电机驱动器测试（精选8篇）
电机驱动器测试 篇1
1 插件测试系统总体设计
综合保护器插件测试系统用来对各类综合保护器插件进行测试,因此测试系统必须能模拟各种插件的工作环境和工作条件,可以产生各种正常信号或故障信号,包括电源、电压和电流等测试信号,作用到插件上以对其进行测试。主要的测试项目有漏电闭锁、过载、短路、断相等,需要对电压、电流、电阻值、动作时间等参数进行测量,根据测试的结果来判定综合保护器插件的性能情况,以决定是否可用于煤矿井下各种设备中。
该系统的通用性表现在可以测试各种插件,可扩展性表现在能实现对新插件的测试,通用性和可扩展性是采用组合式结构来实现的。系统由测试台、专用箱(与综合保护器插件相配套)和软件系统三部分组成,测试台通过A、B两电缆和专用箱与各插件相连。测试台安装了各种通用测试电路(如三相电流电压发生器等),专用箱内安装了与每一种被测综合保护器相配套的测试电路,A、B两电缆用于对测试过程进行控制和对信号进行测量[1]。
所有操作均在计算机上进行,测量的参数值也在触屏上显示,所有操作均有提示,通过软件进行逻辑判断,拒绝执行错误操作,使系统工作十分可靠。测试台内装有力创公司生产的EDA90 系列智能测控模块,与上位计算机组成RS485 网络,由各智能测控模块分别测出信号的电压与电流值以及动作时间、漏电阻等。系统软件采用Delphi开发。在上位计算机发出读写命令后,各智能测控模块便将测出的电压与电流值以及动作时间、漏电阻值等送到上位机,上位机将收到的数据在软件界面上显示出来,并可将数据存盘和打印输出。图1为测试系统各部件的关系图。
2 电机启动器综保插件测试
矿用电子式电机启动器综保插件有JDB-80A、JDB-80C、JDB-120A、JDB-225A等型号。数字型与智能型电机启动器综保插件有ABD-8、WJBK-Ⅱ等型号。本文以淮南无线电七厂生产的JDB系列插件测试为例进行说明。
2.1 JDB综保插件主要技术指标
JDB综保插件主要技术指标见表1。
2.2 硬件连接
JDB系列电机启动器综保插件又分为3种情况:①JDB-80A、JDB-120A、JDB-225A,均是电流互感器与保护电路安装成一体化的综合保护器;②JDB-80C型综合保护器的电流传感器与保护电路是分体式的;③JDB-80S型综合保护器的电流传感器与保护电路也是分体式的,但它的引脚与JDB-80C有很多不同。因此,JDB系列在测试时又必须分为三种情况来分别考虑,需制作三种不同的专用箱,并且这三种情况下专用箱、插件和大电流发生器的硬件连接方式不同。图2为JDB-80A测试接线图。
2.3 软件开发与测试
基于Delphi6.0开发了系统软件,程序设计使用了模块化技术[2]。图3为 JDB-80A综合保护器测试界面,可以看出测试界面可以划分成三个模块:调压模块、测试模块和预览打印模块。本文以JDB-80A为例来说明测试步骤,JDB-80A、JDB120A、JDB-225A及JDB-80C、JDB-80S的测试过程与其相似。
测试时首先将被测的JDB-80A用短路铜条安装在大电流发生器上;然后将与JDB-80A配套的专用箱的输出线3、4、9、33与JDB-80A上对应编号端相连接,将大电流发生器输出电缆与专用箱的插座相连接;最后将测试台的B电缆插头插入专用箱的对应插座中,接线完成后,即可开始测试。
测试步骤如下:①将测试台的B电缆与JDB专用箱连接; ②运行测试软件,选择JDB-80A被测插件,如专用箱与被测插件配套,则进入图3界面,否则无法进入;③进入图3界面后,将测试所需信号调整好,并输入测试人姓名、测试插件序号;④测试项目包括漏电、短路、过载等,每项测试按操作提示进行操作即可;⑤每项测试完后,如对测试结果有怀疑,可重新再做,直至满意,最后将测试结果数据保存,以备打印;⑥全部测试项目测完后,可打印测试结果,在打印前可以按预览按钮观察打印结果。图4为某次测试后所得的JDB-80A测试报告。将测试结果与表1相比,可以看出这个插件合格。
3 结束语
本文以电机启动器综合保护插件JDB系列为例对综保插件自动测试系统进行了测试及功能验证。本自动测试系统可用于测试各类矿用高低压开关、磁力启动器等各种型号电气综合保护插件的过载、短路、漏电、断相等参数。测试结果表明,该测试系统测试方便,通用性及可扩展性良好。该测试系统已在多个煤矿使用,运行良好。
参考文献
[1]李晓,任作新.矿用综合保护器插件自动测试系统设计[J].煤矿安全,2007,38(5):49-53.
[2]张子江.Delphi高级开发范例[M].北京:电子工业出版,2002.
电机驱动器测试 篇2
摘 要：针对输入电压较低且工作电流较大的直流电机驱动控制场合，设计了一种低压大电流H桥直流电机驱动器.驱动器采用VNH3ASP30的H桥电机驱动芯片，依据调压调速理论，通过TL494产生一路占空比可调的PWM脉冲来控制电机的运行速度，并运用TL494内部集成的运放构成电流截止负反馈来限制驱动器的输出电流，考虑到运行状况的需要，设计了双边延单稳态触发器启动延时可调电路.实验表明，该驱动器具有工作电压低，输出电流大（最大可达30A），调速方便，电机启动延时（0-lOs）可调等特点，并且省去了软件设计，降低了控制难度，减少了成本，
关键词：直流电机；VNH3ASP30；H桥驱动；占空比；启动延时
DOI：1O.15938/j.jhust.2015.02.009
中图分类号：TM33
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2015）02-0048-05
0 引 言
随着电机拖动行业中小型机械系统的发展，直流电机控制系统的运用越来越广一泛，H桥直流电机驱动电路由于其可以方便地实现直流电机的四象限运行，因此在直流电机控制中受到广泛的应用但针对电源电压较低输出电流较大的直流电机控制场合一直存在以下问题使大电流直流电机驱动控制系统效果不够理想，由于分立器件组成的H桥电路各元件的特性不同，导致驱动特性具有一定离散性，此外，由于功率管的导通电阻较大，因此功耗很大导致需要大功率的散热片，就使驱动器体积变大.为此，许多公司生产了集成的电机驱动芯片，如美国国家半导体公司（NS）推出的H桥电机驱动芯片LMD18200，其工作电压高达55V，峰值输出电流高达6A.虽然该芯片也具有驱动简单，控制效果好，但由于其输出电流较小，因此不能用于中型直流电机驱动系统中.
针对上述问题，本文选用了专用直流电机驱动集成芯片VNH3ASP30，该芯片就是一款输入电压低于40V，输出电流有效值可达30A左右的电机驱动芯片，该芯片内部集成了欠压、过压、过热、短路保护接地损耗等保护电路.可以实时对电机驱动器运行状态进行监测，确保直流电机驱动器处于安全运行状态，该芯片内部集成输出电流互感器，在接地电阻为规定值时，可以发出与输出电流成一定比例的感应电流，因此利用其电流互感功能设计了电流截止负反馈电路，对电机启动停止可能导致的输出电流过大进行了限流保护，本文利用TI494产生一路占空比可调的PWM脉冲与该H桥电机驱动芯片VNH3ASP30相互配合来驱动直流电机，并实现电机平稳的调速，为了满足电机拖动行业一些中小型机械系统的应用，对芯片VNH3ASP30方向引脚进行配置，设计开关延时电路，通过配置5V的逻辑电平就可使其平稳的工作在四象限.
1 基于PWM的H桥直流电机驱动器的设计
对于直流电机而言，其速度控制方法有三种，电枢串阻调速、电枢调压调速、弱磁调速，电枢串阻调速只能实脱有级调速，导致速度变化不够平滑；弱磁速虽然调速效果较好，但其工作在恒功率区，调速范围有限；只有调压调速既能实现无级调速，又能在负载变化时‘使速度有较好的稳定性，电损耗小，因此在直流调速系统中均以电枢调压调速为主，本设计采用占空比可调的PWM脉冲来实现直流电机的速度调节，其原理是改变其平均电压的大小来实现变压调速.
