单驱动直流电机

单驱动直流电机（通用7篇）

单驱动直流电机 篇1

0 引言

伺服系统:是使物体的位置、方位、状态等输出, 能够跟随输入量 (或给定值) 的任意变化而变化的自动控制系统。而在自动控制系统中, 能够以一定的准确度响应控制信号的系统称为随动系统, 亦称伺服系统。

伺服的主要任务是按控制命令的要求, 对功率进行放大、变换与调控等处理, 使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程, 电气伺服系统根据所驱动电机类型分为直流 (DC) 伺服系统和交流 (AC) 伺服系统。

目前市场上的交流伺服驱动模块一般标配是一台伺服驱动器驱动一台带有一个编码器位置反馈的伺服电机, 在实际应用中, 要驱动多少台电机就得配备多少台伺服驱动器, 并且得配套与电机个数相同的编码器, 而编码器是一种非常精密的位置反馈单元, 具有不菲的价格, 这样对于某些场合就增加了很高的配套费用;在工业自动化领域的实际应用中, 有很多场合需要两台及两台以上伺服电机同步驱动控制对象运行以获取较好的运动控制效果, 而采用一台伺服驱动器驱动一台伺服电机的方案来处理有同步控制要求的两台电机驱动从控制精度而言是比较难以获取满意的控制效果的。

目前工业自动化市场上的伺服产品, 对编码器的要求越来越高, 主流还是增量式编码器, 其具有明显的价格优势;高精度、快响应的应用场合则要求高分辨率的绝对式编码器。

目前市场上的各种交流伺服驱动器的编码器反馈接口只适用于其中一种, 无法实现对增量式编码器和绝对式编码器的兼容。

如何保证对各种反馈编码器的兼容, 并且能够在保证良好控制效果的前提下减少空间和节省成本, 这就是本文要解决的问题。

1 本文伺服驱动器实施方案

本文伺服控制系统需要实现多个伺服电机驱动接口, 以控制多台电机的同步运行或者各自独立运行, 为此, 参考图1, 本文的伺服控制系统主要包括有交流电源1;

电源控制电路2, 用于控制所述交流电源输出所需的工作电源;

多个交-直-交功率主电路3, 与所述电源控制电路相连, 对所述电源控制电路输出的工作电源进行变频变压转换;

多个空间矢量脉宽调制集成电路4, 分别与所述的多个交-直-交功率主电路相连, 用于对交-直-交功率主电路中的工作电压进行调制;

多个伺服电机5, 分别与所述多个交-直-交功率主电路的输出端相连;

与所述某一个伺服电机的编码器相连的包括多个位置反馈接口的位置反馈接口电路6, 用于将所述某一个伺服电机的编码器输出信号转换为相应的逻辑控制输入信号;

逻辑控制电路7, 用于根据各伺服电机的逻辑控制输入信号反馈相应的逻辑控制信号;

控制处理电路8, 分别与上述的电源控制电路、多个空间矢量脉宽调制集成电路、逻辑控制电路相连, 用于进行键盘扫描、显示、参数管理、电流环/速度环/位置环的控制, 接收逻辑控制电路反馈的信号, 输出多组调制信号给相应的空间矢量脉宽调制集成电路, 控制电源控制电路。

另外, 伺服控制系统中还可包括:与各个交-直-交功率主电路输出端相连的电流检测电路9以及与上述的控制处理电路相连的显示电路10。见图1。

2 硬件控制电路

通过控制电路的控制, 可以实现控制多台电机的同步运行或者各自独立运行, 而且通过位置反馈接口电路以及逻辑控制电路的反馈, 还可实现多种编码器的兼容, 实用性高。

参考图2, 本文一种同时驱动两台伺服电机并支持两种位置反馈的交流伺服控制系统, 其中伺服电机为两个, 位置反馈接口为两个, 逻辑控制电路采用复杂可编程逻辑器件逻辑控制电路, 控制处理电路为数字信号处理控制电路, 显示电路采用发光二极管显示屏幕。

如图2所示, 本文中伺服控制系统按照功能可分为控制模块、功率模块和显示模块, 功率模块和显示模块分别与控制模块连接;控制模块包括处理子模块和位置反馈接口子模块, 处理子模块包括相连接的DSP和CPLD, DSP还分别与功率模块和显示模块连接, CPLD的输入端分别与两路位置反馈接口子模块连接, CPLD通过位置反馈接口子模块分别外接编码器。本文中, 位置反馈接口子模块的硬件接口设有第一位置反馈接口和第二位置反馈接口, 两路位置反馈接口各自用于编码器或光栅尺等位置反馈元件。

如图3所示, 本文中位置反馈接口子模块包括编码器接口、增量式编码器接口管理电路、绝对式编码器接口管理电路、差分接收检测电路, 增量式编码器接口管理电路通过差分接收检测电路与CPLD相连接, 绝对式编码器接口管理电路通过差分接口芯片与CPLD相连接, 编码器接口外接编码器, 并通过CPLD来选择位置反馈采用增量式编码器或者绝对式编码器。

如图1所示, 本文中功率模块可包括交-直-交交功率主电路、控制电源电路和两路空间矢量脉宽调制集成电路, 控制电源电路与交-直-交交功率主电路连接, DSP通过空间矢量脉宽调制集成电路与交-直-交交功率主电路连接, 交-直-交交功率主电路的两路输出端分别外接两台电机。

