(duì)寄存器編程實(shí)現(xiàn)對(duì)RTL8019AS的控制，這里僅用5根地址線與RTL8019AS相連。RTL8019AS芯片選定在跳線模式下工作。由于DSP的I/O空間與程序數(shù)據(jù)空間的地址區(qū)域相同，須使用TMS320F2812的控制信號(hào)讀寫RTL8019AS寄存器。TMS320F2812的讀/寫速度很快，實(shí)際上 RTL8019AS的 16 位數(shù)據(jù)線SD0～SD15可直接與 TMS320F2812 的 16 位數(shù)據(jù)線XD0～XD15相接，配合DSP TMS320F2812輸出的地址信號(hào)方便讀寫[4]。此外，為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)接口，采用雙絞線作為以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)，將RTL8019AS的TPOUT與TPIN引腳通過專用隔離變壓器20FOO1N接至RJ45插座。雙絞線驅(qū)動(dòng)/接收芯片20F001N是連接RTL8019AS和RJ-45的芯片，內(nèi)部設(shè)有2個(gè)傳輸變壓器[5]。它的TPOUT+,TPOUT-,TPIN+和TPIN-引腳分別對(duì)應(yīng)接RTL8019AS的TPOUT+,TPOUT-,TPIN+和TPIN-引腳;它的TPRX+,TPRX-,TPTX+和TPTX-引腳分別與RJ-45接口的RX+-,TX+-端相連[6]。RTL8019AS接口圖如圖4所示。

圖4 RTL8019AS接口圖

2.4 以太網(wǎng)通信模塊軟件設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)通訊軟件設(shè)計(jì)遵從模塊化設(shè)計(jì)方案，主要模塊包括初始化和通訊控制。

(1)初始化模塊，主要包括以太網(wǎng)控制器RTL8019AS的驅(qū)動(dòng)程序和TCP/IP協(xié)議棧定義2部分。常用的TCP/ IP協(xié)議因繁瑣冗雜的特點(diǎn)使得很多DSP資源會(huì)被占用，不宜在DSP上直接應(yīng)用，所以有必要編寫1個(gè)精簡(jiǎn)的TCP/ IP協(xié)議棧。當(dāng)電機(jī)通過DSP實(shí)現(xiàn)啟停、調(diào)速等控制時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相關(guān)數(shù)據(jù)信息并由RTL8019傳遞到雙絞線中去，最終被反應(yīng)到遠(yuǎn)程PC機(jī)上來。這些信號(hào)依次經(jīng)過TCP/ IP協(xié)議棧的各個(gè)層傳遞，并在每層上加上自己獨(dú)有的控制信息。

(2)控制模塊，指網(wǎng)絡(luò)通信及控制部分，即產(chǎn)生相關(guān)控制信號(hào)并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程PC機(jī)。本文首先采用反電動(dòng)勢(shì)法進(jìn)行無位置傳感器雙閉環(huán)控制，此后電機(jī)控制系統(tǒng)將發(fā)送一些事件觸發(fā)的信息，如通過TCP協(xié)議傳送電機(jī)的開機(jī)、關(guān)機(jī)等指令。而其他周期性信息，如定時(shí)將電機(jī)的轉(zhuǎn)速等信息利用UDP協(xié)議發(fā)送給遠(yuǎn)程控制計(jì)算機(jī)[7]。

系統(tǒng)工作在服務(wù)器/客戶端模式，DSP控制器作為服務(wù)器端，遠(yuǎn)程PC機(jī)作為客戶端，采用循環(huán)工作方式，完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。JAVA腳本語言用來編寫遠(yuǎn)程PC機(jī)程序，從以太網(wǎng)總線獲得電機(jī)信息狀態(tài)，并實(shí)時(shí)刷新網(wǎng)頁。此外，還根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)、故障診斷與處理等，通過總線驅(qū)動(dòng)繼電器組中的相應(yīng)繼電器，向電機(jī)DSP控制器發(fā)送啟停、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速等操作指令[8]。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 通信模塊軟件流程圖