1.1 H桥驱动芯片VNH3ASP30性能及驱动电路
本设计选用的是H桥直流电机驱动集成芯片VNH3ASP30，该芯片在低压大电流H桥直流电机驱动控制中得到了广泛应用，其具有以下性能特点：①电源电压40V，最大电流30A；②内部集成MOS管导通电阻42mΩ③具有过压、欠压保护电路，即输入电压在5.5V，40V范围外自动关断VNH3ASP30输出；④该芯片还具有过流、过热、短路自动保护功能；⑤芯片内部集成电流互感器，接地电阻为700Ω时，感应电流比例为1：4700⑥可执行PWM波频率高达20kHz，驱动电路设计如图1.
由图1可知，该芯片内部有两路输出和地线，可以同时驱动两组直流电机，本设计为了加大驱动能力将其并联.图中INA和INB为方向控制引脚，向其输入5V逻辑电平，通过芯片内部的逻辑选择模块来驱动上下桥臂的开通和关断，两个引脚同时输入高电平或同时输入低电平则电机处于电磁制动状态，当两个引脚电平不同时可实现正反转运行，其运行速度由图中PWM引脚输入的占空比可调的PWM脉冲决定，采用TL494芯片生成同定频率占空比可调的PWM脉冲来控制电机运行速度，该芯片ENA和ENB引脚具有桥臂使能功能（高电平有效），中这两个引脚用来控制电机启动和停止，同时ENA和ENB两个引脚对芯片VNH3ASP30内部H桥电路有检测功能，当检测到故障（过压、过流、短路等）时，故障引线就会被闭锁，只有输入信弓.从低电平升到高电平时，H桥才能正常工作.CS引脚是芯片内部输出电流互感器的电流输出引脚，该引脚在接入电阻为700Ω时，互感电流与输出电流的比例为1：4700，对于电机控制电流反馈提供了很大方便.
TI494是固定频率的脉冲宽度可调的PWM脉冲发生芯片，其内部结构图如图2，TL494内部由一个振荡器、两个比较器、两个误差放大器、一个D触发器、一个或门、双与门、双或非门、一个+5v基准电压、两个NPN输出晶体管组成，图2中TI494芯片5、6引脚为RC震荡输入端，震荡频率由5、6脚输入的电容和电阻决定，其频率电容C=O.1μF，电阻R=1kΩ，产生频率约为lOk的锯齿波，该锯齿波同时加给死区时问控制比较器和PWM比较器，在误差放大器输出无效时（低电平），引脚4输入的电压与锯齿波相比较，其比较输出送人PWM比较器，经过四路信号相或后，一方面给D触发器提供时钟信号，另一方面提供给输出控制或非门，该芯片13脚的作用是控制输出模式的，该引脚为高电平时，触发器电路起作用，左侧输出脉冲经D触发器分频后分别送入两个与门来控制两个NPN三极管工作在推挽工作方式，此时两路输出相位差为π，此时PWM脉冲为振荡器频率的一半，其输出最大占空比为50%，若13引脚为低电平时，触发器不起作用，两路输出相同，其频率与振荡频率一样，最大占空比为100%.
本设计就是用TJ494产生占空比可调的PWM脉冲来控制电机的运行速度，其PWM脉冲发生电路如图3.如图可知13引脚接地，由此可知通过P1按入滑动变阻器，控制4脚电压在O-3.3V变化产生l-0的占空比可调的PWM波形，从而达到调速的目的.
为了让调速时避免驱动信号受到干扰，将TI494产生的PWM信号与VNH3SP30的输入控制信号隔离开来，本文选用高速光耦6N173，并将其输出接入CD4070异或门电路，CD4070的供电电源由TL494的内置SV基准电压14引脚提供，将CD4070输出接人VNH3SP30的PWM引脚，该光耦隔离电路不仅反应速度快、具有较短的延时，还能起到很好的隔离作用使该直流电机H桥驱动器运行状态更加稳定.
1.2 H桥直流电机驱动器截流反馈电路的设计
在直流电机启动或堵转时，由于惯性，转速不可能瞬间建立起来，反电势电压几乎为零，若没有限流措施就会导致电机电流会瞬间变大，这样会产生很大的噪声，同时会对电机换向不利，也可能是电子器件损坏，为了防止电机在运行中出现类似问题，本文设计了电流截止负反馈电路，该电路只在电机电流超过一定值时开始调节电流，本截流反馈电路运用图3中TI494内置误差放大器1进行搭建，其原理图如图4.
图4中CS与VNH3ASP30的CS引脚相连，通过二极管D1滤去反向电流，R20为700Ω的采样电阻，在采样电阻为700Ω时，输出电流与感应电流比为4700，由于本设计的限值为25A，所以当电流为25A时CS端电压
二极管导通压降0.7V，所以稳压管稳压取值为3V，本截流反馈输出电压其中，PI调节器的比例放大系数Kp=R6/R5，积分时问常数τ=RsCs；U1、U2分别为运放的输入电压.当电流超过25A时，稳压管击穿，电阻R2，两端电压大于零，输出电压公式PI调节器的输出与TLA94内部三角波进行比较后产生占空比变小的PWM脉冲信号来降低电流.为了防止截流反馈输出累积量过大，还设置了钳位电路以保证其正常工作.
1.3 H桥直流电机驱动器开关延时电路的设计
由于只针对不需要精确速度、位置的电机拖动行业的中小型机械（如车床走刀），以成本低、简单实用为主，其开关延时电路为控制电机正反转切换时产生可调的延时时间，既有利于电机缓冲后再运行，还可以运用在需要一定延时的加工机械上，其开关延时电路图如图5.开关延时电路中P3接人限位开关或者单刀双掷开关来控制电机的正反转，四异或门集成芯片CD4070中一异或门与电容C2、滑动变阻器DWl组成双边沿单稳态触发器.
图5中滑动变阻器的阻值与电容C2的值决定允放电时问.充放电时间计算公式为
本设计中CD4070电源电压Vcc=5V，其阈值电压VTH≈2.5V，所以可知充放电时间几乎相等，图5中INA和INR脚与VNH3SP30中的方向引脚INA、INB相连接，当开关P3的2脚与1脚接触后，CD4070的5脚变为低电平，6脚高电平，CD4070的4脚Y2输出为高电平，由于CD4070的l脚瞬问变为低电平，而2脚与电容连接，电平不能瞬问变低，所以此时1脚Y.输出为高电平，Y1、Y2均与CD4070的l、2脚相连且为高电平，则Y脚输出为低电平，Y脚与VNH3SP30的ENAFNB；相连，所以虽然INAINB低电平单电机不转，当电容C2放电完毕，1、2脚电平均为低电平，Y，输出低电平，此时Y1与Y2经异或门输出Y为高电平，电机正转，反转切换过程也是如此，其延时时间长短可由滑动变阻器DWI阻值来调节.此开关延时电路使该驱动器控制更加简便、适用.
