基于A3988+MCU的低成本電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 洋， 王顯軍， 張 岳

(1. 中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033； 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039)

0 引 言

傳統(tǒng)的力矩電機(jī)和光電編碼器組成的閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，一般采用集成的IGBT芯片驅(qū)動電機(jī)，例如采用三菱公司的IPM系列產(chǎn)品。集成的IGBT芯片對于驅(qū)動PWM信號要求較高，PWM信號使用不當(dāng)容易使IGBT電路損壞，在小功率的電機(jī)伺服系統(tǒng)中采用IPM驅(qū)動電機(jī)成本較高，也無法發(fā)揮IPM的大功率驅(qū)動能力，造成了資源的浪費(fèi)。本文介紹一種基于A3988+MCU的低成本直流力矩電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。A3988是Allegro公司制造的用于驅(qū)動2路步進(jìn)電機(jī)的集成芯片，也可以用于驅(qū)動4路直流力矩電機(jī)[1]。A3988與集成的IPM芯片相比成本較低，功耗較低，能同時(shí)驅(qū)動多路直流力矩電機(jī)，因而適合應(yīng)用在低功耗的直流力矩電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中。

伺服系統(tǒng)中采用A3988驅(qū)動直流力矩電機(jī)，且A3988對于輸入信號要求較低，使得伺服系統(tǒng)對控制器的要求也降低了。C8051F系列MCU成本較低[2]，所集成的PCA0模塊能夠提供較高精度的PWM作為A3988的輸入信號[3]。

1 原 理

1.1 A3988的使用方法

A3988應(yīng)用在驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)時(shí)，可看作一個(gè)電流控制電路，每組控制電路通過外部配置I0x、I1x和PHASEx可以輸出16種電流脈沖狀態(tài)，共有4組獨(dú)立控制電路，兩組電路共同作用可以用于控制1路步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)A3988應(yīng)用在驅(qū)動直流力矩電機(jī)時(shí)，只應(yīng)用在16種狀態(tài)中電壓差最大的兩種狀態(tài)中，A3988可當(dāng)作PWM放大器。A3988用于驅(qū)動直流力矩電機(jī)狀態(tài)表如表1所示。

表1 A3988用于驅(qū)動直流力矩電機(jī)狀態(tài)表

如表1中3種狀態(tài)所示，將OUTxA和OUTxB分別接到電機(jī)正負(fù)兩端當(dāng)，再向I0x和I1x輸入相同的PWM時(shí)，通過調(diào)整PHASEx，可達(dá)到使直流力矩電機(jī)向兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動的目的。這與傳統(tǒng)的利用IPM單極雙向方式驅(qū)動直流力矩電機(jī)達(dá)到了相同的效果，其中OUTxA和OUTxB的幅值即電機(jī)的母線電壓，可以通過配置A3988的VBB1和VBB2來實(shí)現(xiàn)，母線電壓的可調(diào)范圍為0～36V。

1.2 伺服系統(tǒng)MCU控制器的設(shè)計(jì)

從表1中可看出，利用A3988作為電機(jī)的單極控制驅(qū)動芯片，設(shè)計(jì)驅(qū)動PWM時(shí)無需考慮利用IPM驅(qū)動電路時(shí)用于避免上下橋IGBT同時(shí)導(dǎo)通燒毀IPM的死區(qū)，因此控制器輸出PWM的邏輯更簡單，C8051F系列MCU就可完成任務(wù)，相比DSP、FPGA等控制器，節(jié)約了成本。本文選用C8051F121作為伺服系統(tǒng)控制器。

利用C8051F系列MCU自帶的可編程邏輯陣列(PCA0)產(chǎn)生用于驅(qū)動直流電機(jī)的多路高精度PWM，通過CEXx端口輸出，即輸入到A3988的I0x和I1x的控制信號。由于PCA0模塊受MCU的CPU干預(yù)較少，也不被其他中斷影響，所以PCA0的計(jì)數(shù)器具有較高的精度，MCU工作在100MHz，通過在PCA0中斷服務(wù)程序中對PCA0計(jì)數(shù)器初值進(jìn)行重新賦值可改變定時(shí)器溢出周期，從而使PWM頻率在10～15kHz范圍內(nèi)。此時(shí)PWM的分辨率可以達(dá)到6667～10000，與DSP等控制器產(chǎn)生的PWM精度相仿。

1.3 基于A3988+MCU的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于A3988+MCU伺服控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 基于A3988+MCU伺服控制系統(tǒng)框圖

如圖1所示，實(shí)線表示控制信號，虛線表示數(shù)據(jù)或指令。Mx表示配備有編碼器的直流電機(jī)。設(shè)計(jì)主要針對實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的配備有高精度串口型數(shù)據(jù)光電編碼器和小功率直流力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)。

編碼器需要單片機(jī)通過串口觸發(fā)，編碼器反饋位置數(shù)據(jù)[4]。通過上位機(jī)控制不同電機(jī)的不同運(yùn)動狀態(tài)。圖2是控制兩路電機(jī)的軟件流程圖。