其中, 控制电源电路由DC/DC转换子模块与电源连接实现, 空间矢量脉宽调制集成电路包括PWM脉宽调制子模块和接口电路子模块, PWM脉宽调制子模块用于接收DSP产生的控制信号并输出两组PWM电压信号, 分别通过接口电路子模块将两组PWM电压信号送至交-直-交交功率主电路。

交-直-交交功率主电路的输出端还设有两路电流检测电路, 并通过电流检测电路与DSP连接, 通过电流检测子模块实时监测交-直-交交功率主电路的输出电流, 保证两台电机各自的正常工作。

另外, 如图2所示, 本文中显示模块可包括LED显示子模块和数据存储子模块, LED显示子模块和数据存储子模块分别与DSP连接。其中, LED显示子模块采用LED显示屏幕。

本文中驱动两台伺服电机并支持两种位置反馈的交流伺服驱动器在使用时, 控制模块为其核心部分, 其中, DSP完成键盘扫描、显示、参数管理、完成电流环/速度环/位置环的控制并输出两组PWM信号, CPLD的任务是处理位置反馈接口子模块得到的信号并反馈给DSP;功率模块中控制电源电路提供交流伺服驱动器工作电源, 空间矢量脉宽调制集成电路依据DSP产生的两组PWM信号调制得两组PWM电压信号, 通过接口电路传送给交-直-交交功率主电路, 对交-直-交交功率主电路中的直流电压进行脉宽调制, 交-直-交交功率主电路对外部交流电源提供的交流电进行变频变压转换, 最后输出两路交流电源驱动两台电机同时工作。

3 位置反馈控制电路

如图2所示, 第一位置反馈接口子模块和第一位置反馈接口子模块的接口形式相同, 都适用增量式编码器, 也适用于绝对式编码器或光栅尺等。

伺服驱动器通过参数配置CPLD来选择位置反馈采用增量式编码器或者绝对式编码器, 各自只能选择一种位置反馈元件。

当位置反馈接口子模块外接增量式编码器时, 经过增量式编码器接口管理电路和差分信号检测电路, 滤除差分信号中的高频干扰信号, 然后对信号进行调理整形, 转换为内部逻辑电平信号输入到CPLD中, 进行计数和辨向处理;当位置反馈接口子模块外接绝对式编码器时, 信号经过绝对式编码器接口管理电路和RS485差分接口芯片输入到CPLD中进行计数和辨向处理, RS485差分接口芯片支持NRG通讯协议:由多摩川公司提出的NRG协议, 采用半双工的通讯模式, 最高时钟频率5MHz, 其协议包括传感器模式和寄存器模式两部分的内容, 协议的通讯模块均是基于CPLD设计。

4 安装空间和成本比较

如图4所示, 目前的驱动器配有一个驱动电路和一个控制电路, 安装时由于要散热, 我们通常将它们隔开45mm;而本文中多驱动器模式就非常明显的节省空间和一部分成本。

由于伺服电机中编码器是核心的精密组件, 价格都比较昂贵, 尤其是国外知名企业的绝对式多圈编码器, 例如日本多摩川, 德国一些厂家, 某些种类单个价格1000人民币左右, 很多都远远超过1000人民币。这也就是说带的电机越多, 本文所述多驱动器整体就越省成本, 越有利于推广和应用。

5 结束语

近年来, 国际金融危机的持续蔓延, 中国越来越多的机械加工制造企业, 开始意识到机械数控化, 生产过程自动化迫在眉睫, 不升级就面临洗牌和淘汰的处境, 而在多自由度, 多关节的控制中担任驱动部件的伺服的重要性就显得非常突出。而产品的安装空间和高昂的价格也给产业升级带来了不少的麻烦, 本文中伺服控制系统具备多个伺服电机驱动接口, 可以控制多台电机的同步运行或者各自独立运行;并且通过参数配置可选择其中一种, 控制灵活, 适用性好, 另外, 本文中通过位置反馈接口电路可兼容多种形式的位置反馈, 克服了现有伺服控制系统中驱动器只能支持一种形式的编码器的缺点, 其使用方便, 成本也较低。

摘要：随着产业升级的不断推进, 机械数控化、自动化是企业提高生产效率、提升企业效益、获得持续竞争优势的重要途径之一。伺服作为驱动部件, 在数控自动化领域应用广泛, 作用突出。本文是基于单编码器反馈的多电机控制伺服驱动器的研究。该伺服控制系统具备多个伺服电机驱动接口, 可以控制多台电机的同步运行或者各自独立运行;并且通过参数配置可选择其中一种, 控制灵活, 适用性好。通过位置反馈接口电路可兼容多种形式的位置反馈, 克服了现有伺服控制系统中驱动器只能支持一种形式的编码器的缺点, 使用方便, 成本更低, 便于推广。

关键词：增量式编码器,绝对式编码器,伺服驱动器

参考文献

[1]小槇邦孝, 相泽安晴, 青山一成.伺服电机控制系统[P].中国专利:CN1525341A, 2004-02-16.

[2]青山一成, 小槇邦孝, 相泽安晴.伺服电动机控制系统[P].中国专利:CN101505124A, 2008-12-31.

[3]梁川敏, 桥本克博, 江树兵, 顾正华.绝对编码器[P].中国专利:CN101046396A, 2006-12-04.