2 实验波形
通过TL494产生PWM脉冲输入到VNH3SP30，两次闭合开关使电机正反转，测到开关延时波形如图6，在输入PWM脉冲占空比分别为50%和75%时对该低压大电流H桥直流驱动器的输出电压以及电枢电流进行了检测，如图7、8.由图7、8对比可以看出占空比越大电流脉动越小，即转矩脉动越小，
3 结 语
电机驱动器测试 篇3
在以电磁场能量守恒和基本电路原理为基础的电气系统功率理论中,单相正弦以及三相正弦平衡条件下的功率定义已经很完善,在工业生产生活实践中能够很好地解决所遇到的问题。而在非正弦和三相不平衡条件下传统的功率定义将失去其有效性。如今,随着电力电子装置在电机驱动和输配电领域的广泛应用,电气系统的非线性化日趋严重,文献[1]对此现状做了详细的阐述。
三相异步电机作为各种设备的动力来源,被广泛应用在各行各业中。据统计,2010 年我国全社会耗电量达到4. 19 万亿k W·h,其中工业耗电量占约70% ,电机系统耗电量则又占工业总耗电量的60%~ 70%［2］。因此,通过分析电机系统的能耗,为电机行业实现节能降耗是十分有意义的。在常用的异步电动机模型中,为方便控制分析,常常忽略电机的铁耗。但铁耗是真实的,研究表明［3］,在高硅钢片做铁心材料的大型电机中,其铁耗所占的比例约为铜耗的10% ~ 20% ; 而在采用较普通硅钢片的小容量电机中,铁耗所占的比例可达铜耗的50% 。显然,在电机损耗分析中,应该将铁耗考虑在内。目前,国内外的学者就三相异步电机的仿真模型做了很多研究［4-9］,这些模型能够说明电机内部的损耗情况,但是计算公式较为复杂,在要求快速性和精确性的系统级损耗仿真实践中较少用到。本文在上述文献的基础上,基于数学分析,在Matlab /Simulink环境中,建立了一种新的a-b轴系下考虑铁耗的三相异步电机模型。本文的第2 节将详细介绍此电机模型,并给出实际的仿真模型结构,同时将此模型空载工况下的计算机仿真结果与真实电机空载实验结果作对比,说明其正确性。
到目前为止,在众多的功率理论中,有代表性并且应用很广泛的两种理论分别是瞬时无功功率( Instantaneous Reactive Power,IRP ) 理论［10］和标准IEEE Std 1459-2010 中所提的功率分析理论［11］。日本学者Akagi等人在1984 年提出的IRP理论是一种基于时域变换的功率理论,此功率理论从一个新的角度解释了无功功率的物理意义,可以用于分析稳态和暂态下三相电气系统的功率特性。因此,该理论一经提出便在国际上引起了强烈的反响。然而,标准IEEE Std 1459-2010 中所提功率分析理论在总结前人的研究成果的基础上,将单相电路和三相电路在不同工况下的功率评估理论做了统一的规范。本文第3 节将详细介绍这两种理论。
IRP理论和标准IEEE Std 1459-2010 中所提功率理论各具特色,都有其适用的场合。但是在PWM驱动电机能效测试领域,鲜见其应用特性的比较。因此,在本文第4 节,将首先利用第2 节所建立的电机损耗模型搭建一个典型的PWM驱动电机系统算例,然后分别利用IRP理论和标准IEEE Std 1459-2010 中所提理论,对电机的损耗进行评估。最后,在第5 节结论中,比较两种理论下电机损耗的评估结果,总结出两种功率理论在PWM驱动电机能效测试领域中的应用特点。
2 考虑铁耗的电机损耗模型
目前,由于没有统一的标准提供评估真实电机的方法,且真实电机在非正弦电压电流作用下的内部变量获得具有一定的难度,文献[8]指出,附加损耗所占电机损耗的比例很低,因此本文忽略了附加损耗,建立了考虑损耗的电机损耗模型,并在正弦条件下,将其外特性和效率与实验室真实电机的空载特性和根据标准实测出的额定负载工况下效率作对比,旨在验证使用此模型的内部变量计算得到的电机损耗在一定程度上是真实可信的。
2. 1 等效数学模型
在对电机进行数学分析之前,先作如下假设: ①定、转子三相绕组完全对称; ②定、转子表面光滑无齿槽效应,且气隙磁动势在空间呈正弦分布; ③定转子绕组的匝数相等。考虑到异步电动机的铁心损耗,根据电机学［12］知识,在a-b静止坐标系下的异步电动机的数学模型表示如下。
定、转子电压方程为:
励磁电流方程为:
磁链方程为:
电磁转矩方程为:
电机运动方程为:
根据式( 1) ~ 式( 5) ,可以得到异步电动机的等效电路,如图1 所示。
在上述模型中,Rs、Rr和Rm分别表示定、转子以及铁损的等效电阻; Ls、Lr和Lm分别表示定、转子漏感及互感; Usa、Usb分别表示 α,β 轴定子电压; isα、isβ、irα、irβ分别表示 α、β 轴定、转子电流; imα、imβ分别表示 α、β 轴励磁电流; ψsα、ψsβ、ψrα、ψrβ分别表示 α、β 轴定、转子磁链; ψmα、ψmβ分别表示 α、β 轴主磁链; Te、TL分别表示电磁转矩和负载转矩; np、J分别表示电机极对数和电机转动惯量; ω、p分别表示电角速度和微分算子。
2. 2 Matlab仿真模型
本仿真模型选择定子电压Usα和Usβ、负载转矩TL作为输入变量,定子电流isα和isβ、电磁转矩Te和转子电角速度 ω 作为输出变量,其他作为中间变量。根据式( 1) ~ 式( 5) 在Matlab /Simulink环境中搭建考虑铁耗的三相异步电动机仿真模型,如图2所示。
2. 3 仿真与实测结果对比
为证明仿真模型的正确性,本文选用实验室用JZR211-6 型电机( 额定功率2. 2k W,额定电压380V,额定转矩23. 3N·m,50Hz,3 对极,其他参数如表1 所示) 进行仿真和实验验证,同时选取额定电压380V、频率50Hz电源驱动电机。在此条件下,按照电机空载试验的步骤,在不同电压下,对此电机做空载实验。同时利用此参数,在相同供电情况下,对仿真模型进行仿真实验。图3 为根据实验数据和仿真数据绘制的输入功率( Pin) 与定子电压( Us) 曲线图。从图中可以看出,在给定相同的定子电压时,本文所建立的考虑铁耗的电机仿真模型的输入功率与实际电机输入功率的平均误差小于5% 。在电机空载时,由于附加损耗可以忽略不计,其输入功率即为电机的实际损耗。因此,由图3 可知,使用此损耗模型计算得到的电机损耗与电机的真实损耗相差较小,可以将此损耗模型内部变量计算的损耗认为是电机真实损耗。
3 IRP理论和标准IEEE Std 1459-2010
3. 1 IRP理论
设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为va( t) 、vb( t) 、vc( t) 和ia( t) 、ib( t) 、ic( t) ,如图4 所示。
日本著名学者在文献[10,13]中,将瞬时实功功率p和虚功功率q定义如下,其中,电压和电流都通过Clark变换到了 α-β 坐标系下,并分解得到 α,β 轴上的有功电流iαp、iβp和无功电流iαq、iβq。
即有:
因此,可得 α、β 轴上的电流分量为:
此时,α、β 轴上瞬时有功功率和无功功率分别定义为:
式中
此理论中,将瞬时视在功率定义为:
式中,v = ( vα,vβ) ; i = ( iα,iβ) 。本文在原有IRP理论的基础上对瞬时视在功率的表达式进行更深入的推导可得:
式中,q为IRP理论中定义的瞬时虚功率。因此可知,IRP理论中的视在功率的本质是由实功率和虚功率合成的。实功率中包含有功功率和无功功率,虚功率中包含的是 α、β 轴间的交换功率。
3. 2 标准IEEE Std 1459-2010
在周期的非正弦三相电路中,IEEE Std 1459-2010 标准［10］对各种功率的计算进行了描述。首先,规定了需测量的电气量有线电压vab、vbc、vac和相电流ia、ib、ic,并据此定义了三相瞬时有功功率p:
然后在固定周期T( 一般取市电工频50Hz) 下,求得有功功率P:
定义视在功率为:
该标准将等效相电流Ie分解为等效基波电流Ie1和等效总谐波电流Ie H,在三相系统中,其表达式分别为:
式中,Ia、Ib和Ic为三相总电流有效值; Ia1、Ib1和Ic1为三相基波电流有效值; Ia H、Ib H和Ic H为三相总谐波电流有效值。
同理,等效电压分量Ve也可以分解基波电压Ve1和总谐波电压Ve H,其表达式分别为:
式中,Vab、Vbc和Vca为总线电压有效值; Vab1、Vbc1和Vca1为三相基波电压有效值; Vab H、Vbc H和Vca H为三相总谐波电压有效值。
因此,总视在功率可以分解为基波视在功率Se1和非基波视在功率Se N,其中
而非基波视在功率又可以细分为电压畸变功率De I,电流畸变功率De V和谐波视在功率Se H,其数学关系式为:
式中
4 算例分析
4. 1 算例搭建
为了验证第3 节所述两种理论在PWM驱动电机能效测试中的适用情况,本文在Matlab /Simulink环境中搭建了一个仿真算例,示意图如图5 所示。
图5 中,逆变器直流侧电压E为800V,采用SPWM调试方法,开关频率为1500Hz,调制比为0. 7757,驱动带有恒转矩负载为Tload( N·m) 的异步电动机,并测量电机的转速,其中,异步电动机的仿真模型采用第2 节中所提出的考虑铁耗的三相异步电动机损耗模型。
4. 2 结果与分析
根据4. 1 节仿真算例,分别在不同负载( 0 ~TN) 工况下测量稳态时三相异步电机的输入电压、输入电流、转子电流、励磁电流和转速,然后分别采用IRP理论和标准IEEE Std 1459-2010 中的功率理论评估此电机的能效,并将其与通过电机内部变量计算的实际电机损耗比较,得到的电机输出功率曲线和电机效率对比结果图,分别如图6 和图7 所示。
由图6 的仿真分析可知,在额定基波电压下,PWM驱动电机的输出功率随着负载转矩在0 ~ TN的变化而逐渐增大。图7 为在额定基波电压、不同负载转矩的工况下,将IRP理论和IEEE Std 1459-2010 标准对电机效率所作的评估,与由电机内部实际损耗计算得到的电机真实效率分别作对比。由第3 节中对IRP理论和标准IEEE Std 1459-2010 的介绍可知,两种理论对瞬时有功功率的定义是等价的,因此在电机进入稳态后,输入电机的有功功率在两种功率理论下的计算结果应该是完全一致的,这与图7 中实际算例的效率评估结果相符。对比图7 中的电机真实效率曲线和两种理论的效率评估曲线可知,在额定负载下,这两种功率理论可以很精确地评估电机的效率,但是在电机轻载时,这两种功率理论对电机吸收的有功功率的评估略偏小。
当PWM驱动电机所带恒转矩负载在0 ~ TN变化时,分别使用IRP理论和标准IEEE Std 1459-2010评估输入电机的视在功率,结果如图8 所示。由此算例分析可知,标准IEEE Std 1459-2010 的电机视在功率始终比IRP理论大。这主要是由于两种理论对视在功率的定义不同。IRP理论通过式( 12) 定义了视在功率,但是根据式( 13) 的分析可知,此视在功率中不包含IRP理论定义的无功功率,因此IRP理论中定义的视在功率不能真实地反映系统的容量。而标准IEEE Std 1459-2010 视在功率包括了非正弦非周期电路中所有种类的功率现象,比IRP理论能更全面地反映系统的容量。
5 结论
本文首先通过对电机的数学分析,在a-b静止坐标系下推导了考虑铁耗的电机数学模型,并在Matlab / Simulink环境中搭建了三相异步电动机的仿真模型,经过与实验室真实电机对比,验证了仿真模型的正确性和使用模型内部变量计算电机损耗的有效性。本文利用此考虑铁耗的电机仿真模型构建了一个PWM驱动电机能效测试仿真算例,分别利用IRP功率理论和IEEE Std 1459-2010 标准中提供的功率计算方法,对算例中的电机进行能效评估。通过将其与利用电机模型内部电压、电流和模型参数计算得到的电机能效相比,可以发现: ①两种功率理论对有功功率的评价是等效的,在额定负载下,两种功率理论对有功功率的评价与电机真实吸收的有功功率基本一致,但是在电机轻载时,这两种功率理论对电机吸收的有功功率的评价略偏小; ②经过理论和仿真分析可知,在变流器驱动电机视在功率的评估方面,相比于IRP理论定义的视在功率,IEEE Std1459-2010 标准对非正弦三相平衡系统中的视在功率的分析全面、精细,更适用于评估变流器驱动电机视在功率。但是标准IEEE Std 1459-2010 也有一大缺点,即没有对无功功率做出更加详细的描述,并且其物理意义不明确,这一问题亟待进一步解决。
摘要：由于变流器输出的非正弦电压电流波形具有多样性和复杂性,传统的功率理论在变流器驱动电机能效测试中已经失去实用性。本文将两种主流的非正弦条件下的功率理论,即瞬时无功功率理论(IRP)和标准IEEE Std 1459-2010,引入变流器驱动电机的能效测试中,对比分析其实用性。首先基于数学分析,提出了一种考虑铁耗的三相异步电机仿真模型,并以此构建了一个典型的两电平PWM变流器电机驱动系统。以此系统作为算例,通过利用IRP理论、标准IEEE Std 1459-2010中提供的方法以及电机仿真算例中的内部变量,对电机的有功功率、视在功率进行了对比。结果表明,在变流器驱动电机能效测试中,这两种理论对电机效率的评估效果相同,与通过仿真算例内部变量计算得到的效率相吻合;在视在功率评估上,采用标准IEEE Std 1459-2010更合适。
电机驱动器测试 篇4
随着现代化程度的不断提高, 传统的机床正被逐步进行简易数控化改造, 而作为基本动力来源之一的步进电机的控制关系到整个数控系统的控制精度, 同时也关乎改造后机床的加工精度。步进电机虽然有启动速度快、控制精度高、转速控制方便等优点, 但实际运动过程肯定要经历加速启动、恒速运行和减速停止过程。如果在加速启动阶段一次将速度升到给定速度, 由于其启动频率超过极限频率, 步进电机要发生失步现象;同样在减速停止阶段要突然停下来, 由于机械惯性的作用, 步进电机不能立即停止, 影响类执行机构的执行效率。所以, 对于步进电机的启动与停止阶段的控制非常重要。
本文以一般单片机为控制系统的处理器, 结合L297/298步进电机驱动芯片, 在软件算法上将步进工作分成3段, 在启动阶段和停止阶段采用变频控制, 从而达到对步进电机精确控制的目的。
1变频调速原理
变频控制原理如图1所示, 对步进电机的工作过程按照3个阶段 (即加速启动、恒速运行和减速停止) 采用不同的控制策略。在加速启动阶段通过逐步提高驱动脉冲的频率, 使步进电机以一个恒定的加速度a加速运动到所需要的速度;在恒速运行阶段保持最高驱动脉冲频率不变;在减速停止阶段, 驱动脉冲由最高频率逐步降低, 直到电机运行到所设定位置。在整个运动过程中, 通过控制总脉冲个数N来控制步进电机运动。
2硬件电路设计
本系统主要由脉冲产生与脉冲频率控制及步进电机驱动两大部分电路组成, 脉冲产生与脉冲频率控制主要采用单片机为核心的控制器, 步进电机驱动主要采用L297/298步进电机驱动芯片。
2.1 脉冲产生与脉冲频率控制电路设计
本系统主要通过控制脉冲的频率和脉冲的个数来实现对步进电机的控制, 故该电路是本系统的核心。其脉冲的产生方法有多种, 本系统采用8253产生脉冲, 如图2所示, 因此单片机只需将计算得到的每阶段所需的频率值写到8253的控制寄存器中即可, 大大节约了系统资源, 提高了步进电机的控制精度。
8253产生脉冲的频率、脉宽等参数主要由控制寄存器中N0、N1来决定, 其关系为:
N0=fCLK/f 。 (1)
N1=N0-DN0 。 (2)
