基于集成逆變橋的微小型雙路伺服控制驅(qū)動器設(shè)計(jì)

劉家倫

（北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所 航天伺服驅(qū)動與傳動技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 北京市 100076）

近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的提升，部分元器件廠家開始設(shè)計(jì)出高集成度的伺服電機(jī)驅(qū)動芯片，其特點(diǎn)為將傳統(tǒng)伺服電機(jī)三相逆變橋驅(qū)動電路中的6 片NMOS 功率管集成到體積較小的單片芯片中，并在芯片中集成NMOS 柵極驅(qū)動電路，提供過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、過熱保護(hù)、使能引腳控制等功能。該種集成式電機(jī)驅(qū)動芯片的使用，能夠有效的降低伺服電機(jī)控制驅(qū)動器的體積，提升電機(jī)驅(qū)動效率，可以在小功率伺服電機(jī)驅(qū)動領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

本文基于德州儀器設(shè)計(jì)生產(chǎn)的DRV8332 驅(qū)動芯片，設(shè)計(jì)了一種微小型雙路伺服控制驅(qū)動器，顯著降低了此類小電流伺服驅(qū)動器的體積、重量。通過SPWM 控制算法及陀螺儀的角速度反饋，實(shí)現(xiàn)雙路伺服電機(jī)角位置、角速度的伺服控制，可應(yīng)用于伺服云臺的自穩(wěn)及跟蹤控制，也可應(yīng)用于其他對于體積、重量較為敏感的小功率伺服電機(jī)控制場合中。

1 控制原理概述

本文所設(shè)計(jì)的伺服控制驅(qū)動器的控制對象為雙路永磁同步電機(jī)（PMSM），PMSM 的磁感應(yīng)強(qiáng)度呈正弦波圖形分布，其轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的反電動勢也同樣為正弦波，為了產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，PMSM 需要在定子上產(chǎn)生正弦波電流[1-5]?；凇叭嘞辔徊顬?20°的正弦電壓會在電機(jī)中產(chǎn)生角速度為ω 的磁矢量”原理[6-7]，設(shè)計(jì)了一種基于位置環(huán)、速度環(huán)的閉環(huán)控制策略，單路永磁同步電機(jī)伺服控制框圖如圖1所示。

如圖1，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子上裝有陀螺儀測試轉(zhuǎn)子角速度，并通過四元數(shù)、互補(bǔ)濾波的方式得到控制目標(biāo)相對于慣性坐標(biāo)系的角位置。伺服電機(jī)的三相繞組所施加的相位差為120°、以正弦變化的電壓信號，電機(jī)A 相、B 相、C 相施加相電壓如下式：

式中，Um為相電壓幅值，ω 為磁矢量電角速度，此時會在伺服電機(jī)中產(chǎn)生電角速度為ω 的磁矢量，帶動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，故所設(shè)計(jì)的控制驅(qū)動器主要通過控制電壓幅值A(chǔ) 以及電角速度ω 來控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動。圖1 中，位置環(huán)PID 控制器已通過控制定時器中斷控制器的中斷次數(shù)來控制磁矢量電角速度ω，速度環(huán)PID 控制器通過控制PWM 脈沖寬度變化的幅值來控制相電壓幅值Um。

圖1：單路伺服控制流程框圖

基于以上原理，下文將從硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)的角度，開展基于集成逆變橋的微小型雙路伺服控制驅(qū)動器詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的微小型伺服控制驅(qū)動器持續(xù)相電流指標(biāo)需大于5A，電源電壓采用標(biāo)準(zhǔn)6S 電池，供電電壓最高26.4V。由于應(yīng)用于對體積、重量較為敏感的場合，所以硬件上選擇TI 公司的集成式逆變橋芯片DRV8332，該芯片將傳統(tǒng)伺服電機(jī)三相逆變橋驅(qū)動電路中的6 片NMOS 功率管集成到體積較小的單片芯片中，芯片尺寸約為16mm*11mm,在該芯片中集成了NMOS 柵極驅(qū)動電路，并提供過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、過熱保護(hù)、使能引腳控制等功能。DRV8332 主要性能參數(shù)如表1。

表1：DRV8332 芯片主要性能參數(shù)

基于上述參數(shù)，設(shè)計(jì)雙路伺服控制驅(qū)動器硬件原理框圖如圖2。

圖2：雙路伺服控制驅(qū)動器硬件原理框圖

如圖2，驅(qū)動器分為功率板、主控板以及接口板，功率板主要負(fù)責(zé)接入24V 功率電、雙路電機(jī)的三相交流電以及備用PWM 脈寬型編碼器信號，并與主控板對應(yīng)電路電氣連接。在主控板中24V 功率電通過各種電源變換電路變換出12V、5V 以及3.3V 電壓，為對應(yīng)模塊供電,其中12V 電壓主要為DRV8332 驅(qū)動芯片的門極驅(qū)動部分供電，5V 為對外接口及3.3V 變換電路供電，3.3V 主要為主控芯片及外圍電路供電，晶振電路為主控芯片提供外部時鐘源。接口板主要為MOLEX 貼片式連接器，主要為各種對外連接器接口。