[4]宫岛徹, 石塚良, 伊藤昭二.编码器[P].中国专利:CN103323039A, 2013-03-07.

直流电机驱动器系统设计与实现 篇2

1 应用系统结构设计与设备选型

根据直流电机驱动器功能特点, 电机驱动器需要完成串行数据通信、信号采集、功率驱动等处理任务。直流电机驱动器的系统结构如图1所示。系统使用Atmel公司的高性能单片机AT90S8535作为核心控制器。按照系统结构, 需要选择实现A/D转换、电机功率驱动和串行通信单元的元器件来构建系统[1]。

2 硬件设计

直流电机驱动电路主要包括传感器接口电路、H桥功率驱动电路、串行通信接口电路等。

2.1 传感器接口电路

传感器接口电路采集的信号有电机的转速和绕组电流。直流电机的绕组电流通过采样连接在H桥上的一个小值采样电阻的电压获得。转速信号通过与直流电机同轴连接的增量式光电编码盘输出的相差90°相角的两路方波信号获取。

为了实现对速度信号的采样, 利用电机控制常用的光电编码器来实现对转速的编码。增量式光电编码器的特点是每产生一个输出脉冲信号就对应于一个增量位移, 但是不能通过输出脉冲区别出在哪个位置上的增量。它能够产生与位移增量等值的脉冲信号, 其作用是提供一种对连续位移量离散化或增量化以及位移变化 (速度) 的传感方法, 它是相对于某个基准点的相对位置增量, 不能够直接检测出轴的绝对位置信息。一般来说, 增量式光电编码器输出A、B两相互差90°电度角的脉冲信号 (即所谓的两组正交输出信号) , 从而可方便地判断出旋转方向。同时还有用作参考零位的Z相标志 (指示) 脉冲信号, 码盘每旋转一周, 只发出一个标志信号。标志脉冲通常用来指示机械位置或对积累量清零。如图2所示。

将A、B两相脉冲中任何一相输入计数器中, 均可使计数器进行计数。编码盘输出Z相脉冲用于复位计数器, 每转一圈复位一次计数器。编码盘的旋转方向可以通过D触发器的输出信号Q来判断。整形后的A、B两相输出信号分别接到D触发器的时钟端和D触入端, D触发器的CLK端在A相脉冲的上升沿触发。

2.2 H桥功率驱动电路

H桥功率驱动电路可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的驱动。永磁步进电机或混合式步进电机的励磁绕组都必须用双极性电源供电, 也就是说绕组有时需正向电流, 有时需反向电流, 这样绕组电源需用H桥驱动。直流电机驱动器拟驱动工作电压为5V~48V, 功率小于300W的直流电动机, 使用PWM方式进行调速。为了实现对H桥的驱动和功率控制, 利用2片半桥驱动芯片IR2112S来驱动由4只IRF540搭建的H桥。

2.3 串行通信接口电路

使用MAXIM公司的MAX232来进行单片机TTL电平和标准RS232电平的转换。

3 软件设计

直流电机驱动器的软件包括单片机程序和在上位机上运行的应用程序。本文仅对单片机程序设计做介绍。直流电机驱动器的单片机控制软件采用模块化程序结构。系统程序主要包括一个主循环程序、PID控制程序、中断服务程序和其他一些控制程序。

3.1 主程序

主程序完成系统初始化、中断判断、数据检测及处理和电机的PID调节等工作。主程序的结构如图3所示。

3.2 PID调节程序

比例 (P) 、积分 (I) 、微分 (D) 控制算法各自作用:比例, 反应系统的基本 (当前) 偏差, 系数大, 可以加快调节, 减小误差, 但过大的比例使系统稳定性下降, 甚至造成系统不稳定;积分, 反应系统的累计偏差, 使系统消除稳态误差, 提高无差度, 因为有误差, 积分调节就进行, 直至无误差;微分, 反映系统偏差信号的变化率, 具有预见性, 能预见偏差变化的趋势, 产生超前的控制作用, 在偏差还没有形成之前, 已被微分调节作用消除, 因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用, 加强微分对系统抗干扰不利。积分和微分都不能单独起作用, 必须与比例控制配合[2]。用计算机算法来代替模拟式PID控制器的数字PID控制器算法不断改进和完善, 显著地扩展了它的功能。

3.3 串行数据传输程序

单片机与上位计算机之间采用RS232的串行数据传输方式。单片机采用中断方式接收数据, 而发送数据则采用查询方式。单片机与上位计算机之间的数据传输格式为:数据的发送和接收以帧为单位, 每帧10个字节, 接收完整1帧后再进行识别。

4 系统测试与小结

直流电机驱动器系统的测试分为四部分:AT90S8535主机电路测试、传感器接口电路的测试、H桥功率驱动电路的测试和串行通信电路和的测试[3]。对各部分的测试应该编制各自的测试程序。

本设计直流电动机控制器采用两级计算机系统实现, 上位机利用通用计算机, 下位机采用单片机控制。上位机和下位机之间以串行数据传输方式进行通信。单片机采取一定的算法对直流电机进行调速控制, 并将信息传位上位计算机, 上位计算机对数据处理后, 并实时显示在屏幕上。可以用Visual Basic或Visual C++来编写应用软件, 通过改进控制程序, 该设计同样可以应用到其它控制场合。