圖2 兩路電機(jī)控制軟件流程圖

圖2的軟件流程圖中，左側(cè)為主函數(shù)，右側(cè)為PCA0中斷服務(wù)程序(PCA0計(jì)數(shù)器溢出時(shí)進(jìn)入)。軟件實(shí)現(xiàn)中另外兩個(gè)中斷UART0和UART1的服務(wù)程序分別用來接收編碼器數(shù)據(jù)和上位機(jī)控制指令。上位機(jī)控制指令主要是控制兩路電機(jī)的定點(diǎn)或者定速運(yùn)動。軟件中PCA0定時(shí)器溢出周期為100μs，即PWM的頻率為10kHz，通過PCA0的中斷服務(wù)程序流程圖可看到COUNTER用來記錄PCA0定時(shí)器溢出次數(shù)，每溢出20次清0，分別在COUNTER=0和COUNTER=10時(shí)對M1編碼器和M2編碼器進(jìn)行觸發(fā)，所以系統(tǒng)對兩路編碼器的采樣頻率均為： 10kHz/20=500Hz。

2 試 驗(yàn)

試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺由小功率的直流力矩電機(jī)和實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的24位高精度光電編碼器組成，通過串口觸發(fā)信號觸發(fā)，編碼器上傳串口型位置數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中編碼器與MCU通信的波特率為115200b/s， 也可設(shè)置為230400b/s。伺服系統(tǒng)中A3988的母線電壓為8V。

2.1 雙閉環(huán)PI參數(shù)的確定

利用電路板和轉(zhuǎn)臺進(jìn)行開環(huán)試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，通過MATLAB的Simulink模塊對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)模型速度位置雙閉環(huán)進(jìn)行仿真，得到理論上的速度環(huán)PI參數(shù)和位置環(huán)PI參數(shù)，最終通過閉環(huán)試驗(yàn)確定合適的雙閉環(huán)PI參數(shù)。

2.2 定速試驗(yàn)和定點(diǎn)試驗(yàn)

定速試驗(yàn)中設(shè)定轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動速度為10°/s，定點(diǎn)試驗(yàn)中設(shè)定的定點(diǎn)位置為90°，圖3、圖4為轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的定速、定點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 轉(zhuǎn)臺定速試驗(yàn)

圖4 轉(zhuǎn)臺定點(diǎn)試驗(yàn)

由試驗(yàn)可看出，基于A3988+C8051F121的伺服控制系統(tǒng)對小功率轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的定速控制誤差范圍在2%～3%，定點(diǎn)控制誤差在10″以內(nèi)。在定點(diǎn)和定速控制上均有較高的精度。

3 伺服系統(tǒng)對比

3.1 運(yùn)動效果對比

對于大功率的驅(qū)動要求和永磁同步電機(jī)等無刷電機(jī)的驅(qū)動，集成的IGBT芯片有明顯優(yōu)勢。對于基于直流力矩電機(jī)的小功率轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)控制，分別利用A3988和傳統(tǒng)的集成IGBT芯片驅(qū)動，運(yùn)動效果沒有明顯區(qū)別。PWM的分辨率精度一致，使用由IGBT組成的驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)要考慮避免IGBT上下橋短路的死區(qū)問題，同樣母線電壓下A3988的驅(qū)動能力會更加出色，對電源的利用率也更高。

3.2 開發(fā)成本對比

在軟件實(shí)現(xiàn)上A3988對于控制器的驅(qū)動信號要求較低，只需要一路PWM波和一個(gè)I/O口來控制電機(jī)，由IGBT組成的驅(qū)動電路，對控制器輸出的控制信號要求較復(fù)雜，同時(shí)還要考慮死區(qū)等問題，增加了軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，提高了軟件成本。

在硬件電路上，A3988對于外圍電路的配置只需配置母線電源，與控制器的控制信號可以直接相連接。集成的IGBT芯片對于外圍電路的配置要求較復(fù)雜，需要多路隔離電源，驅(qū)動方式也需通過片外自行設(shè)計(jì)。

在伺服系統(tǒng)的成本上，基于A3988+MCU的伺服系統(tǒng)硬件成本是普通DSP+IPM的20%～25%，成本下降了75%～80%，較大程度上

降低了對于小功率直流力矩電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的開發(fā)成本。在功率允許的條件下驅(qū)動多路電機(jī)時(shí)，基于A3988的伺服系統(tǒng)的優(yōu)勢更加明顯。例如采用同樣的DSP作為控制器，基于IPM的驅(qū)動器只能驅(qū)動一路電機(jī)，基于A3988的驅(qū)動器最多能驅(qū)動4路電機(jī)，提高了DSP控制器的利用率。

4 結(jié) 語

通過試驗(yàn)驗(yàn)證和不同伺服系統(tǒng)的對比，對于小功率直流力矩電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)的DSP+IPM的設(shè)計(jì)方案，基于A3988+MCU的設(shè)計(jì)方案在軟、硬件方面均能在保證控制效果的前提下節(jié)約成本，硬件成本下降了75%～80%。在功率允許的條件下，驅(qū)動多路電機(jī)時(shí)，基于A3988的伺服系統(tǒng)相比基于IPM的伺服系統(tǒng)節(jié)約成本的優(yōu)勢更明顯。

【參考文獻(xiàn)】

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