低成本高可靠永磁無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

呼明亮　嚴會會

摘要：該文所設(shè)計的永磁無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)采用sT公司的8位低成本高性能單片機STM8S105實現(xiàn)電機控制算法，功率驅(qū)動電路采用TI公司的DRV8301芯片實現(xiàn)功率驅(qū)動電路和控制器工作電源變換，采用LTC公司的電源專用芯片LTC4364-1實現(xiàn)電源過壓、欠壓和過流故障保護，并配置位置傳感器，可滿足高精度伺服控制需求。實驗結(jié)果表明，該文設(shè)計的系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高的特性，可廣泛應用于中低壓永磁無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：永磁無刷直流電機；驅(qū)動；保護；可靠性

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）06-0192-03

永磁無刷直流電機因其結(jié)構(gòu)簡單、啟動力巨大、調(diào)速性能好、功率密度高、易維護等諸多優(yōu)點，而被廣泛應用于工業(yè)控制、精密儀器、機器人、電動汽車、航空航天等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的永磁無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)硬件電路一般采用分立器件或功率驅(qū)動模塊（IPM）方式實現(xiàn)，其電路設(shè)計復雜、體積大、可靠性低和靈活性較差，同時其價格較為昂貴，不適用于批量生產(chǎn)。

本文設(shè)計了一套低成本、高可靠永磁無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)，控制器采用ST公司的8位高性能單片機STM8S105實現(xiàn)電機控制算法，功率驅(qū)動電路采用TI公司的DRV8301芯片實現(xiàn)功率驅(qū)動電路和控制器工作電源變換，采用LTC公司的電源專用芯片LTC4364-1實現(xiàn)電源過壓、欠壓和過流故障保護，系統(tǒng)配置電機電流檢測模塊、輸出狀態(tài)采集模塊、霍爾位置傳感器采集模塊和正交編碼器位置狀態(tài)采集模塊，用于提高電機控制精度和可靠性，電路設(shè)計簡潔、完備，通用性好，擴展性強，可廣泛應用于中低壓永磁無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)。

1總體設(shè)計

永磁無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)主要包括電機控制器模塊、三相功率橋驅(qū)動模塊、功率模塊、霍爾位置傳感器檢測模塊和輸出狀態(tài)采集模塊?？刂破魍ㄟ^RS485通訊總線接收上位機發(fā)送的電機轉(zhuǎn)動命令，依據(jù)霍爾位置傳感器和正交編碼器輸出的轉(zhuǎn)子位置進行邏輯運算，并結(jié)合電機電流產(chǎn)生PWNM功率驅(qū)動信號，經(jīng)驅(qū)動器和功率模塊變換實現(xiàn)功率信號放大，作用至電機繞組，控制電機按照給定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)精確伺服控制?？刂七^程中，電源監(jiān)控模塊實時監(jiān)控功率電源過壓、欠壓和過流狀態(tài)，實現(xiàn)功率電路保護。輸出狀態(tài)采集模塊周期監(jiān)控功率電路輸出狀態(tài)，參與BIT邏輯運算，實現(xiàn)電機故障診斷。

2硬件設(shè)計

2.1控制器電路設(shè)計

控制器電路的主要功能是結(jié)合電機位置狀態(tài)反饋信號、電機相電壓、相電流等信號實現(xiàn)電機控制算法。本文采用意法半導體公司專門針對電機控制推出的8位高性價比單片機STM8S105實現(xiàn)電機算法控制。圖2所示為控制器最小系統(tǒng)。

其工作頻率可達16MHz，寬電壓工作：2.95V-5.5V，溫度范圍-40℃～125℃，采用三級流水線哈佛架構(gòu)，具備豐富的外設(shè)資源，包括7通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間小于5微秒，1路SPI接口，1路PC接口，配置25路獨立通用輸入輸出接口，芯片開發(fā)資源豐富，技術(shù)支持完備，且價格低廉，特別適用于低成本、高性能永磁無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)開發(fā)。

芯片配置4路定時器，其中定時器1為16位高性能控制定時器，利用其互補輸出、死區(qū)控制和中心對齊PWM方式，該定時器可被用于產(chǎn)生PWM斬波信號，定時器1發(fā)出的PWM信號經(jīng)功率驅(qū)動電路作用至上橋功率管，GPIO發(fā)出的控制信號經(jīng)功率驅(qū)動電路作用至下橋功率管。

2.2驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路的主要功能是將控制器發(fā)出的驅(qū)動信號，經(jīng)放大，控制功率MOSFET開通和關(guān)斷，為電機提供三相電流。DRV8301是11公司專門針對三相電機驅(qū)動應用的柵極驅(qū)動器，芯片內(nèi)部集成死區(qū)電路，具備電源電壓欠壓、過壓保護，電流過流、過熱保護等功能，保證系統(tǒng)可靠工作。芯片可驅(qū)動6路N溝道MOSFET場效應管，支持寬電壓范圍（6V到60V）工作，最大峰值灌電流2.3A，拉電流1.7A。芯片運用自舉技術(shù)簡化了硬件結(jié)構(gòu)，省去了多路輔助電源。DRV8301驅(qū)動芯片內(nèi)部功能框圖如圖4所示，主要包括Buck變換電路、控制和保護邏輯、三相功率橋驅(qū)動和兩路電流檢測運放。