摘要：从直流电机控制驱动器功能说明出发, 对控制系统的组成结构、系统设备选型进行分析。在硬件设计上给出了详细的电路设计图, 并对各功能部件与单片机AT90S8535的连接作了说明。软件设计绘出了系统的程序控制流程图, 对各部分程序进行简单的分析。

关键词：AT90S8535单片机,传感器,电机功率驱动,串行通信

参考文献

[1]张萌, 和湘, 江斌.单片机应用系统开发综合实例[M].清华大学出版社, 2007

[2]张军.AVR单片机应用系统开发典型实例[M].中国电力出版社, 2005

单电机PLC应用与维护 篇3

电机是工业企业中必不可少的设备。尤其是大型电机, 它的安全运行是工业企业安全生产与经济效益提高的保证。而电机的安全运行必须要有强有力的控制系统作支持。传统的电机控制系统体积庞大, 因为有大量的电气元件, 如时间和中间继电器等。触点多, 布线多, 控制线路繁锁复杂, 因而可靠性差, 发生故障时也不便于查找。而用PLC作为电机控制系统, 它代替了大量继电器控制的逻辑电路, 减少了由于继电器存在的大量布线。同时用固态的I/O电路代替了控制继电器、控制电机启动器、检测按钮和限位开关, 从而减小了控制回路的体积, 增强了可靠性。而随着科技的进步, 已能对运行中的电机进行监测, 发生故障时, 将故障点在显示器上输出, 便于查找故障, 减少经济损失, 再加上它对现场环境的适应能力及超强的抗干扰能力。因此, 对于大型电机, 用PLC作为控制系统也越来越多地被采用。

企业作为PLC产品的用户, 在生产中不可避免地会遇到一些实际问题。比如说发生故障时, 对于企业的电气维修人员来说, 必须对PLC的结构及工作原理有一定的了解。方能在查找故障的过程中理清思络, 尽快找出故障, 而企业的维修人员并非是专门研究PLC的人员, 加之人员素质的差异, 对PLC一般都感到神秘, 那我们是否可以这样理解, 对电机用PLC而言, 它就是多个继电器的集合, 完成同继电器一样的功能, 只不过完成这种功能的过程由设定好的程序进行控制, 并能在实现这个过程的时候加以监测, 同时在显示器上输出。PLC作为传统控制系统的替代品, 有超强的环境适应能力及抗干扰的能力, 而且价格越来越低, 可以充分满足不同用户的需求。电机用的PLC产品, 主要是启动过程的控制和正常运行监测, 我们可以用下面的框图 (图1) 大致表示PLC的控制系统:

由于PLC的程序是已经设定好的固化在存贮器中, 即使突发情况, 程序中的数据也不会丢失, 因此, 可靠性非常高。它的程序设计时对于微型和小型的最普通的现在多是继电器梯形逻辑语言。梯形图逻辑语言是以梯形图中的接点 (常开或常闭) 、线圈, 垂直短线, 水平短线。

了解PLC的工作原理, 掌握梯形图语言, 便于对其进行维护, 由于PLC可靠性强, 发生故障的几率很小, 一般五年之内是不会发生故障的, 同时PLC有完善的自诊断功能, 输入/输出有明显的指示, 加之PLC在线临控软件的功能很强, 所以容易进行维修, 故障多出现在与PLC相连的外部设备或元件上。如接触器线圈, 继电器等。目前进6KV以上高压电机多采用变频起动或高压液态软起动。变频起动是通过改变电源电压的频率来改变电机转速, 而高压液态软起动是将液体电阻串入电机定子回路, 由液阻柜上的小电机带动极板运动来改变液阻的大小, 液阻随着电机的启动自动投入并在预定的时间内自动, 无级切除, 启动完毕, 电机自动投入到运行状态。高压液态软起动电机一般没有以下几种保护:低电压、单相接地、过电流及速断, 起动超时, 综合报警 (包括仪表, 液位等) 。每种故障根据不同的保护及故障显示, 可以根据不同的情况进行分析, 下面再谈几种控制系统中的常见故障及维护:

(1) 电机启动前PLC没有发出正常信号, 允许启动显示不正常。出现这种情况的原因大致有:

a.PLC自身故障。

b.高压隔离开关故障。

c.极板限位开关故障。

d.中间继电器线圈烧损。

e.显示烧坏。

(2) 启动过程中极板不动, 造成启动电流过高, 导致启动失败, 可能有以下几种原因:

a.PLC输出错误。

b.机械卡住。

c.接触器线圈烧损。

d.接触器触点接触不良。

(3) 极板不能自动复位, 可能的原因有:

a.行程开关触点接触不良。

b接触器触点接触不良。

c.PLC输出信号不正确。

对于PLC本身故障我们可以通过诊断程序调试或更换硬件。解决机械故障则需加强润滑或更换齿轮。接触器, 继电器, 开关等则需更换其触点或元件本身。由于生产的连续性和设备自身的要求, 在日常工作中还应注意环境图1 PLC控制原理温度的变化, 做好设备在长期运行中的通风散热防尘工作。加强对设备的巡检, 及时消除隐患, 避免事故的发生。