其中:N0、N1分别为8253内计数器/定时器高8位和低8位的初始值;fCLK为8253芯片系统时钟脉冲频率, Hz;f为输出脉冲频率, Hz;D为输出脉冲占空比, 0
对于脉冲个数的控制, 本系统是通过外中断INT1来实现的, 8253输出脉冲送到外中断INT1通过软件编程即可实现对输出脉冲的计数。
2.2 步进电机驱动电路设计
L297是步进电机控制器, 适用于双极性两相步进电机或单极性四相步进电机的控制。用L297输出信号可控制L298双桥驱动集成电路, 用来驱动电压最高为46 V、总电流为4 A以下的步进电机。L297也可用来控制由达林顿管组成的分立电路, 以驱动更高电压、更大电流的步进电机。L297只需要时钟、方向和模式输入信号, 相位由内部产生, 从而减轻了单片机和程序设计的负担。L297采用固定斩波频率的PWM恒流斩波方式工作, 主要由译码器、两个固定斩波频率的PWM恒流斩波器以及输出控制逻辑组成。L298是用来驱动步进电机的集成电路, 采用双全桥接方式驱动, 由于是双极性驱动, 步进电机的定子励磁绕组线圈可以完全利用, 使步进电机达到最佳的驱动。步进电机驱动电路见图3。
3软件设计
本系统软件流程见图4, 主要包括各个变量的初始化、对运行过程进行分段、计算初始脉冲频率与各阶段脉冲频率、脉冲个数的计量与所处运行阶段的判断。其中8253寄存器值的初始值计算与更新主要根据式 (1) 和式 (2) 来计算。
本系统的软件编写环境采用Keil C编程环境, 采用单片机C语言来编写相关软件。
4结论
本文设计的控制系统已经过一段时间的运行, 结果表明, 其运行平稳、动作可靠, 基本能达到预期控制的效果与功能, 并且系统成本较小, 对于传统机床的简易数控化改造步进驱动部分的设计具有一定的借鉴意义。
摘要：针对步进电机在启动和停止过程中容易失步等问题, 采用变频调速结合单片机控制技术, 有效地解决了上述问题, 提高了系统的控制精度。重点介绍了变频调速的原理、硬件原理图及软件设计流程。实验表明效果良好。
关键词：变频调速,单片机,步进电机
参考文献
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电机驱动器测试 篇5
国内外的很多学术著作都提出了电机保护系统的设计方案,综合来看,这些保护措施都是基于保护电路和软件监控实现的[1,2,3,4]。保护电路一般主要由欠压保护、过流保护、短路保护等组成,在软件里设置电压、电流的阈值,直接对电压、电流进行检测,当检测到的数值大于阈值时,就进行断电,停止电机运行,以免对驱动器和电机造成损害[4]。驱动器的这种断电保护能够保证电机的安全运行,但是在工业系统往往采用多轴联动控制,当一个电机突然停止运行时,会波及整个系统,严重时会造成机器损坏甚至威胁人身安全[5,6]。
在工业控制系统中,驱动器的运行是通过和控制系统之间的网络传输数据完成的,驱动器应该具有安全的网络通信机制,对数据进行加密处理以防止网络中的错误数据影响电机的正常运行,同时对于工业控制网络中恶意的窃取信息、攻击等行为,驱动器也应该具有防范功能,因此,有必要研究面向工业控制系统的智能安全电机驱动器。
1 智能安全电机驱动器设计方案
在工业系统中,电机作为最重要的执行设备,具有广泛的应用。单独一套大型自动生产设备通常采用几个到几十个电机,所以电机的安全运行是工业系统稳定工作的基础。同时,在多轴系统中,当单个电机出现故障时会危及整个系统的运行,甚至造成事故。因此,设计能够保证电机安全运行,并且在遇到故障时进行正确处理的电机驱动器是本文的主要目的。现代工业加工及控制技术对伺服和驱动系统提出了更高的安全要求,主要表现在功率密度、控制精度、运行可靠性、网络及智能化等方面。现针对工业控制系统对电机驱动器安全、可靠性方面的苛刻要求,研制了集控制与驱动功能于一体的智能安全电机驱动器,并在多轴机器人手臂上实现了示范应用,验证了智能安全电机驱动器设计的有效性。
智能安全电机驱动器设计方案如图1所示,首先建立永磁同步电机数学模型,对永磁同步电机的矢量控制技术进行了系统的分析研究,通过对控制策略的原理及其使用时的控制性能进行分析,得出矢量控制技术具有可以实现电机交直轴之间的解耦,具有转矩控制的线性特性,能够获得比较平稳的输出转矩,达到电机稳定控制的基础。其次设计小型永磁同步电机伺服系统的软硬件,包括驱动与控制硬件电路、驱动器上位机和下位机软件。系统采用CAN分布式串行总线,在硬件设计上针对可靠性提出了一些策略,如驱动、控制、接口实现电气隔离,编码器断线检测,快速电气保护等。在控制器软件结构上应用了状态机方式,并且在控制策略上吸收先进现代控制理论进行参数优化调整。
智能安全电机驱动器完成的主要任务是当电机的接线、电压、电流和温度等状态超出规定的范围时,判断并显示出故障类型,通知中央控制系统,并进行适当的故障处理,同时驱动器在控制网络中应具有通信纠错,通信加密和防止攻击的功能。为了实现以上目的,提出的智能安全驱动器的结构框图如图2所示。
智能安全驱动器的系统包括硬件层、软件层、网络层等三个层次。硬件层的保护电路能够监测码盘、传感器、电压、电流和温度等参数并进行硬件保护。软件层在完成电机的驱动功能外需要对硬件采集到的各种状态进行实时监控,同时要对系统参数进行实时分析,当遇到故障时,能够及时通知中央控制系统,并根据不同的故障类型,采用智能的控制方法。网络层负责与中央控制系统进行通信,网络层需要具有通信校验,数据加密和防止数据窃取及恶意攻击等功能,以保护整个系统的安全运行。
2 系统设计
2.1 硬件设计
根据上一节提出的智能安全电机驱动器的功能要求,设计的硬件框图如图3所示。主控单元采用专门用于运动控制的16位DSP芯片,工作主频为40 MIPS,配备有三相电机专用的PWM发生单元,并集成了硬件死区时间发生器,增量式码盘接口,丰富灵活的时钟和中断源,非常适合处理数字模拟混合信号。电源电路采用两级串联式开关电源结构,经过变换后得到强电端5 V,12 V和弱电端5 V,12V,2.5 V,3.3 V为DSP和外设供电。驱动电路用于放大DSP的PWM驱动信号送给永磁同步电机,系统功率管采用MOSFET管,开关频率可达数十k Hz,导通电阻小于10 mΩ,耐压达到100 V。DSP控制单元,电源电路和驱动电路构成了基本的电机控制电路。同时,为了满足智能安全控制的要求,系统还设计了以下几个硬件保护电路模块。
2.1.1 急停电路
为了设备的可靠保护,防止因机械限位导致的永久性损坏以及误伤操作人员等,电机驱动应当设置有急停电路,在出现设备故障时,通过急停开关,主电路立即被切断,保证设备和人身安全。急停电路应当具备最高的响应,即不管软件受不受控制,急停操作都可以瞬间断开电机供电。急停电路设计采用关断PWM控制信号来关闭所有MOSFET,而不通过任何软件操作。由于考虑到关断输出后,关节控制的一些状态还需要恢复,所以急停信号并不关断DSP主电源和通信外设。当驱动器触发急停操作后,同时,还可以输出一路开关量给DSP的外部中断引脚,此时,程序即进入急停保护模式。
2.1.2 断线检测
由于驱动器运行过程中需要不停地读取码盘返回的位置值和向电机输出三相电流,当这些连线出现断线时,会造成飞车、烧毁电机的危险情况发生,因此驱动器需要具有断线检测功能。一般情况下位置传感器都是基于光电码盘。光电码盘输出含有位置信息的正交编码信号,该信号为两路脉冲信号的组合。两路信号正交相位相差90°,信号的频率能反映转速的高低,两路信号的相位超前滞后的关系反映了电机转动方向。由于码盘输出的是差分信号,因此可以通过异或逻辑来检测码盘是否断线。码盘断线检测电路如图4(a)所示,当码盘信号正常时,SN74LV86三路输出都是0,ENCODER_ER信号是低电平;当码盘出现断线时,A、B和C任一相的差分信号的异或值会变为0,SN74LV86输出变成1,ENCODER_ER信号变为高电平,则说明码盘信号出现了断线故障。
