小型化智能控制驅(qū)動(dòng)器研發(fā)

宋正起 王燕 昆明人月科技有限公司

引言

進(jìn)入21世紀(jì)后，智能驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入飛速發(fā)展階段，在軍事、工業(yè)和服務(wù)等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。就目前而言大多數(shù)智能控制驅(qū)動(dòng)器的體積較大，在安裝及攜帶時(shí)有諸多不方便因素，特別是在運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)控制艱難的條件下，導(dǎo)致在部分智能控制效果不佳，不能達(dá)到預(yù)期的目的和效果，成為行業(yè)中較難客服的問(wèn)題之一。

基于上述眾多因素，本次研究在前人基礎(chǔ)上，創(chuàng)新實(shí)施微型化智能控制驅(qū)動(dòng)器，克服了以往諸多問(wèn)題，同時(shí)突出本項(xiàng)目中控制和驅(qū)動(dòng)一體化、智能化的特點(diǎn)，控制器中將融入先進(jìn)非線性控制策略，以提升控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)精度和各種魯棒性能。

1 驅(qū)動(dòng)及控制技術(shù)研究

控制器與驅(qū)動(dòng)器之間有緊密關(guān)系，兩者之間形成緊密默契的關(guān)系，才能有效提高工作效率，此次所使用技術(shù)主要如下所述。

1.1 驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究

此次研究所用的驅(qū)動(dòng)器在實(shí)現(xiàn)高功率密度比的同時(shí)，將兼容各種形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括有刷直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)BLDC、永磁同步電機(jī)PMSM等；針對(duì)各種類型的伺服傳感器，如霍爾傳感器、增量式編碼器、絕對(duì)式編碼器等提供匹配接口。

驅(qū)動(dòng)器為各種應(yīng)用目的和環(huán)境提供不同的電機(jī)控制算法，如SPWM控制、SVPWM控制、6步換向控制、磁場(chǎng)定向控制FOC等。本項(xiàng)目同時(shí)開(kāi)發(fā)與小型化智能控制驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的WINDOWS集成調(diào)試界面，為伺服控制和運(yùn)動(dòng)控制工程師提供符合人機(jī)工程的高效調(diào)試體驗(yàn)，降低工程師的調(diào)試工作強(qiáng)度，并免除對(duì)復(fù)雜控制理論的掌握要求，確保大多數(shù)工程師可以高效率開(kāi)發(fā)出高性能的控制系統(tǒng)。此次研究驅(qū)動(dòng)方式主要采用單電壓功率、雙電壓功率、高低壓功率、斬波恒流及細(xì)分驅(qū)動(dòng)多種方式結(jié)合，以達(dá)到更好的效果。

1.2 控制器技術(shù)研究

近年來(lái)我國(guó)在微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論研究、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)等方面逐漸與國(guó)際接軌，這為小型化智能控制驅(qū)動(dòng)器的研發(fā)提供了強(qiáng)有力的支撐。此次研究涉及控制器硬件和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路硬件研發(fā)、電機(jī)控制算法工程應(yīng)用研究、先進(jìn)控制算法研究、應(yīng)用軟件界面開(kāi)發(fā)等。此次研究所用到的控制器在前人研究基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相關(guān)創(chuàng)新和總結(jié)，主要采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA、單片機(jī)MCU、PC104工控機(jī)等相關(guān)硬件及其外圍電路開(kāi)發(fā)；此外在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路硬件研發(fā)方面也進(jìn)行了創(chuàng)新。

在電機(jī)控制算法工程應(yīng)用中對(duì)諸如SPWM控制方式、SVPWM控制方式、6步換向控制方式、磁場(chǎng)定向控制FOC方式進(jìn)行了相關(guān)樣機(jī)驗(yàn)證；先進(jìn)控制算法研究方面與高校進(jìn)行廣泛交流，同時(shí)跟蹤科研機(jī)構(gòu)的先進(jìn)控制算法工程應(yīng)用情況，在此次研究中融入和測(cè)試了先進(jìn)非線性控制算法、擾動(dòng)補(bǔ)償算法、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃高精度定位控制算法、時(shí)間滯后系統(tǒng)補(bǔ)償算法。

2 小型智能驅(qū)動(dòng)器控制方案

小型智能驅(qū)動(dòng)器控制方案的主要模式如圖1所示，主要有硬件和軟件兩部分，主要的方案內(nèi)容如下所述。

圖1 微型智能控制驅(qū)動(dòng)方案

此次研究所用到的硬件設(shè)施及主要技術(shù)指標(biāo)如下表1所示。

表1 所需硬件及技術(shù)指標(biāo)

在以上驅(qū)動(dòng)器中，MCU主要完成輸入信號(hào)處理、零脈沖檢測(cè)、與驅(qū)動(dòng)芯片通訊等一系列功能，電位器調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)電流。以及完成與外部的通訊、脈沖平滑給定、傳感器事件控制、閉環(huán)控制、與驅(qū)動(dòng)芯片通訊等功能，EEPROM執(zhí)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

此次研究在軟件方面的研究主要在結(jié)合Windows操作，中斷為定時(shí)中斷，周期為60μm。將軟件集合在Windows控制系統(tǒng)監(jiān)視和參數(shù)調(diào)整界面，達(dá)到方便控制的目的。

3 結(jié)論

此次研究是基于智能控制的微型驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部自帶步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，通過(guò)單片機(jī)對(duì)外部的信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)還可以做升降速曲線及錯(cuò)誤檢測(cè)等一系列的功能，大大提高了微型驅(qū)動(dòng)器的工作性能。由于硬件較簡(jiǎn)單，所以占據(jù)很小的體積，達(dá)到了節(jié)約空間的目的。