驅(qū)動器采用功率板、主控板、接口板三板呈H 型焊接組合方式，主控板兩側(cè)邊緣設(shè)置焊接點(diǎn)，功率板垂直于主控板左側(cè)，通過與主控板左側(cè)邊緣的焊點(diǎn)焊接以保證機(jī)械和電氣連接，接口板垂直于主控板右側(cè)，通過與主控板右側(cè)邊緣的焊點(diǎn)焊接以保證機(jī)械和電氣連接。頂層焊裝配如圖3。

圖3：頂層裝配圖

2.2 基于集成逆變橋DRV8332的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

DRV8332 芯片將傳統(tǒng)伺服電機(jī)三相逆變橋驅(qū)動電路中的6 片NMOS 功率管集成到體積較小的單片芯片中，并具有多種保護(hù)功能，該芯片的內(nèi)部功能框圖如圖4所示。

圖4：DRV8332 芯片內(nèi)部原理框圖

如圖4， 左邊包括PWM_A～C、RESET_A～C、M1～M3、FAULT、OTW，其中PWM_A～C 為PWM 輸入引腳，RESET 為使能失能引腳，M1～M3 為模式配置引腳，F(xiàn)AULT 為錯誤指示引腳，OTW 為過溫保護(hù)指示引腳。DRV8332 芯片單相PWM 輸入高電平時，若RESET 為高電平，則單相上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷；若PWM 輸入為低電平時，若RESET 為高電平，則單相下橋臂導(dǎo)通，上橋臂關(guān)斷；若RESET 為低電平，則上橋橋臂均為高阻態(tài)。M1～M3 可配置循環(huán)過流保護(hù)（cycle- by-cycle current limit）或過流關(guān)停（OC latching shutdown），通常使用循環(huán)過流保護(hù)。

右邊VDD 和GVDD 為12V 供電，用于芯片內(nèi)部控制電以及柵極驅(qū)動，PVDD 為24V 功率電輸入，BST 為儲能電容引腳，所有GND 共用，OC_ADJ 為用于過流保護(hù)配置，通過接入電阻阻值的不同確定過流值。

基于DRV8332 的電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件架構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的伺服控制驅(qū)動器采用位置環(huán)、速度環(huán)雙閉環(huán)控制模式，每10ms 閉環(huán)控制一次，主要包括各速度控制函數(shù)、力矩控制函數(shù)、三相正弦電壓實(shí)現(xiàn)函數(shù)、陀螺儀讀取函數(shù)、PID 控制函數(shù)等。軟件流程圖如圖6所示。

圖6：軟件流程圖

如圖5，程序上電后首先進(jìn)行個參數(shù)初始化，包括時鐘、各定時器、中斷、PID 參數(shù)等。然后進(jìn)入主循環(huán)，定時器開始計(jì)數(shù)，每10ms 進(jìn)入控制循環(huán)完成一次雙閉環(huán)控制。進(jìn)入控制循環(huán)后首先通過SPI 總線讀取陀螺儀的角速度反饋，并通過四元數(shù)及互補(bǔ)濾波算法計(jì)算控制目標(biāo)相對于慣性系的角位置，然后將現(xiàn)有角位置與期望角位置做差后作為控制輸入進(jìn)入位置環(huán)PID 參數(shù)。位置環(huán)PID 參數(shù)輸出的速度指令一方面進(jìn)入速度速度控制函數(shù)后進(jìn)入三相正弦電壓實(shí)現(xiàn)函數(shù)，作為三相正弦電壓變換的角速度ω 參數(shù)；另一方面進(jìn)入速度換PID 函數(shù)后輸出力矩即電壓指令，進(jìn)入力矩控制函數(shù)后再次進(jìn)入三相正弦電壓實(shí)現(xiàn)函數(shù)作為正弦電壓變換的幅值Um參數(shù)。最后，完成閉環(huán)控制后，定時器清零，重新開始計(jì)數(shù)[8-]。

本文所設(shè)計(jì)的伺服控制驅(qū)動器PID 實(shí)現(xiàn)方式為常規(guī)增量式實(shí)現(xiàn)方法，陀螺儀讀取采用常規(guī)SPI 總線讀取，故對這兩部分軟件實(shí)現(xiàn)方式不再贅述，下文從速度控制函數(shù)、力矩控制函數(shù)以及三相正弦電壓配置函數(shù)三個方面闡述軟件實(shí)現(xiàn)方法。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)方法