DRV8301內(nèi)部集成了Buck變換電路，與TPS54160功能相同，供外部控制器或其他模塊供電，驅(qū)動能力為1.5A。Buck變換電路與芯片內(nèi)部其他功能獨立，驅(qū)動電路故障情況時，電源芯片正常工作，保證了系統(tǒng)的可靠工作。DRV8301還包括兩路電流檢測放大電路，實現(xiàn)電機相電流的精確放大，運放通過偏執(zhí)電壓設(shè)置，支持雙向電流檢測，運放檢測電路可通過SPI實現(xiàn)放大增益配置，從而滿足不同電壓范圍采集要求，提高采集精度。

2.3電源監(jiān)控電路設(shè)計

永磁無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)中，電源必須支持短暫持續(xù)時間的高壓浪涌，同時必須對電機負載實現(xiàn)過電壓瞬變的保護，并提供繼續(xù)運行能力。系統(tǒng)選用凌力爾特公司的專用芯片LTC4364實現(xiàn)。LTC4364專為抑制高壓浪涌和抑制輸出電壓而設(shè)計，具有理想二極管特性，保護負載免遭高電壓瞬變的損壞。LTC4364芯片的HGATE管腳驅(qū)動N溝道MOSFET（V1），以限制電源瞬變或過流過程中輸送至負載電路的電壓和電流。正常情況下處于導通狀態(tài)，并提供低阻抗通路；而在過壓和過流情況下負責耗散功率。DGATE管腳驅(qū)動另一個N溝道MOSFET（V2），替代實現(xiàn)反向輸出保護和輸出電壓保持功能的肖特基二極管，實現(xiàn)電源輸入防反保護，并在輸入短路時，隔斷反向電流。LTC4364通過監(jiān)測SENSE引腳和OUT引腳之間的電阻電壓，實現(xiàn)過流保護，當二者之間的電壓差大于50mV時，將關(guān)斷V1場效應管。LTC4364可精確地監(jiān)視輸入電源的過壓（0V）和欠壓（UV）情況，計算公式分別為公式（1）和公式（2）。LTC4364電路原理如圖5所示。

2.4位置信號采集電路設(shè)計

永磁無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)低速時速度和位置測量容易失真，系統(tǒng)一般結(jié)合霍爾傳感器和光柵編碼器（磁編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器）實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速范圍位置、速度和加速度狀態(tài)信息反饋。系統(tǒng)選用MAXON公司的4096CPT，雙通道線性正交編碼器作為速度和位置反饋，電路交聯(lián)圖如圖6所示，正交編碼器發(fā)出的差分信號，經(jīng)SM3490轉(zhuǎn)換后送入FPGA，F(xiàn)PGA依據(jù)A、B信號間的相位關(guān)系，判斷電機轉(zhuǎn)動方向，通過計算A、B信號的頻率，獲取電機轉(zhuǎn)速，通過記錄A、B信號的脈沖個數(shù)，獲取電機絕對位置。

3軟件設(shè)計

永磁無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)通過實時采集電機位置、速度和電流信號，實現(xiàn)電機精確伺服控制，系統(tǒng)通過定時器TIM1實現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制，達到對電機的穩(wěn)定控制，整個控制系統(tǒng)軟件包括主程序和中斷服務(wù)程序等。主程序用來完成控制系統(tǒng)的時鐘、I/O端口、定時器等部件的初始化、電機運行和故障診斷等工作。中斷程序中通過讀取三個霍爾傳感器狀態(tài)獲取電機轉(zhuǎn)子的位置信息，查表1獲得換向邏輯，中斷服務(wù)程序軟件流程圖如圖7所示。

4實驗

實驗采用MAXON公司的三相永磁無刷直流電機EC60作為被控對象，參數(shù)如下：額定功率P_N=1，5kW，相電流I_ph=2.4A，極對數(shù)P=7，額定轉(zhuǎn)速600r/min，定子相電感L=1.4mH，電子相電阻R=0.504Ω，轉(zhuǎn)矩常數(shù)K_T=0.132N/mA。圖8所示為電機相電壓波形，圖9所示為電機相電流波形，實驗結(jié)果證明，本文設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠滿足永磁無刷直流電機伺服控制要求。

5結(jié)論

本文所設(shè)計的永磁無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)采用ST公司的8位高性能單片機STM8S105實現(xiàn)電機控制算法，功率驅(qū)動電路采用TI公司的DRV8301芯片實現(xiàn)功率驅(qū)動電路和控制器工作電源變換，采用LTC公司的電源專用芯片LTC4364-1實現(xiàn)電源過壓、欠壓和過流故障保護，并配置位置傳感器，可滿足高精度伺服控制需求。本文設(shè)計的系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高的特性，可廣泛應用于中低壓永磁無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)。