基于ARM的交流伺服電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉源 孫東亞

摘 要：隨著交流電機(jī)在機(jī)電伺服領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，介紹了一種基于ARM的交流伺服電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，利用所選ARM處理器內(nèi)部的高級(jí)定時(shí)器、SPI和QEP接口等實(shí)現(xiàn)了PWM 信號(hào)的產(chǎn)生及控制、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和速度控制等；并對(duì)該控制器的主要硬件實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行了闡述。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度較高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：交流伺服電機(jī)；ARM；MSK驅(qū)動(dòng)

伴隨著電力電子技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、電機(jī)控制理論等的快速發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并已逐步成為伺服系統(tǒng)的主流。現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)已經(jīng)具備了快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高精度、寬調(diào)速范圍、高可靠性等良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并克服了直流電機(jī)電刷和換向器的機(jī)械磨損、換向火花和電磁干擾的缺點(diǎn)，因此已得到廣泛應(yīng)用。本文采用目前較為流行的ARM處理器實(shí)現(xiàn)交流伺服電機(jī)的控制，與傳統(tǒng)的DSP相比，ARM不但在處理速度及控制精度上能達(dá)到要求，滿足復(fù)雜的控制算法需求，還具有比單片機(jī)更豐富的外設(shè)接口和電機(jī)專用集成芯片的控制電路，能方便地進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[1]。

1 工作原理及硬件架構(gòu)

伺服控制器通過(guò)RS422總線接收上位機(jī)發(fā)送的伺服系統(tǒng)位置指令，與當(dāng)前位置反饋值進(jìn)行比較，得到誤差信號(hào)，由控制算法處理得到控制量，再經(jīng)功率放大產(chǎn)生伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，使得伺服電機(jī)按控制量的大小和極性轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)減速器使伺服系統(tǒng)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，到達(dá)指令位置，從而改變流量調(diào)節(jié)器開度，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況控制。

根據(jù)伺服控制系統(tǒng)需求，伺服控制器硬件實(shí)現(xiàn)如圖1所示，主要由信號(hào)處理模塊、接口驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊構(gòu)成，信號(hào)處理模塊主要用于完成PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出、對(duì)3路相電流、母線電壓、母線電流的模擬量采集調(diào)理，2路旋變變壓器激勵(lì)輸出及回采調(diào)理，電限位信號(hào)、時(shí)統(tǒng)信號(hào)的離散量采集調(diào)理，RS422總線通信等功能；接口驅(qū)動(dòng)模塊接收信號(hào)處理模塊輸出的PWM信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片及調(diào)理電路輸出三相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；電源模塊作用為接收28V控制電源及40V驅(qū)動(dòng)電源供電，并將控制供電轉(zhuǎn)換成控制器內(nèi)部電路工作所需的二次電源，將驅(qū)動(dòng)電源經(jīng)過(guò)防護(hù)電路后給接口驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)理電路供電。

圖1 伺服控制器硬件實(shí)現(xiàn)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 二次電源變換電路

伺服控制器輸入的28V控制電源，通過(guò)EMI濾波電路及隔離的DC/DC模塊轉(zhuǎn)換為±15V 給模擬量采集調(diào)理電路、離散量采集調(diào)理電路供電，轉(zhuǎn)換為5V給旋變解算芯片、電平轉(zhuǎn)換電路及電壓調(diào)整器供電，電壓調(diào)整器選用TI公司的TPS70351，其轉(zhuǎn)換輸出可到1.8V（對(duì)應(yīng)最大輸出電流2A）和3.3V（對(duì)應(yīng)最大輸出電流1A）的電壓，用于給MCU供電，并提供上電復(fù)位和電源監(jiān)控復(fù)位兩種復(fù)位方式[2]。

伺服控制器輸入驅(qū)動(dòng)電源電壓為40V，經(jīng)過(guò)浪涌電流抑制電路、反電勢(shì)抑制電路后輸出給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片高邊供電。

2.2 MCU電路

MCU選用意法半導(dǎo)體公司的ARM CortexM4 處理器STM32F407IGT7，內(nèi)置1Mb的FLASH，192Kb的SRAM（包括64Kb的CCM data RAM），具備內(nèi)存保護(hù)單元，安全性高；運(yùn)算速度快，可到168 MHz，運(yùn)算精度高；具備6路UART、24通道12位 2.4MSPS 3 ADCs、3路可到42 Mbits/s的SPI接口；具備12路16位和2路32位定時(shí)器，可配置成3相PWM輸出通道和正交編碼單元。

2.3 模擬量信號(hào)采集電路

模擬量采集電路主要完成三相電機(jī)相電流、母線電壓、母線電流信號(hào)的采集調(diào)理，交流伺服電機(jī)在額定工作狀態(tài)時(shí)，母線電流約為15A，相電流傳感器量程應(yīng)為額定電流的3～4倍，同時(shí)由于繞組中電流可以雙向流動(dòng)，因此選用ACS758LCB100B型霍爾電流傳感器，該傳感器的量程最大為±100A，其典型工作溫度范圍為40℃～150℃，帶寬可以達(dá)到120kHz（環(huán)境溫度TA=25℃），電流檢測(cè)誤差在高溫時(shí)（25℃～150℃）為1.3%，低溫時(shí)（40℃～25℃）為2.4%，滿足使用要求，電路采用典型接法。