PLC技术代表了电气程序控制的世界先进水平, 由于可用于车间现场用程序控制, 环境适应性强, 可靠性高, 维修容易, 因此发展迅猛。从诞生到现在短短几年, 其功能越来越强, CPU性能越来越高, 存贮器容量越来越大, 编程也越来越高级, 其大、中、小、微型等不同的型号可满足不同的用户的需要。我国的PLC研制起步较晚, 在技术上与先进国家还有较大的差距, 直到20世纪80年代后, 其推广应用方达到高潮。有人预测, 在未来的发展中。PLC将测量标准式和开放式结构。面且还将包含现在只有高级数据处理机才有的某些等级的过程。控制功能包括多语言功能, 数据库处理, 模糊集合逻辑, 神经网络, 学习功能及通信协议的高级系统。本人并非专业搞PLC研究的人员, 只是结合本单位的应用, 谈一点粗知末解, 其中有许多缺点和漏洞, 请各位老师批评与指正。

摘要：把在工作中对PLC的认识与心得, 就单电机PLC应用与维护这个问题, 与大家一起学习、交流与探讨。

关键词：PLC,应用,维护,控制器

参考文献

[1]电机拖动基础[M].

[2]单片机应用设计[M].

[3]电气工程师手册[M].

[4]机电一体化技术手册[M].

[5]电力电子变流技术[M].

浅谈直流伺服电机的驱动与应用 篇4

关键词：单片机,伺服电机,控制,PWM信号

前言

本文以直流伺服电机为核心, 研究其在自动控制系统中的驱动与应用, 伺服电动机可以分为直流伺服电机与交流伺服电机, 直流伺服电机又分为有刷伺服电机与无刷直流伺服电机。本文针对目前市场中性价比较高的一款直流有刷伺服电机为例进行研究。

一、直流伺服电机的组成及工作原理

标准的直流伺服电机内部包括了一个直流电动机、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器及一块电子控制板。其中, 高速转动的电动机提供了原始动力, 带动变速齿轮组, 使之产生高扭矩的输出。齿轮组的变速比越大, 伺服电动机的输出扭矩也越大, 也就越能承受更大的重量, 但转动的速度也越低。一般标准的伺服电动机有三条连接线, 分别为:电源线、地线及控制线。电源线与地线用于提供内部电动机及控制线路所需的能源, 电压通常介于4V与6V之间。甚至伺服电动机在重负载时也会拉低放大器的电压, 所以整个系统的电源供应比例必须合理。

直流伺服电动机会接收由外部传来的PWM控制信号, PWM信号由伺服电动机控制线传输进入伺服电动机内部电子控制板上的信号调制芯片, 获得直流偏置电压;然后, 直流偏置电压与电位器的电压比较, 获得电压差输出;最后, 由正负极性的电压差输出到电动机驱动芯片决定电动机的转动方向。当电动机转动时, 通过级联减速齿轮带动电位器旋转, 使得电压差为零, 电动机停止转动。也有360度连续旋转的直流伺服电机, 其转动时不带动电位器旋转, 而是电位器给一个特定值。

二、直流伺服电机的驱动与控制原理

直流伺服电机的驱动与控制, 就要通过外部电路和给直流伺服电机控制端传输特定的控制信号, 即PWM信号, 对于PWM信号有一定的要求, 一般要求PWM信号周期为20ms, 高电平持续时间在0.5ms到2.5ms之间 (部分伺服电机对PWM信号周期时间要求并不是十分严格) , 而且在控制过程中还要对直流伺服电机进行零点校正。

对于直流伺服电机控制器以AT89S51单片机与外围器件为核心, 该控制器中单片机可以产生8个通道的PWM信号, 由单片机端口输出, 输出的8路PWM信号通过光耦隔离传送到下一级电路中。因为信号通过光耦传送过程中进行了反相, 因此从光耦出来的信号必须再经过反相器进行反相。方波信号经过光耦传输后, 前沿和后沿会发生畸变, 因此反相器采用CD40106施密特反相器对光耦传输过来的信号进行整形, 产生标准的PWM方波信号。PWM信号产生由单片机软件完成, 本文中程序用C语言开发完成。直流伺服电机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流, 若直流伺服电机与单片机控制器共用一个电源, 则直流伺服电机会对单片机产生较大的干扰。因此建设在使用直流伺服电机时要与单片机控制器采用两个电源供电, 两者不共地, 通过光耦来隔离, 并且给直流伺服电机供电的电源最好采用输出功率较大的开关电源, 这样控制效果比较理想。

三、直流伺服电机的应用

直流伺服电机的控制与维护比较方便, 而且其控制精度高、体积小、重量轻、速度高、响应快、转动平滑、力矩稳定、惯性小、电磁辐射很小、寿命长等很多优点, 可以应用于敏感的普通工业、民用场合、高精度的工业控制等领域。通过对直流伺服电机研究的不断完善, 它可以应用于恶劣的工作环境和危险的工作场合, 也可以用于枯燥单调的重复性劳作机器人的动力执行部件, 具有一定的实际意义与社会价值。

我们将直流伺服电机作为机械臂的动力来源与执行部件, 实现一组高精度的机械臂运动控制。为高等学校教学提供机器人教学系统, 为学生提供一个开放性、创新性的实验教学展示平台, 通过对机械臂的亲自组装、调试和应用开发等创新实验, 让学生全面掌握机电一体化技术的应用开发和集成技术, 从而掌握机电控制系统的组成、功能及控制原理;掌握机械传动部件的选择, 结构件的设计, 传感器的选择和使用, 电机的选择和使用, 计算机编程和调试等, 重点让学生了解关于机械臂运动控制及其执行机构的工作原理, 加深了对直流伺服电机的了解与应用。