对于电机相线的断线保护可以通过在控制回路中接入半导体断相保护器实现[图4(b)],半导体断相保护器是一种5端半导体三相交流断相监测保护与控制的新型器件。它有5个端子:1、2、3为三相监视输入端,相序任意,吸收电流极少,三端总计不超过1.0 m A。4、5为开关端,特点是工作范围宽,无火花和抖动。在图4(b)中,若A、B、C三相正常,则半导体断相保护器输出端4、5闭合,交流接触器KM得电吸合,其常开触点KM闭合并自锁,电机得电运转。若A、B、C中任意一相断电,则4、5端截止关断,接触器KM失电,其常开触点和主触点KM断开,电机停止运转,起到保护作用。
2.1.3 电流检测电路
驱动器需要检测的电流信号是电机的三相相电流,根据KCL电流定律可知三相相电流Ia、Ib、Ic满足以下电流平衡关系:Ia+Ib+Ic=0。因此,只需测量任意二相电流即可得到全部的三相电流。通常使用的有两种检测电流的方法:第一种是小阻值无感采样电阻。电阻采用康铜丝或者贴片件,这是一种廉价的方案,但是要注意采样电阻阻值的选取,功率要足够大,同时电阻的电感要小,以排除感抗在电阻两端引起的电压降。第二种方法是采用霍尔电流传感器。系统采用霍尔电流传感器将强电端电流信号耦合至弱电端,采用高端电流变换的好处是可以减小地线不同位置电位差的影响,它的优点是精度高,可靠性高。
2.1.4 电压保护电路
通常电机控制器的电压保护电路是由分压电阻将电源电压分压后送入DSP控制器的模拟输入脚进行采样,但是这种方式存在两个弊端:首先电网强电与控制弱电直接共地,不免会引入电磁干扰,直接共地在多控制器组网使用时因为存在地线环路,会导致环路电流,干扰模拟电路。其次,由于DSP是周期性采集模拟电压,电源电压的采集实时性不佳,对于电源电压的瞬间抬高往往需要一段延时才能检测到。因此对于敏感期间的保护就存在一定局限性。系统提出硬件级过压欠压电路就解决了以上两个问题,该电路供电来自热地段5 V供电,与DSP控制器采用光电隔离。电源电压经过分压放大后的数值与输入电压进行比较,当输入电压高于这个数值时,比较器正翻转,输出高电平,电路正常工作;当电压低于这个数值时,比较器负翻转,输出低电平,电源芯片停止工作。采用两个比较器就可以同时对过压或者欠压情况进行检测报警。
2.1.5 温度检测电路
逆变模块在工作时会发出比较大的热量,当电机不正常运行时,该部分温度过高会损坏模块。系统在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了温度传感器(图5),如果基板温度超过设定值,DSP内部就会封锁门极驱动并且屏蔽输入信号,保护功率设备,同时输出故障信号。直到温度降到设定的值后才能恢复正常工作,过热保护可以在过载或散热条件不良的情况下保证驱动器的正常运行。
2.1.6 加密芯片
加密芯片主要用来防止未经授权访问或拷贝单片机的机内程序,从而达到保护知识产权的目的。本设计采用AT88SC1616加密芯片是国际著名芯片厂商Atmel公司生产的具有多用途的加密存储系列芯片[7]。芯片为用户访问应用存储区提供了标准、认证和加密三种方式,既方便用户根据实际情况灵活选择加密方式,又提高了系统的安全性。本设计的AT88SC1616与DSP通过I2C总线通信方式相连。使用过程中,首先对AT88SC1616写入配置区密码、分区访问方式、认证参数和安全限制等进行初始化。当DSP需要访问时,要同时发送命令数据和校验和,芯片内内部的加密机校验无误后才会允许操作,校验和不正确时芯片会返回错误信息。
2.2 软件设计
智能安全电机驱动器的软件结构如图6所示。电机驱动模块负责完成电机的运行控制。永磁同步电机驱动,需要知道电子转子位置。可根据转子位置及运动方向指令信号确定逆变桥通断电控制信号,即PWM驱动译码,控制逆变桥,实现电机正反转。电流环通过对电机电枢电流信息的读取,利用转子位置信息实现定子静止三相到转子dq两相的定子电流坐标变换。速度环通过M/T测速法,根据速度给定和速度反馈,经速度调节器输出电流转矩分量给定值,具有增强系统抗负载扰动的能力。位置环通过检测电机的实际位置,与位置指令相比较,进而调节速度指令,实现位置指令的跟随。
电机驱动模块软件详细结构如图7所示。按功能可分为如下几个部分:SVPWM解耦算法,装载参数和自检,静态参数配置,动态参数配置,电流环,速度环,位置环,外部找零点,PVT曲线,外部霍尔,CAN通信指令解析,各种保护功能等。SVPWM解耦算法是矢量控制所必需的,定子电流由三相静止到两相静止的Clarke变换,再由两相静止到两相旋转的Park变换,系统采样两相电流,第三相由电流的平衡关系式计算得到。电流调节器模块,包括计算直轴和交轴电流误差,直轴和交轴电流控制器获得直轴和交轴电压增量。电流环为双环结构,分别调节电流转矩分量和电流励磁分量跟踪给定值的变化,提高系统响应的快速性,并能及时抑制电流环内干扰。
故障保护模块能够跟据硬件保护电路测量的不同参数和故障采取相应的处理方法。断线保护模块负责在系统检测到码盘或者电机相线接线故障时进行保护。由于码盘断线会使驱动器读到的电机位置错误,造成飞车现象,而电机相线断线可能会烧毁电机,因此断线属于比较严重的故障,关断PWM控制信号。电流保护模块需要在维持电流在阈值范围内的条件下,维持电机的正常运转,软件内部设置最大峰值电流和最大持续电流两个参数,当测量的电流值大于最大持续电流值时,驱动器以最大持续电流输出,以维持系统的正常运行,而当电流长时间超过最大峰值电流时,说明系统遇到了堵转等问题,此时会停止输出驱动信号。电压保护模块和温度保护模块设计思路相同,当测量的电压或者温度值超过最大或最小阈值的时候,发送警告帧,并停止驱动电机,而当恢复正常时,则重新开始驱动电机。
网络通信模块负责保护驱动器在工业控制系统中的安全运行。通信功能完成驱动器与中央控制系统的通信,传输数据包括中央控制系统的控制指令,驱动器的运行参数,该部分同时负责将驱动器的错误报告发送给控制系统,并且返回控制系统的应答,驱动器会根据这个应答采用合适的故障处理。通信校验包括校验码和ID校验,采用CRC校验可以保证接收到的数据准确性,ID校验可以使驱动器只响应针对自身的控制指令,对于网络中传输的其他设备的控制指令则不予响应。驱动器还具有防攻击和防盗版功能。通过驱动器和控制系统的唯一ID匹配,对于其他设备发出的指令驱动器不予响应。同时由于驱动器采用了加密芯片,因此不能从驱动器中将控制软件读出,保证了使用者的安全。
通信加密采用基于伪随机序列的加密方法[8,9],在系统运行过程中,将网络中驱动器传递的数据进行加密,使网络中的数据不会被逻辑分析仪等调试设备破译。该方法在每次通信开始时,由驱动器产生伪随机种子应用于加密,使得同一个参数在每次通信中传递的密文不一样。每次通信开始时,控制器向驱动器发送命令,要求驱动器发送一个随机序列种子。当驱动器接收到命令之后,产生一个16位随机数作为种子,根据该种子对自己内部的伪随机序列算法进行初始化,并将该种子作为附加数据通过网络回复给控制器。反之,当控制器接收到驱动器回复的种子,则使用该种子对自己内部的伪随机序列算法进行初始化。在后续命令中,把需要进行传送的驱动器运行参数用该伪随机序列进行加密处理。驱动器接收到密文后,对接收到的数据进行解密,判断数据无误后按照所得运行参数执行相应的命令。在通信过程中,一旦发现解密后数据有误,就需要重新发送同步随机种子的命令,再次由驱动器产生新的随机种子并回复给控制器。通过以上几种通信保护手段相结合,就可以保证驱动器在工业系统中数据传输的可靠性,以及避免了窃取数据及恶意攻击等行为。
3 实验验证