2.4 離散量信號(hào)采集電路

離散量采集電路主要完成對(duì)電限位信號(hào)、時(shí)統(tǒng)信號(hào)的采集調(diào)理，選用光耦HCPL063L進(jìn)行處理，HCPL063L為高速LVTTL兼容3.3V光電耦合器，速率可到15MbS，電路采用典型接法，MCU通過(guò)讀取GPIO狀態(tài)判斷輪載信號(hào)。

2.5 旋變激勵(lì)及采集調(diào)理電路

旋變調(diào)理電路采用AD公司的單芯片旋變數(shù)字轉(zhuǎn)換器，用于輸出電機(jī)前后旋變工作所需的初級(jí)10KHz激勵(lì)信號(hào)，并將調(diào)理后的次級(jí)信號(hào)進(jìn)行回采，通過(guò)內(nèi)部解算得到電機(jī)轉(zhuǎn)子角位置、角速度信息。該R/D轉(zhuǎn)換器集成的激勵(lì)和解算芯片，避免了外加激勵(lì)電路；解算精度為10、12、14、16位可選，對(duì)于12位設(shè)置而言，其跟蹤轉(zhuǎn)換速度最高可達(dá)60000r/min，速度精度±2LSB，滿足本設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速精度要求；可編程激勵(lì)頻率范圍從2kHz至20kHz，幅值范圍是3.2V～4.0V（Vpp），無(wú)須AGC穩(wěn)幅、PLL穩(wěn)頻設(shè)計(jì)，只需外加濾波和緩沖驅(qū)動(dòng)電路即可實(shí)現(xiàn)激勵(lì)輸出；3倍格式位置數(shù)據(jù)，數(shù)字速度輸出，數(shù)字量速度帶符號(hào)[3]。外圍電路采用典型接法，通過(guò)SPI及QEP接口完成與MCU的通訊及處理功能。

2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)芯片選用MSK公司全隔離智能功率三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MSK4351，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。該芯片采用典型接法，其額定電壓500 V，額定電流50A，開關(guān)頻率可達(dá)到20kHz。模塊內(nèi)部集成了可編程死區(qū)電路，通過(guò)配置OSC OUT引腳和R/C引腳之間的電阻和電容值設(shè)置MCU輸出的PWM 信號(hào)的死區(qū)時(shí)間，避免了同一相上、下兩橋臂功率管同時(shí)導(dǎo)通而造成的短路現(xiàn)象；其控制側(cè)供電與驅(qū)動(dòng)側(cè)供電在內(nèi)部已實(shí)現(xiàn)完全的電氣隔離，提高了抗干擾能力，大大簡(jiǎn)化了外圍調(diào)理電路的設(shè)計(jì)；逆變橋內(nèi)部包含6個(gè)IGBT 功率晶體管， 并分別并聯(lián)快速恢復(fù)二極管， 在直流母線上的串接采樣電阻用于電流監(jiān)控[4]；通過(guò)外圍配置溫度監(jiān)測(cè)電路監(jiān)測(cè)該芯片溫度感應(yīng)引腳輸出的（0～5）V信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)該驅(qū)動(dòng)電路的過(guò)溫保護(hù)。

圖2 MSK4351內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.7 通訊電路

伺服控制器共有2路RS422通訊電路，主要完成軟件在線加載、上位機(jī)通訊及參數(shù)記錄等功能，選用的芯片為MAXIM公司的全雙工的高速低功耗收發(fā)器芯片MAX490，電路采用典型解法，通過(guò)外接匹配電阻，可抑制由過(guò)長(zhǎng)線路造成的內(nèi)部干擾信號(hào)，增加通信的可靠距離與速度，滿足現(xiàn)場(chǎng)試車臺(tái)工況要求，經(jīng)過(guò)MAX490調(diào)理后的電平信號(hào)可直接接入MCU處理器的UART接口，無(wú)需外接協(xié)議芯片或邏輯控制單元。

3 總結(jié)

本文提出了一種基于ARM的交流伺服電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，首先介紹了控制系統(tǒng)的工作原理，然后詳細(xì)介紹了控制器的具體硬件實(shí)現(xiàn)方案。經(jīng)實(shí)際使用與聯(lián)試，伺服控制器設(shè)計(jì)合理，功能性能良好，滿足機(jī)電伺服系統(tǒng)的使用與控制需求，同時(shí)具有高實(shí)時(shí)性、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)ARM芯片在機(jī)電伺服系統(tǒng)上的使用與推廣有較好的參考作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]桂欣.基于ARM的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息系統(tǒng)工程，2012（03）：3334.

[2]蘇濤.高性能DSP與高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理[M].2版.西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

[3]ANALOG DEVICES. AD2S1210 Datasheet. 2008.

[4]李小璐.基于MSK4351的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].信息化研究，2010.36（8）：4041.

作者簡(jiǎn)介：劉源（1987），男，山東日照人，碩士，工程師，計(jì)算機(jī)應(yīng)用。