结束语

单驱动直流电机 篇5

直流电机的驱动比较简单,既可通过继电器或功率晶体管驱动,也可利用可控硅或功率型MOS场效应管驱动。为了适应不同的控制要求 ( 如电机的工作电流、电压,电机的调速,直流电机的正反转控制等),下面介绍几种电路,满足这些要求。

图1电路利用了达林顿晶体管扩大电机驱动电流,图示电路将BG1的5A扩流到达林顿复合管的30A,输入端可用低功率逻辑电平控制。

上述电路采用的驱动方式属传统的单臂驱动,它只能使电机单向运转,双臂桥式推挽驱动可使控制更为灵活。图2为一款单端逻辑输入控制的桥式驱动电路, 它控制电机正反转工作,这个电路的另一个特点是控制供电与电机驱动供电可以分开,因此它较好地适应了电机的电压要求 .

图3也为单端正负电平驱动桥式电路,它采用双组直流电源供电,该电路实际是两个反相单臂驱动电路的组合。图3也能控制电机的正反转。

图4电路以达林顿管为基础驱动电机的正反转,它由完全对称的两部分组成。当A、B两输入端之一为?电平,另一端为低电平时,电机正转或反转 ;当两输入端同为高或低电平时, 电机停转 ;如采用脉宽调制,则可控制电机的转速,因此图4具有四种组合输入状态,电机却可以产生五种运行状态。这里箝位二极管D1、D2的加入具有重要的作用,它使达林顿管BG2,BG3不会产生失控,这在大功率下运转时更显安全。本电路的另一特点是输入控制逻辑电平的高低与电机的直流工作电压无关,用TTL标准电平就能可靠地控制。

与图4相比,图5的桥式驱动电路更为有趣,其一它是以低电平触发电机运转 ;其二控制端A、B具有触发锁定功能 ;其三具有多种保护,如D1、D2的触发锁定,D3—D6的功率管集电极保护等。因此本电路只有三种输入状态有效,电机仍有五种工作状态。D1 ,D2的作用是 :若A为低电平时,BG1、BG2、BG5导通, BG2集电极的?电平将通过D2封锁B端的输入,保证BG6截止,若本电路采用TTL电路触发,必须选用集电极开路门电路。

因电机对供电稳定的要求并不高,图6的驱动电路不失为一种交流供电方案, 交流电经全桥整流后,驱动并联使用的MOS场效应管Q1、Q2,R3、C1起滤波作用 ;续流二极管D用以防止高电压对Q1、Q2的破坏。

图7利用可控硅的整流特性驱动直流电机,本电路仅适用于小功率电机调速,R2,C3的滤波网络可以吸收电机的反电动势保护SCR,C2与L组成的滤波器,能抑制电网干扰。

用集成电路驱动电机的情况也较多, 和一般的三端稳压器直接驱动不同,图8电路使电机可以获得从0V至7V的驱动电压,因而具有低压调速性能,IC1为正输出的固定稳压器,IC2为可调负输出的四端稳压器,调节R1可以使电机获得零电压,由于IC2的散热片内部与输入端相连,因此IC1, IC2可用公共散热器,以适应低压工作。

单驱动直流电机 篇6

现今, 在轻型电动汽车研发的众多技术中, 轮毂驱动式电动汽车作为一种新型的电动汽车的选型方向, 受到业界的高度关注, 相对国内的相关研究来说, 目前尚处于刚刚起步阶段, 但是由于轮式驱动特有的优点, 令其具有广阔的应用前景。电动汽车驱动控制系统是车辆行驶的核心, 与传统内燃机汽车相比, 电动汽车的电机驱动控制响应速度快、精度高, 特别是对于轮式驱动的电动汽车, 每个驱动轮的转矩可以独立控制, 这样可通过软件实现电动车的行驶功能, 其控制装置凸现低成本、高性能的独特优势。本文以此为切入点, 进行了轻型电动汽车无刷直流电机驱动系统的研制。

轻型电动车架构与控制策略

轻型电动车基本架构的确定

图1为传统式电动汽车的整体架构, 由图中可看出整个电动车构造复杂, 电动机动力通过传动系统传至驱动轮, 系统架构不但笨重且能量流失严重, 同时使用制动系统来减速或刹车, 能量无法回收利用。

图2为本次设计所提出的轻型电动汽车的整体架构, 相较于传统式电动汽车, 其架构已大幅简化, 将驱动器、电动机、传动系统、制动系统与驱动轮全部整合成电机驱动模块, 直接接受控制单元的控制。电动汽车运转时控制电路根据驾驶模式控制无刷直流电机操作于不同象限, 可以命令电动车前进或后退。当需要减速或刹车时, 无刷直流电机转变成发电机状态, 将电动车的动能经由电机驱动模块转换成电能回充于电池。

轮圈式无刷直流电机

电机系统是电动汽车运行的心脏, 是电动汽车研究需解决的首要问题。针对目前电动汽车常用的电动机进行了比较, 得出直流无刷电动机是比较适合于电动车的。它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点, 又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点, 同时无励磁损耗。本系统所使用的无刷直流电机为轮圈式电机, 其驱动模块可将电动机动力直接输出, 不必通过中间的齿轮、链条或皮带的传输, 因此有较高的传动效率。图3为轮圈式电机结构, 可以看出外转子式电机构造, 永磁式磁铁镶嵌于转子内侧, 固定在外壳上以转轴为圆心转动。定子部分包括硅钢片及定子电枢绕组, 固定于无刷直流电机骨架上, 整个无刷直流电机转子与定子之间只有通过转轴上的轴承连接, 可以将无刷直流电机整体机械损耗降至最低。

