基于直流永磁电机的X-Y 工作台设计与实现*

吕宗旺，孙福艳，蔡 芃

(1.河南工业大学 信息科学与工程学院，郑州 450001;2.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

0 引言

此低成本X-Y 台位置伺服系统［1-8］，用的马达是一款#700 直流永磁马达，在马达的接线端连接了一个双通道500 线的编码器，这对建立一个伺服系统有很大的作用。为了更好的让马达运行在最佳状态，所有的马达参数都来自于某公司生产的马达性能曲线。到目前为止，社会上还没有发现实质性的应用。从马达的性能曲线可以知道，该马达在转速为2568 rpm、负载电流为5.37A 的时候的堵转扭矩为293.2Nm ，此时的最大功率为78.9W。因此，在速度环中定义马达的最大负载电流5 A，运行速度为2500rpm。

1 硬件设计

此项目的设计思路是以DSP 为“大脑”进行信息的采集［9-10］，根据采集的信息产生驱动信号，从而驱动可执行器件，其硬件连接示意图如图1 所示。

图1 硬件模块

1.1 电流传感

此电路的设计是为了获得转矩环路控制中的直流马达的电流，用可调的精密齐纳稳压器LM431 提供3 V低噪声参考电压。Voffset= 2.5 ×(1 +R42/R43)=2.5 × (1 +2/10)=3 V ，对于比较器MAX4081FASA，输出电压Vout的参考值由REF1A和REF1B控制。电压Vref是Vref1a和Vref1b的平均电压。当两个插脚相连，如图2 所示，输出电压参考值=Voffset/2 (3/2 =1.5 V)。当Vsense=0 时，Vout = 1.5 V。VRS+＞VRS-时，参考电压的输出值为正向电流反应;VRS+＜VRS-时，参考电压的输出值为负向电流反应。

图2 电流传感电路

Vout= Vref±Rsense×Iload×AV =1.5±0.02×Iload×5=1.5±0.1×Iload此处用有源滤波器滤除噪音。LMC6482 是CMOS 轨对轨运算放大器。一个被动式滤波器(R52，C52)要尽可能近的放在ADC 输入端。

1.2 MOS 管的驱动

用专用驱动芯片IR2103 驱动半桥，半桥驱动电路如图3 所示。

图3 半桥驱动电路

1.3 短路保护

电路可以防止MOS 管因为突然短路而烧坏。此电路包括3 部分:延时电路(如图4b 所示)、比较电路和自锁电路(如图4a 所示)。

最大峰值电流:Ipk_max= ((15/(R37 +R38))*R37)/Rshunt=(15* 20/(20 +180))/0.1 =15 A，当通过Rshunt的负载电流大于15 A 的时候，比较器(U31B)输出高电平。当Vdelay大于1.5 V 时，U31C 的输出为高，即使是Vdelay后来变成低电平。此时，MOS 管被关闭，同时电路型号传递给DSP 。

具体的工作流程如下:

状态0 (正常情况):V6 ＞V7;V1 ="0";V8 ＞V9;V14 ="0" ;

状态1 (短路情况):V7 ＞V6;V1 ="1";V9 ＞V8;V14 ="1";Q31，Q32 动作;

状态2 (低端驱动器的MOS 管被关闭):V6＞V7;V1 = "0";V9 ＞V8;V14 = "1";Q31，Q32动作。

图4 短路保护电路

在上电过程中为了避免一些不稳定的信号误触发自锁电路，延时电路可以使自锁电路在几百毫秒后动作。

时间常数:

1.4 过温度保护

过温度保护电路如图5 所示。在该电路中，两个负温度系数温度传感器NTC 分别放置在靠近两个H桥附近去测量他们的工作温度。当Vt1＞V11和Vt2＞V11时，V11=15*R54/(R53 +R54)=5.3V，随着温度的升高，当Vt1＜V11或者Vt2＜V11时，

其中R0=100K，B= 3450，T0=25oC。

当T≈80oC，Rntc≈12.5K，V11=V10时，过温度保护电路开始工作。

图5 过温度保护电路

1.5 限位开关界面

每一个马达有两个限位开关，并且共享同一个界面电路给DSP ，因为当马达准备运行的时候每个马达的运行方向已经在DSP 中设置好了，所以根本没有必要去见判断那个限位开关被触发。