智能安全电机驱动器的实物如图8所示。驱动器的尺寸是60 mm×50 mm×30 mm,体积小巧,方便嵌入式安装于各类工业系统。设计的驱动器能够同时驱动直流电机、直流无刷电机及永磁同步电机,最大额定功率200 W,工作效率高于85%。利用铝基印刷电路作为基板,将伺服驱动器、控制器进行功率集成,铝基板本身可以起到散热器作用,无需再设计散热器,达到便于安装、节省空间和提高系统安全可靠性的目的。
为了验证本设计的智能安全驱动器的工作情况,采用了北京理工大学智能机器人研究所的仿人机器人手臂进行了实验验证,系统连接方案如图9所示。手臂使用7个驱动器(安装图如图10所示),并通过CAN总线连接至工控机,同时CAN网络还连接了力传感器、摄像头等设备。
实验过程中,工控机按照通信协议给驱动器发送位置指令,并读取驱动器的返回状态,同时工控机还要实时读取力传感器和摄像头的数据。为了验证电机驱动器伺服控制的静态、动态相应,系统设置了各关节实际位置和给定位置的显示,给定关节一组位置,实测其误差,单位为度。结果表明各关节在静态均有较强的刚性,经过多次测量,稳态误差在0.001°以内。以肘关节为例,测试结果如图11所示,图中实线为关节位置反馈值,虚线为给定参考值,最大角速度为100°/s关节最大动态伺服误差为0.1°。实验中机械臂能平稳运动,因此关节控制器的动态响应较好的满足了系统安全稳定性的要求。
CAN通信正常并且收发数据实时可靠是系统安全工作的基础,由关节闭环试验,各个关节驱动器能够实时反馈关节准确的位置角,保证关节驱动器实时跟踪。测试中,每次工控机(CAN接口卡)向某个驱动器发送8字节的有效数据,驱动器接收后直接返回原数据,程序比较前后数据,若一致则认为通信正常,反之则记为1次误码,若在限定时间内无数据返回则记为1次断线。每次通信测试全部完成后记作一轮通信结束。CAN网络数据通信测试结果如表1所示。
通过测试可以看出,电机驱动器CAN网络系统在通信测试过程中,平均每轮通信用时3.332 ms,并且在10 000 000次以上的测试中无误码或断线现象发生,满足工业系统安全工作需求。
在实验过程中,每个驱动器能够有效地识别通信总线中与自身相匹配的指令,稳定精确的运行。在人为制造故障时,能够有效地检测码、相线断线等错误,对于电流,电压,温度异常也能够及时报告工控机,并采用合理的保护措施,保证了整个机械臂始终处于安全工作状态,满足了设计要求。
4 结论
设计了一种面向工业控制系统的智能安全驱动器,通过软硬件结合设计,实现了硬件层、软件层和网络层的结合,驱动器在完成电机的位置、速度和力矩控制的基础上能够对电机线、码盘线进行断线的保护;在对电压、电流和温度等参数实时监控的基础上,根据不同的故障类型,采用合理的处理方法;同时采用的通信校验和加密处理保证了驱动器在工业系统中数据传输的可靠性,防护了窃取数据及恶意攻击等行为,满足工业控制系统对于安全驱动器的需要。
摘要：为了保护电机的正常运行,驱动器需要相应的安全保护功能。目前的驱动器多数采用欠压、过流、短路等保护电路,当检测到故障时进行相应处理。然而工业控制系统中通常采用的都是多轴联动,在网络控制下,由于内部或外部原因导致单轴或多轴电机的误运行会波及整个系统。为提高工业控制系统的安全性,提出了一种智能安全的电机驱动器,通过硬件层、软件层和网络层三个层次的保护机制来保障电机在工业系统中的安全运行。实践应用表明,该设计方案切实可行,能够在异常情况下保障电机、驱动器和系统的安全运行。
关键词：系统安全,工业控制,驱动器,通信安全
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电机驱动器测试 篇6
DRV8432是TI公司推出的一款双H桥PWM电机驱动器, 工作电压可以达到50V, 具有四种工作模式, 并内置了包括欠压、过热、过载、短路保护在内的保护电路, 具有内阻小、效率高的特点[1], 十分适合低压小功率直流力矩电机的驱动。
1 设计过程
DRV8432的功能和组成可以用图1来描述。
DRV8432有四个PWM信号输入口, 一路PWM信号就可控制一个半桥, 且内置了门级控制与驱动电路;DRV8432的每个半桥可以独立控制, 母线电压也可以不一样, 这样就方便使用一片DRV8432来同时驱动不同电压需求的电机。DRV8432通过M1、M2、M3三个模式选择管脚来配置工作模式 (如表1所示) , 通过OT W和FAULT来表征故障 (如表2所示) , 通过OC_ADJ脚与“地”之间所接的电阻来设置过流阈值 (如表3所示) 。当复位信号有效时, D RV 8 4 3 2的驱动桥的输出为高阻状态。
在设计中, 我们将DRV8432配置成了并联H桥CBC (Cycle-by-Cycle) 限流工作模式, M3M2M1=010, 按照单极性方式进行使用。这样, 它的连续工作电流可以达到14A, 峰值工作电流可以达到24A[1]。
在并行工作模式下, DRV8432内的A和B半桥形成一个并联半桥, 由PWM_A控制, C和D半桥形成另一个并联半桥, 由PWM_B控制, PWM_C和PWM_D接地;在CBC (Cycle-byCycle) 限流方式下, 当出现电流过流时, DRV8432会自动强行关断H桥上桥臂而打开下桥臂, 使电机线圈和H桥两个下桥臂形成通路来消耗能量, 待电流进入正常范围后再依照给定的PWM信号进行工作。
D R V 8 4 3 2的外围设计如图2所示, DRV8432仅需一个12V电源作为控制电源输入, OTW、FAULT、P W M_A、P W M_B、R E S ET_A B、RESET_CD、POW_CTRL均经光电耦合器与控制器相连, 由受控于控制器的继电器来实现DRV8432的PVDD端的上电与断电。
2 实验验证与改进
(1) 功率驱动输出口滤波电容选取问题
如果按照图2选取滤波电容 (C8、C 9、C 1 2、C 1 3) , 经实验, 在工作状态下用万用表测量OUT_AB端和O U T_C D端, 几乎没有输出, 无法驱动电机, 且C8、C 1 2、C 1 9、DRV8432均发热十分严重。
参考文献[2]给出的参考设计中, 为DRV8432的功率驱动输出口配置了电感和电容组成的低通滤波器, 意在增强单个电感或者电容的滤波效果[3]。但按照图2的取值将这个滤波电路 (如图3所示) 单独拿出来进行仿真, 输入取为20k Hz, 占空比为50%的脉冲电压源, 其结果如图4所示, 滤波器输出是震荡的, 与不能正常输出这一实际情况相符。
去掉C8和C12后, 用万用表量OUT_AB和OUT_CD, 显示DRV8432可以输出与电压给定命令一致的电压, 能够正常驱动电机, 但是C19、DRV8432仍发热明显, 用示波器测量OUT_AB/OUT_CD端对地的波形, 如图5所示, 从图中可以看出, 波形震荡, 失真严重。
在去掉C8和C12的情况下长时间工作时, DRV8432还会偶发无输出的现象, 此时进行测试, 发现DRV8432的输入波形正常、电源正常、FAULT和OTW没有表征出错, 但用万用表测量OUT_AB端和OUT_CD端发现没有输出, 用万用表分别测量OUT_AB端和OUT_CD端对地电压时, 发现两端对地电压相等, 应该是DRV8432内部产生了保护。关于这个现象, 文献[4]认为DRV8432在使用中要避免0%或100%占空比输入, 两个PWM端都必须是脉冲输入时CBC模式才可以持续, 否则H桥可能会出现一种假死状态, 因此出现没有输出的现象。但我们没有对此进行验证和确认, 而是继续去掉C9和C13, 这时, 用示波器测量出OUT_AB/OUT_CD端对地波形如图6所示, OUT_AB/OUT_CD端输出波形除有过冲外, 波形是清晰的。此时, 即使在长时间工作的情况下, C19和DRV8432均没有明显的温升。