轻型电动汽车驱动系统控制策略

轻型电动车的驾驶模式

电动汽车驾驶模式如图4所示, 包括从静止状态起步加速, 固定转速定速行驶及最后阶段的减速或刹车等模式, 且电动车行进方向可为前进或后退。电动汽车的驾驶模式除了直线前进外, 也包括转向, 如图5所示。由于电动汽车转向时各车轮所走的距离不同, 转速各不相同。若无差速器吸收内外侧轮间的转速差, 则内侧轮与地面产生的阻力会让电动车转向时的行进轨迹难以有效掌握, 所以差速器是车辆传动系统的必要装置。本设计借由控制电路输出不同速度的命令给电动车左右两边的电机驱动模组, 所形成的转速差, 便具有差速器的效果, 不必再依靠机械结构。

轻型电动汽车电机电压控制策略

文献指出, 转矩控制策略、功率控制策略及转速控制策略下, 驾驶感觉与传统内燃机汽车相异, 不适合轻型电动汽车无刷直流电机驱动系统, 故本文采用电压控制策略。通常采用线性电流调节系数的电流负反馈控制系统和调压调速系统都属于电压控制策略。

轻型电动汽车直行控制策略

轻型电动车由两个轮圈式电机单独驱动, 因取消了机械差速系统, 再加上驱动模组内部参数和外部路况等因素, 即使两驱动模组的输入信号一致, 也不可能绝对保证左右电机转速相同, 继而影响电动汽车直行时的稳定性。保证电动汽车能够正常直行的核心是要尽可能地减小直行时的跑偏量, 如图6所示, 我们引入一个补偿减小两驱动轮的转速差, 补偿的过程是将左电机的速度与右电机的速度比较, 将其差值回馈到右电机的速度给定环节, 从而减小左右驱动轮的转速差。

轻型电动汽车转弯控制策略

轻型电动汽车转向的简化模型如图7所示, 我们分析驱动轮3和4的速度可知, v3和v4是关于车速v和转向角θ的变量, 改变v3和v4, 电动车的行进方向会往转速较慢的那边转向。但由于此方式存在一定的安全隐患, 同时对驱动轮的要求较高, 所以需要对转向转角进行限制。本系统中将转角限制在45°, 转角信号超过45°仍然按照45°计算。

轻型电动车调速控制策略

在工业控制领域中直流无刷电机得到广泛应用, 先进的调速控制策略也得到广泛采用, 如PID控制、模糊控制、自适应PID控制等。由于轻型电动汽车对调速特性的要求并不是很高, 故本系统采取转速、电流双闭环控制, 它能完全利用无刷直流电机的过载能力, 在启动过程中保持电流为允许的最大值, 使系统以最大的加速度启动, 等转速稳定后, 立即让电流降下来, 使转矩与负载平衡, 使系统进入稳态运行。轻型电动汽车双闭环调速控制策略如图8所示。

通过检测无刷直流电机转子位置信号的变化, 我们可以估算出无刷直流电机转速, 其目的就是为转速调节计算出电流环的指令值。同时通过检测转子位置信号可以确定定子绕组的导通顺序, 从而根据电枢绕组的电流确定定子绕组导通所需的电压平均值, 即PWM的占空比。电流环的作用就是为确定并更新电压平均值即PWM的占空比。

轻型电动汽车驱动控制系统的设计

硬件设计

轻型电动汽车无刷直流电机驱动系统硬件总体架构如图9所示, 整个驱动系统主要由功率主电路即换流器、驱动电路、转子位置检测、电流检测电路、保护电路、开关输入电路、脚踏板输入电路、CAN通信电路、电源模块等组成。其中, 保护电路包括欠压、过压以及过流保护等;开关输入电路包括钥匙, 前进后退转向等信号输入;转子位置检测电路检测无刷直流电动机转子的位置信息, 为电动机的准确换相以及速度检测提供依据。

系统的控制单元以DSP TMS320LF2407A作为控制核心, 其特点是利用DSP强大的数学运算, 实现模拟电路所无法完成的控制流程, 并充分利用DSP内建功能如模拟/数字转换器、PWM产生器、通讯接口等, 降低系统的硬件复杂度。

控制电路和电机驱动模块以CAN总线作为命令传送接口。控制电路的方向与速度控制器信号经由CAN总线传送给远端的电机驱动模块, 控制电池与直流无刷电机间的功率流向, 速度与电流信号亦经由CAN总线传回给控制电路。

软件设计

轻型电动汽车无刷直流电机驱动控制系统能否正常工作, 只有硬件系统是不够的, 还必须软件的配合才能正常工作。硬件电路满足了驱动电动机运转的基本要求, 且提供了硬件保护, 软件则使驱动电动机获得优异的调速性能, 并且提供了软件保护。