图6 限位开关电路

2 软件设计

本控制系统主要运用PID 控制算法，通过控制位置环、速度环和电流环实现对马达精确控制的目的。

2.1 控制系统

该控制系统中包括3 个闭环。针对电流环和速度环，用PI 补偿扭矩和速度。为了解决振动问题，只需要用最通用的P 方法去解决位置控制问题。控制模块如图7 所示。

图7 控制模块

2.2 软件架构

软件主要有两个模块:初始化模块和运行模块。初始化模块在开始的时候只执行一次。运行模块的循环运行主要决定于PWM 溢出的中断标志。当中断标志位被置位时，相应的中断服务程序(ISR)开始工作。内部的电流环在每个PWM ISR 周期内校准一次;而外部的速度环和位置环每50 个PWM 周期校准一次。程序流程图如图8 所示。

图8 流程图

2.3 PID 运算法则

运用的控制算法工具是PI，

PI 的最终形式可表示为:

把公式分成两部分，一个是比例控制器，一个是积分控制器。

对于P 控制器:uk_P = Kpek;

对于I 控制器:uk_I = uk-1+ KiTek，那么，

和传统的PI 算法相比较，当Ki非常小或者Ki =0时，

该算法是非常可靠的。

2.4 数学考量

为了避免复杂的数学计算，此处只要用PU 模式。所以，在基本电压和基本负载条件下并且驱动达到基本参数值时，软件表示的速度和电流为零。使用的#700 马达额定值为:基本电压:Ua=30V;基本负载电流:Ia=5A;基本速度:Na=2500rpm;基本位置:Pa=0.1 Turns(其中1 Turn =4mm 的直线距离)二级标题的正文部分。

2.5 电流反馈

参考1.1 节，如果电枢电流反馈是:1.5 + / -0.1×Iload，那么

注:pu=测试电流/基本电流，1000h (4096d)= 1pu。pu模式下的负载电流可以简单表示为:

图9 传感电流值

2.6 速度/位置反馈

在该DC 伺服系统中，用一个500 脉冲增量式编码器采集转子转速。传感器输出的两个通道(A 和B)直接连接到DSP 控制器的eQEP，eQEP 计算脉冲的两个边沿。软件中的速率主要是由基于2000 增量/转来决定的。因为马达通常行在2500rpm，只需要用下面的公式计算速率:

这儿，选择T=2.5mS (400Hz)。

可以检测的最小的转速是0.0005 转，当样板在400Hz 时，它的速度分解为:0. 0005 × 400 × 60 =12rpm。QPOSCNT(eQEP 位置计数器)和马达速度之间的关系为:

那么，

在pu模式下，速率可以表示为:

在pu模式下，位置定义为0.1 Turn，那么

2.7 驱动器

为了均分开关消耗，应用PWM 两边信号驱动H桥，PWM 驱动信号和H 桥如图10 所示。DSP 的ePWM 模块工作在up-down 模式，两次开关频率由马达的一侧完成。

图10 PWM 驱动信号和H 桥

3 仿真及实验结果

通过对图9 控制模块进行数学建模，通过Matlab的simulink 工具箱得到如下仿真结果如图11 所示，通过实际电路实现的波形如图12 所示。

图11 模型的仿真结果

图12 控制器实际输出波形

通过比较可知，通过仿真得到的结果和实际实现的结果是完全吻合的。螺杆转动一周则游标直线移动4mm，即1 Turn=4mm 直线距离，其电机带动螺杆模型见图13。通过对控制对象的计算和测量可知，该系统可以把X-Y 台的精度控制在±0.02mm 之间，即游标的位置控制精度在±0.02mm 之间。

图13 电机带动螺杆模型

4 结论

该X-Y 平台是用#700 直流永磁马达实现位置伺服系统，通过仿真、实验和最终的设计的实际样品的测试结果表明，该系统可以完全满足生产设备的需要，提供更便宜的伺服系统，如果用在公司的生产设备上可以节约大约50%的成本。

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