基于Motionchip的无刷直流电机伺服控制系统设计

驱动系统设计

电机的驱动主要包括2个环节：电机PWM驱动电路和电流检测。

电机的PWM驱动电路如图2所示。本电路中，无刷直流电机采用全桥驱动，这样可以使用电机工作于四象限（正向驱动、制动及反向驱动、制动）。驱动一个无刷直流电机需要6路PWM信号，而MotionChip的每个事件管理模块（EV）中3个带可编程死区控制的比较单元可以产生独立的3对共6路PWM信号。所以在电路中，直接选用事件管理模块B（EVB）中的比较单元来产生6路所需要的PWM信号，其输出引脚为PWM7~PWM12，其中PWM7~PWM9输出设为驱动MOSFET功率管桥路的上半桥，PWM10~PWM12输出驱动下半桥。DSP输出的这两种3路PWM信号经过IR2102前置放大后分别驱动MOSFET功率管桥路的上半桥（Q1，Q3，Q5）和下半桥（Q2，Q4，Q6）进行电机的驱动。


电流检测

电机电流检测电路可提供重要的反馈信息，将该信息与来自主控DSP的控制信号相结合，可以控制MOSFET或IGBT的栅极驱动芯片并最终调整电机速度。如果要实现过流保护，还必需进行电流监控，不过对于低端应用而言，传统的过流保护却显得过于昂贵。电流采样的方案是在逆变桥的下桥臂串一0.027Ω采样电阻如图3（a），采样电流范围为0~6.22A，采样后的电压放大倍数为14.63倍，放大电路如图3（b），并经2.5V电压抬升输入DSP，所以输入DSP的电流模拟电压量为：
UAD=2.5+I×0.027×14.63。
MotionChip AD口的模拟量输入电压为0~5V，所以电流采样经量化的值为：


应用

加氢反应器超声检测成像系统是一套适用于现场检测的加氢反应器堆焊层剥离超声检测成像系统，实现加氢反应器堆焊层层间剥离的在役半自动超声扫查，检测数据的自动存储、分析与评判，同时该系统对不同直径的加氢反应器有一定的适用性。

加氢反应器剥离成像系统的控制系统本质上是一个二维的运动控制平台，从系统要求的性能指标来看，控制系统需要满足如下指标：

·水平扫查速度可达6mm/s无级可调；垂直扫查速度达300mm/s无级可调；
·能够实现粗扫查和精密扫查，对指定的区域实现精密扫查；
·系统的控制方式分为手动/自动，两者之间可以切换；
·X轴（水平）和Y轴（垂直）2个方向上的运动误差≤±1mm。

系统硬件设计

由此选择了上述设计的运动控制系统，具有体积小，性能高，控制简单，价格低，但是每个只能控制一个电机。若要两台电机协同控制，则须通过RS485总线将其连接起来。控制系统的总体结构如图4所示。X向电机用来控制丝杠的运动：选用EC-max32，无刷70W+减速器为行星轮减速箱（速比为23，型号为GP 32C）+码盘（三通道500线）。Y方向电机用来控制探头的运动，采用RE-32，有刷80W+减速器为行星轮减速箱，型号为GP42C（速比为33）+码盘（三通道500线）。图5示出硬件连接图。


系统软件设计

控制系统的软件是基于Vc++和MotionChip的动态链接库设计的，软件主要完成对探头位置的运动控制，如图6。

用户操作界面功能有：

·参数设置与显示模块主要是设置一些系统参数（如扫查长度，探测宽度）和控制参数（如速度参数、加速度参数等）；

·任何时刻，控制程序都时刻监视系统的运行状况，随时对系统故障做出相应的处理。

软件部分包括X向运动和Y向的扫查运动，数据存储及处理，手动控制，故障处理，运动状态显示及故障显示等。操作界面（GUI）给予清晰、简单的用户界面，方便用户调试、运行，同时能够将伺服驱动器传递过来的信息显示出来，便于监控。任务编程模块将要实现控制任务的规划，如X轴向和Y轴向运动等，包括故障查询、处理。

运行效果

智能伺服驱动器性能的好坏直接决定整个系统设计的成败，为此用一直流电机对驱动器进行测试，电机的电流和位置误差如图7（a）、（b）所示，从图7中可以看出，驱动器的响应时间只有0.12s，位置误差很小。通过对通讯速度及上位机控制命令的测试显示，在实时性要求不是非常严格的情况下，以RS232串口或者485串口的通讯速率是完全可以满足系统需求的。


结语

本文基于一类新颖的专用伺服控制芯片Motionchip，进行了伺服控制器设计和实践研究，并设计了一个功能较为完善的直流无刷伺服驱动器的原型。将该控制器运用到加氢反应器超声检测成像系统中对二维的运动进行控制，保证了整个系统取得良好的性能。Motionchip这种多功能专用的运动控制芯片不仅简化了整个系统的设计过程，而且具有很好的开放性和网络性，对中小型项目是非常理想的设计方案。