系统程序流程如图10所示, (a) 为系统主程序流程, (b) 为转子位置捕捉中断程序流程, (c) 为A/D中断程序流程。系统上电时, 将进行初始化, 之后对外部输入信号进行采样, 发现速度信号或方向信号后, 系统将按设定的控制策略对直流无刷电动机进行协调控制。DSP在间隔时间内对外部输入的信号进行采集, 实时更新PWM值, 如此循环。转子位置捕捉中断服务子程序的主要作用是根据I/O脚中断信号捕捉到的转子位置信号进行换相与速度计算。A/D中断服务子程序的主要作用是读取电流转换值, 给调解速度环和电流环, 实现PWM参数的更新提供依据。

结语

经实机测量, 轻型电动汽车可达到前进、后退、转弯及原地转向等驾驶模式, 通过电流限制功能可控制电动机输出转矩, 使电动车运转于省电模式;轻型电动汽车具有能量回馈功能, 通过无刷直流电机不同象限的控制, 刹车时的动能可转为电能回充于电池, 测试得到, 驱动系统效率最高可达80%。

单驱动直流电机 篇7

1 总设计方案

以stm32主控芯片为控制系统, 其余组成部分为驱动电路、电源电路、检测电路、显示电路、通信电路等。该驱动器拟设计成双电机驱动模式, 在根据指令完成保护、驱动操作的同时还能对电机运行参数进行实时监测显示和反馈, 如图1所示。

2 电路硬件设计

2.1 控制系统

本驱动器采用STM32F103RCT6微处理器, 基于Cortex-M3内核, 最高的时钟频率为72MHZ, 拥有丰富的外设资源, 包含了DMA控制器、ADC、还拥有专用于电机控制的高级定时器, 有强大的边沿捕获能力和PWM功能, 可以使设计大大的简化, 系统总功耗降低;采用SWD仿真接口, 引脚更少, 连接更为简单安全, 代码也能以更快的速度下载到Flash当中。

2.2 驱动电路

驱动器采用VNH3SP30芯片作为电机驱动单元, VNH3SP30是意法半导体公司生产的专用于电机驱动的大电流功率集成芯片, 最大电流为30A、电源电压高达40V, 内含欠压、过压保护电路, 具有过热报警输出和自动关断等功能。

STM32单片机通过光耦隔离来实现对驱动芯片的控制和信号反馈, 单片机通过控制INA和INB管脚高低电平来实现电机的正反转及制动, 通过PWM信号控制电机转速, ENA和ENB管脚实现芯片的过热、过压、欠压及过流反馈, 如图2所示。

2.3 电源电路

电源电路设计参数值具体包括如下:

(1) stm32微处理器和通信芯片供电电压3.3V;

(2) VNH3SP30芯片驱动和检测电路供电电压5V;

(3) 增量式码盘供电电压12V;

(4) VNH3SP30芯片电机驱动供电电压24V。

在电源电路中, 电源输入电压为24V, 通过LM2576S-12.0, LM2576S-5.0以及SPX1117IMPX-3.3稳压芯片将电压分别降为12V、5V、3.3V后供给各电路。

2.4 检测电路

检测电路包括电流检测、电压检测以及转速检测, 主要用于对流过电机的电流、电机两端电压以及电机转速进行检测。电压、电流、转速信息不仅可对电机运行提供保护, 而且还能用于对电机运行特性参数进行调整。

电流检测元件使用电流传感器 (ACS712) , 在该传感器内设置有高精准性的低偏置线性霍尔传感器电路, 可对交流、直流电流成比例的电压进行输出和检测。电压检测则以分压电路实现, 将直流电机并联到电阻上, 将电阻输出电压调节到stm32的ADC采集范围内。转速检测预留增量式码盘接口, 将码盘固定于电机上, 电机轴和码盘转子相连, 处理器通过采集码盘信息从而计算出电机转速。

2.5 显示电路

驱动器预留LCD显示电路接口, LCD分别接在stm32的PA8~12、PB6~7等共计16个端口, 对电机驱动时的转速、电压、电流以及故障等运行情况进行显示。

2.6 通信电路

通信电路设计采用SP3232芯片, 实现上位机与电机驱动器之间的通信, 用于实现控制器对电机的转向、转速的控制及电机运行电压、电流、转速、运行状态等情况的反馈。

3 软件设计

软件设计以stm32自带的固件库为基准, 与直接控制寄存器相比可有效降低编程难度和耗时, 驱动器功能主要包含PWM控制和ADC信号采集。驱动器控制以脉宽调制实现, 通过对占空比进行调节, 达到控制电机转速的目的。考虑到电压波动负载变化会对转速产生影响, 因此本设计中以PID算法对转速波动进行调节;由于ADC采集会受到电压和电流波动的影响, 因此可将每秒采集的数据量累积到10求均值, 再将均值与电机欠压、过压、过流的临界值进行比对, 若超过临界值则反馈故障状态;232通信主要实现上位机对电机转向、转速的实时控制和运行状态的反馈。

4 总结

本文基于stm32微控制器对直流电机驱动器的驱动和运行控制进行了设计, 实现了驱动部分对电机运行状态的监测和反馈, 同时节约了控制系统的程序空间, 提高控制精度, 赋予了驱动系统可移植性。

参考文献

[1]吴勇, 王友仁, 王强, 等.基于STM32的无刷直流电机正弦波驱动控制系统设计[J].微电机, 2015 (09) :39-42.

[2]邱恒.基于STM32单片机的直流电机调速系统设计研究[J].电子世界, 2016 (07) :156-156.