3 精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議棧的具體實(shí)現(xiàn)

在初始化模塊中，需要精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議棧。首先，數(shù)據(jù)由應(yīng)用層向下傳輸，在傳輸層加上UDP首部形成UDP報(bào)文。然后，由傳輸層繼續(xù)向下傳輸，在網(wǎng)絡(luò)層加上IP首部形成IP數(shù)據(jù)包。最后，網(wǎng)絡(luò)層繼續(xù)向下傳輸，在鏈路層構(gòu)成以太網(wǎng)幀進(jìn)行傳輸[9]。數(shù)據(jù)協(xié)議封裝如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)協(xié)議封裝示意圖

首先，傳輸層用到TCP協(xié)議和UDP協(xié)議。以UDP為例，實(shí)時(shí)性高的數(shù)據(jù)常用UDP協(xié)議傳輸，如電機(jī)周期性速度信號(hào)。以下程序?yàn)閁DP首部定義部分：

typedef struct

{

UINT8 port_sou;//源端口號(hào)

UINT8 port_dest; //目的端口號(hào)

UINT8 len;//報(bào)文總長(zhǎng)度

UINT8 sum_che;//校驗(yàn)和

}

UDP_HEADER; //UDP首部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

其次，網(wǎng)絡(luò)層用到IP協(xié)議是在UDP報(bào)文基礎(chǔ)上加上IP首部。IP首部程序定義如下：

Typedef struct

{

UINT8 ver_len;//版本號(hào)+報(bào)頭長(zhǎng)度

UINT8 serv_type;//服務(wù)類型

UINT8 len_tot;//總長(zhǎng)度

UINT8 iden; //標(biāo)識(shí)字段

UINT8 info_frag;//標(biāo)志位+段偏移

UINT8 ttl; //生存期TTL：

UINT8 id_proto; //協(xié)議

UINT8 cksum_header;//頭部校驗(yàn)和

UINT8 ipad_sou;//源IP地址

UINT8 ipad_dest;//目的IP地址

}

IP_HEADER;//IP首部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

接下來，在鏈路層上傳輸?shù)氖且蕴W(wǎng)幀，相關(guān)程序定義如下：

Typedef struct

{

UINT8 hwad_dest; //目標(biāo)MAC地址

UINT8 hwad_sou; //源MAC地址

UINT8 type_frame;//上層所攜帶的數(shù)據(jù)類型

}

ETH_HEADER;//以太網(wǎng)幀頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在完成了鏈路層的以太網(wǎng)幀封裝后，還須實(shí)現(xiàn)ARP，即地址解析協(xié)議。ARP報(bào)文程序定義如下：

Typedef struct

{

UINT8 type_hard;//硬件類型

UINT8 type_pro;//協(xié)議類型

UINT8 len_hwad;//硬件地址長(zhǎng)度

UINT8 len_ipad;//協(xié)議地址長(zhǎng)度

UINT8 type_mes;//操作碼

UINT8 hwad_sou;//發(fā)送端MAC地址

UINT8 ipad_sou;//發(fā)送端IP地址

UINT8 hwad_dest;//接收端MAC地址

UINT8 ipad_dest;//接收端IP地址

}ARP_HEADER; //ARP報(bào)文數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

傳輸層的UDP協(xié)議和TCP協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議、鏈路層的以太網(wǎng)幀協(xié)議和ARP協(xié)議組成了精簡(jiǎn)的TCP/IP協(xié)議棧。