要控制三相繞組的輸入電壓按照正弦變換的規(guī)律變化，需控制三相逆變橋電路的上橋臂NMOS 管柵極控制PWM 的高電平寬度按照正弦規(guī)律變化（SPWM），并且相位相差120°。即單相電壓U=Um*(sinωt+φ)，可看出上式中，決定相電壓U 的變量一共3 個，及電壓幅值Um，角速度ω，以及相位φ，所以，速度環(huán)、位置環(huán)PID 函數(shù)的輸出需能夠控制這三個參數(shù)，從而控制伺服電機(jī)按照預(yù)定軌跡轉(zhuǎn)動。

通常，SPWM 波形使用真值法實(shí)現(xiàn)，即設(shè)定一組按照正弦規(guī)律變化的數(shù)組，在按照時間的推移設(shè)定PWM 占空比時，使占空比基于該數(shù)組內(nèi)部的數(shù)值依次變化，形成正弦規(guī)律變化的占空比波形。電壓幅值Um取決于PWM 脈沖寬度變化的幅值，即當(dāng)PWM 占空比變化為0～1 時，電壓幅值為最大；角速度ω 取決于按照正弦數(shù)組前后兩次設(shè)定PWM 不同占空比的間隔時間，間隔時間越短，則角速度越快。相位φ 取決于兩相SPWM 占空比的具體數(shù)值，占空比具體數(shù)值需相差數(shù)組總數(shù)的1/3。

所用SPWM 真值表數(shù)組如圖7所示。該數(shù)組中，共有360 個數(shù)值，調(diào)用設(shè)定PWM 占空比函數(shù)時可直接使用。

圖7：SPWM 真實(shí)表

速度控制函數(shù)如圖8所示，為設(shè)定定時器中斷時間配置函數(shù)，通過配置定時器的中斷時間，可調(diào)節(jié)按照正弦數(shù)組前后兩次設(shè)定PWM 不同占空比的間隔時間，從而調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動速度。位置環(huán)PID 函數(shù)計(jì)算出的速度指令在每次控制循環(huán)中加載到該函數(shù)的arr 變量中。

圖8：速度控制函數(shù)

力矩調(diào)節(jié)函數(shù)如圖9所示，為定時器中斷服務(wù)函數(shù)，在該函數(shù)中，通過速度環(huán)PID 函數(shù)計(jì)算出的Um 值，可設(shè)定輸出相電壓幅值，從而調(diào)節(jié)電機(jī)輸出力矩。i1,i2,i3 分別對應(yīng)真值表中的數(shù)據(jù)位置，初始化即各相差120，即120°電角度。

圖9：力矩控制函數(shù)

4 產(chǎn)品測試

所設(shè)計(jì)的微小型雙路伺服控制驅(qū)動器正面及背面實(shí)物圖如圖10所示。圖中左側(cè)垂直部分為功率板，接入24V 功率電、雙路永磁同步電機(jī)以及絕對式PWM 位置編碼器。中間部分為主控板，包括集成逆變橋驅(qū)動電路、主控電路、電源等。右側(cè)為接口板，為弱電信號對外接口，主要使用Molex 貼片式連接器。如圖中可看出，功率板與主控板通過各自印制板邊緣的焊點(diǎn)焊接實(shí)現(xiàn)電氣及機(jī)械固定，控制板與主控板同樣通過各自印制板邊緣的焊點(diǎn)實(shí)現(xiàn)固定。

圖10：微小型雙路伺服控制驅(qū)動器正面及背面實(shí)物圖

將本文所設(shè)計(jì)產(chǎn)品應(yīng)用到某伺服云臺時，令輸入位置信號為θ=0.5*sin（0.5*2*π），則輸入姿態(tài)角與云臺姿態(tài)角對比圖如圖11所示。圖中可看出，伺服電機(jī)位置跟蹤性能良好，能夠滿足使用需求。

圖11：正弦輸入伺服控制曲線圖

5 結(jié)語

本文基于德州儀器設(shè)計(jì)生產(chǎn)的DRV8332 驅(qū)動芯片，設(shè)計(jì)了一種微小型雙路伺服控制驅(qū)動器，顯著降低了此類小電流伺服驅(qū)動器的體積、重量。通過SPWM 控制算法及陀螺儀的角速度反饋，實(shí)現(xiàn)雙路伺服電機(jī)角位置、角速度的伺服控制，通過實(shí)際測試可見其伺服控制性能良好，能夠滿足使用需求，可應(yīng)用于伺服云臺的自穩(wěn)及跟蹤控制，也可應(yīng)用于其他對于體積、重量較為敏感的小功率伺服電機(jī)控制場合中。