一体机控制设计

11•基于dsPIC30F4011芯片的无刷直流电机一体机双闭环控制器设计东南大学林明耀教授[e-mail]2010，12，12一体机控制器设计简介一体机控制器硬件设计一体机控制器软件设计一体机控制系统测试结果总结与展望3设计简介背景及意义无刷直流电机(brushlessDCmotor,BLDCM)结构简单、运行可靠、调速性能好，在工业和商业领域得到广泛应用。将电机与控制器有机结合，设计成一体机，结构紧凑、体积小、可靠性高，具有非常重要的工程实用价值。4•控制器简介采用dsPIC30F4011为核心控制芯片设计了与PC机及PLC通信接口，方便操作对电机转速、电流实现双闭环PI控制采用软硬件结合实现过/欠压，过流和过温保护等功能可实现快速起动、停车、切换旋转方向整个控制系统结构紧凑，功能丰富，运行可靠设计简介5一体机控制器设计简介PC通信接口PLC通信接口主芯片6一体机控制器硬件设计DC24V三相逆变桥BLDCM电流检测电压检测温度检测故障保护ADIICFLTAPWM捕获驱动电路霍尔信号泵升限制通信接口PC机PLC按键IO口DSC•控制器原理框图7主电路控制电路aibici转子位置传感器永磁电机1V1D5V3V4V6V2V4D6D2D3D5D1H2H3HABCXYZU824V直流电源逆变桥为无刷直流电机供电24V转变成15V及5V分别为MOSFET驱动电路、数字信号处理器dsPIC30F4011及外围电路供电DSC捕获霍尔信号，获得BLDCM换相及并根据换相时间间隔计算转速电压电流检测电路把直流侧电压电流转换成0-5V适合A/D转换的电压量，并为硬件过流、过压保护电路提供信息。温度检测电路通过IIC方式直接发送数字温度给DSC设计控制器与PLC通信接口，并编写了控制器与PC机异步串口通信协议一体机控制器硬件设计9主控芯片选取采用美国Microchip公司生产的数字信号控制器(DSC)dsPIC30F4011为核心控制芯片一体机控制器硬件设计dsPIC30F401110•dsPIC30F4011一款高性能、低成本电机控制专用芯片集单片微处理器(MCU)和数字信号处理器(DSP)于一体，快速处理数据电机控制模块，可编程输出6路PWM信号10位AD采样模块，有电平变化捕捉接口和正交编码器接口具有IIC、SPI、UART、CAN通信接口大大简化了外围电路的设计一体机控制器硬件设计11逆变桥驱动电路驱动芯片采用IR公司生产的IR2101，输入端具有施密特触发器，能够自动屏蔽小的扰动，防止误动作DSC电机PWM控制模块驱动功率大，不采用光耦隔离放大，降低了成本，减小了控制器体积一体机控制器硬件设计HINLINVCCCOMHOVBVSLOPWMAHPWMAL15V24V+15V10uFUdc-0.1uF33Ω33Ω300Ω300ΩA相IR210112逆变桥下端NCNCVCC+IN+OUTVCC-NCLMH6645MA+5VAD采样至硬件保护R21KR10.01R31KR612K+5VR425KR512KRC10.47FIN-71K一体机控制器硬件设计电流检测电路系统控制方式采用二二导通方式，通过检测逆变桥直流侧电流，由运算放大器及电阻网络，将电流信号转换成电压13一体机控制器硬件设计45254525240.13**65****oRRiRRVRRRRRR电流采样电路输出电压为：选取合适的电阻，线性测量电流范围-20A至22A，对应运放输出Vo为0-4.8V，适合于AD转换和硬件保护输入的电压范围14•过流过压保护电路电压电流采样电路输出，与标准电压进行比较，DSC捕获比较结果，实现保护功能一体机控制器硬件设计1OUT1IN-1IN+GND2IN+2IN-2OUTVCC+5V+5V1K20K1K输入5.1K输出LM393+5V输出至IO5.1K1K1K0.1uF24V20K33pF3KAD15PCL接口电路控制系统向PLC输出包括欠/过压、过流及过温报警信息和速度达到指定速度信息；PLC向控制系统输入各种控制量，包括启动、停止、切换转向等信息。一体机控制器硬件设计24V5.1KPLC+5VIO口+5V0.47KIO口24V0.22K1KPLCKPC35716为使控制系统获得良好动稳态特性，采用速度、电流双闭环PI控制策略，控制框图为：一体机控制器软件设计+-+-PI调节PI调节PWM同步驱动电路BLDCM位置检测速度计算n*17软件流程图一体机控制器软件设计开始初始化IO、AD、MCPWM、UART等是否否是否按下起动键或接收到上位机起动命令读取按键或命令确定旋转方向否捕获中断,开AD读过实际转速么？向PC发送数据是计算平均电流、端电压计算新的占空比是否接收到换向命令是否是制动子程序并判断电机是否停止是否接收到停止命令是否制动子程序并判断电机是否停止否结束是18系统软件流程主要包括主程序、霍尔信号捕获中断程序、AD采样中断程序及电机制动程序主程序主要包括各种全局变量的宏定义、PWM模块、霍尔捕获、AD、IO口、UART等系统初始化，并实现与PC机及PLC通信功能霍尔信号捕获中断程序主要实现电机换相、获取电机实际转速、计算速度环PI值功能AD采样中断程序主要实现将直流侧电压、电流转换成数字量，计算电流环PI，并在软件中实现过流及欠/过压保护和限制泵升电压过大等功能电机制动程序实现能耗制动，快速停机的功能一体机控制器软件设计19一体机控制系统电机控制器直流电源实验平台20实验结果一体机控制系统测试结果050010001500200025003000350005101520时间(s)转速(r/min)系列1系列2-101234567805101520时间(s)电流(A)空载实验红线为设定转速蓝线为实际转速转速变化电流变化21一体机控制系统测试结果0200400600800100012001400160018002000012345678910时间(s)转速(r/min)•参考转速为1500r/min,负载变化时实验结果-0.200.20.40.60.811.21.41.60246810时间(s)电流(A)加载卸载转速变化电流变化22•参考转速为3000r/min,负载变化时实验结果0500100015002000250030003500024681012时间(s)转速(r/min)-10123456024681012时间(s)电流(A)转速变化电流变化加载卸载23从测试结果可知，该一体机系统具有：良好的稳态性能，稳态时转速误差可以控制在0.3%内良好的动态响应性能，能够快速达到参考速度，且超调小一体机控制系统测试结果24总结与展望综合考虑电机形状、大小、功率等因素，设计一体机的控制电路，将电机与控制器有机结合，开发出一体机控制器。使一体机控制器：占用空间小易于工业安装操作简化，可靠性高易于实现多台电机联动控制25！