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)以TMS320F2812為無刷電機(jī)控制核心，完成對(duì)無位置傳感器無刷直流電機(jī)的控制。采用額定轉(zhuǎn)速為4 000 r/min，額定電壓300 V、額定功率1 kW、極對(duì)數(shù)2極、200 V的無刷直流電動(dòng)機(jī)。考慮到安全性，本次試驗(yàn)把電機(jī)轉(zhuǎn)速限定為3 500 r/min。試驗(yàn)中，無刷直流電機(jī)無位置傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輕載啟動(dòng)，并在穩(wěn)定后突加外界擾動(dòng)，轉(zhuǎn)速波形如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可見，當(dāng)啟動(dòng)成功，轉(zhuǎn)速攀升至預(yù)定轉(zhuǎn)速后，額外增加一短暫的負(fù)載擾動(dòng)，形成的曲線圖是通過基于以太網(wǎng)傳輸至上位機(jī)得到數(shù)據(jù)而成。從試驗(yàn)可以看出，該系統(tǒng)降低小幅速度后迅速調(diào)整到原來的速度，驗(yàn)證了快速、穩(wěn)定的無位置傳感器控制。在整個(gè)過程中，電機(jī)控制器與上位機(jī)之間的通信非常及時(shí)、可靠、穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

反電動(dòng)勢(shì)過零電路為核心硬件的無刷直流電動(dòng)機(jī)無位置控制部分實(shí)現(xiàn)了位置信號(hào)的精確估計(jì)，確保無傳感器控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠。該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度降低，并顯示出良好的擴(kuò)展性。同時(shí)，對(duì)無刷直流電機(jī)的遠(yuǎn)程控制通過以太網(wǎng)通信技術(shù)的運(yùn)用也得以完成。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可靠、數(shù)據(jù)通信準(zhǔn)確。此外，以太網(wǎng)通信模塊體積小、功耗低、抗干擾性好、處理能力強(qiáng)，可在電磁干擾強(qiáng)的復(fù)雜環(huán)境中工作；整個(gè)通信過程穩(wěn)定、可靠，有效地保證了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)速控制。

[1] 關(guān)宗安，仲叢久，張芝賢，等.基于TMS320F2812 DSP的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì).電子技術(shù)應(yīng)用，2009(3):94-96.

[2] 劉玉明，吳愛國(guó)，王碩.基于反電動(dòng)勢(shì)法BLDCM轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法的改進(jìn).儀表技術(shù)與傳感器，2013(6):115-117；120.

[3] 樊楊鎏，李琨，李靜，等.基于嵌入式以太網(wǎng)的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng).機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007(1):118-120.

[4] 劉海峰.基于DSP的TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用研究.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2006(2):179-181.

[5] 苗大龍，李果，張廣明，等.基于AT89C51RC的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).機(jī)床與液壓，2011(2):101-103．

[6] 王治學(xué)，王海龍，宋軍華.RTL8019AS網(wǎng)卡芯片在以太網(wǎng)通信中的應(yīng)用.現(xiàn)代儀器，2009(4):15-17.

[7] 馬曉偉，馬鈞華.以太網(wǎng)在電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.輕工機(jī)械，2006(3):87-89.

[8] 閆曉娟，劉景林.嵌入式無刷直流電機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng).計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010(6):1335-1338.

[9] 王永華.一種網(wǎng)絡(luò)多媒體集成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：[學(xué)位論文].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2006.

Design of System Based on Ethernet Bus for Sensorless Brushless DC Motor

ZHANG Xing,WU Ai-guo,LIU Yu-ming,WANG Shuo

(School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

A back-EMF zero-crossing detection circuit of sensorless brushless DC motor (BLDCM) based on Ethernet bus was designed and accurate detection of back-EMF zero-crossing signal was achieved.Ethernet bus was used to accomplish the real time communication between the controller and remote computer.The application of speed of Ethernet controller RTL8019AS was extensively introduced,providing with the software and hardware design of Ethernet bus communication modules.In the last,the testing results on assessing reliability,stability,and timeliness of Ethernet bus communication were also presented.

brushless DC motor ; back-EMF method ;zero-crossing detecting; Ethernet bus

2014-06-04 收修改稿日期：2014-11-15

TM381

A

1002-1841(2015)04-0069-04

張興(1989—)，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)閭鞲衅骷半姍C(jī)系統(tǒng)。E-mail：z541740599@126.com 吳愛國(guó)(1954— )，教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏﹄娮蛹半姍C(jī)控制。E-mail：agwu@tju.edu.cn