从实验的结果看, 依照参考文献[2]来配置滤波电容, DRV84332不能正常工作, 为此, 我们在最终的设计中将DRV8432的功率输出口上的滤波电容全部去除了。
(2) 开机浪涌抑制问题
在最初的设计中, 图2中的R3, D 3是没有的, 但这时的启动电流很大, 如图7所示, 电流峰值可接近40A。这种开机浪涌, 无论是对供电电源还是对驱动器上的元器件来说都是不利的, 必须采取措施来加以抑制。
抑制开机浪涌的常用方法有:在滤波电容处串入NTC热敏电阻、使用固定电阻器串入输入端来抑制启动电流、在固定电阻上并联电磁继电器或者三段双向可控硅等开关器件, 当电源进入正常工作状态后再将此开关接通[5]。
依照电路的实际情况, 我们选用了第三种方法, 在继电器输出触点上并联一个电阻 (R3) , 为实现防反接功能, 再增加一个与电阻串联的二极管 (D3) , 如图2所示。在使用时, 利用控制器控制继电器触点延时接通, 即先经电阻R3限流, 对电源滤波电容C19充电一定时间后再接通触点。延迟时间按照理想电容和电流的定义进行估计 (假定为恒流充电) :由Q=C×U=I×t, 可得t= (C×U) ÷I= (C×U) ÷ (U÷R) , 则t= (1 0 0 0×1 0-6F×2 4 V) ÷ (2 4 V÷1 2 0 0Ω) =1.2秒, 取延时为2秒, 测得的启动电流曲线如图8所示, 启动电流峰值至少降低了90%。
3 结语
这款基于DRV8432的直流力矩电机驱动器成功地应用于小型转台的驱动, 经使用验证, DRV8432十分适合小功率直流力矩电机驱动。由于其体积很小, 外围设计简单, 因此, DRV8432也不失为研制一体化电机的可选方案。
摘要：针对直流力矩电机驱动器的设计, 详细介绍了基于DRV8432的直流力矩电机驱动器设计过程, 提出了对开发过程中所出现问题的改进办法。实验验证表明, DRV8432十分适合小功率直流力矩电机驱动。
关键词：DRV8432,直流力矩电机,驱动器,开机浪涌
参考文献
[1]DRV8432/DRV8412:Dual Bridge PWM Motor Driver[R/OL].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv8432.pdf
[2]DRV8432 EVM Motor Driver Evaluation Board User’s Guide[R/OL].http://www.ti.com/lit/ug/slou291a/slou291a.pdf
[3]郑军奇.EMC电磁兼容设计与测试案例分析.2版.[M]北京:电子工业出版社, 2009:163-166
[4]DRV8432烧坏原因[R/OL].www.deyisupport.com/question_answer/analog/f/60/t/19887.aspx
电机驱动器测试 篇7
传统步进电机的驱动器大多数为恒压驱动,只需要对足够大电流进行开关处理,这种驱动电路具有简单、价格低廉、控制简单等优点,但是该驱动系统中的功率管具有发热量大,电机震动大,电机转速慢等缺点。而步进电机的性能和运行品质在很大程度上取决于其驱动电路的结构与性能,为了解决上述问题,本系统设计了高低压步进电机驱动器,由高压电源与低压电源相结合驱动步进电机,从而大大降低了功耗,减小了电机在运行中的震动。为了保证步进电机系统运行的可靠性和安全性,本系统采用了过压保护和过流保护,大大增强了电机的可靠性[1]。
1 系统总体方案及工作原理
高低压步进电机驱动器系统由功率管控制电路、高低压电源、单片机系统等几个部分组成,如图1 所示。
本系统采用高压电源与低压电源相结合驱动步进电机,由单片机控制驱动器来控制步进电机的转动[2],系统实时采集步进电机电流大小,进行负反馈,从而实现系统高低压自动切换,保证了系统的可靠性。
2 控制系统及其硬件设计
控制系统主要由单片机电源模块、高压电源模块、单片机系统、高低压驱动模块、码盘模块和A/D采样模块等组成,如图2 所示。
2. 1 电源模块
一个稳定可靠地系统离不开一个稳定的电源模块。由于步进电机所处的环境具有噪声高、干扰强等特点,为了保证电源的可靠性,降低单片机电源所受干扰,本系统设计了一款性能好、可靠性高的稳压电源,并且充分考虑各种使用环境,如图3 所示。其工作原理如下,220V经过电磁干扰滤波器进行滤波处理后进行整流输出到变压器,为了增加变压器的可靠性,由C2、R5、R6、D2 和初级线圈组成的回路部分形成尖峰电压吸收回路,使得变压器储存在线圈的能量得以释放,避免开关管Q1 在截止瞬间被初级线圈产生的过高反向电势所损坏。为了输出一个稳定的12V电源,在输出端中实时采集输出电压进行负反馈。考虑到初级线圈具有较高的噪声,而不影响输出电压,系统采用光耦隔离进行反馈。当反馈电压过高时,光耦导通,PT2201 反馈端输出低电压,PT2201 关闭输出。从而保证了系统电源的稳定性,实现了过压保护等功能。由于系统所需要电源电压为5V电源。变压器副边线圈产生稳定的12V电压时,再由LM2576 输出稳定的5V电压提供给单片机[3]。
2. 2 高压电源模块
在步进电机运行过程中,高压电源的稳定性对步进电机运行时震动的大小起到至关重要的作用,为了增加电机使用寿命和降低电机的震动,本系统设计一款高压稳压电源,如图4 所示。
其工作原理如下,三相电经过整流滤波电路后,由IRF840 组成的半桥电路控制电压的输出[4]。稳压电源输出电压的大小通过调宽电压大小来决定输出占空比,TL494 调宽电压与输出占空关系如图5 所示。通过调节TL494 输出占空比来决定功率管的导通和关断,TL494 是一种固定频率脉宽调制电路,他内部集成脉宽调制电路,同时片外只需要2 个电阻电容既可以产生线性锯齿波,TL494 片内同时还集成5V的参考电压,从而大大减少了片外的外围器件,由于TL494 内置了功率晶体管,所以TL494 可以提供500m A的驱动能力,因此TL494 广泛应用于半桥式开关电源。为了保证电源的稳定性,本系统由T4 变压器采集输出电压,在经过整流滤波后反馈到TL494。当反馈电压过高时,TL494 关断功率管,从而降低了电路的输出电压。
2. 3 高低压驱动模块
由于系统运行于高速状态,为了保证系统的实时响应能力,文中系统设计了一款高速响应驱动电路[5],其单项驱动电路如图6 所示。当系统启动时,由单片机引脚输出高电平启动步进电机,然而步进电机运行时具有较强的干扰性,为了保证单片机系统运行的可靠性,系统采用光电隔离驱动步进电机,当单片机引脚输出高电平时,光耦4N25 导通,使得GNB输出高电平,从而触IFRP450 功率管;由于单片机控制端输出高电平,使得三极管V206B处于导通状态,LM33 9 的副端电压降低,因此LM339 输出高电平,在经过三极管和光耦的转换,功率管IRF9640 导通,从而高压电源驱动步进电机。由于步进电机处于高速运行状态,如果仅是使用单片机采集电机导通电流,不能实时电流负反馈,因此本系统采用硬件保护机制,通过采集R22 电阻上的电压来采集电机中的电流,当电机电流过大时,三级管V207B导通使得光耦U10 导通,LM339 正端输入电压降低,LM339 输出低电平,关断IRF9640 功率管,从而使得电机处于低压状态运行。
3 软件总体框架设计
一个好软件的总体框架对于可靠的系统是至关重要的[6],在编写好软件框架后,依次对各模块进行编程,在各模块实现相应的功能后,再将他们整合到程序中,从而大大降低软件编写难易程度,同时为后期维护难易程度创造了必要的条件,这种编程设计的好处就在于易调试和易维护,软件框架如图7所示。
系统采用ATMEL公司的ATmega64 作为CPU,软件主要实现的功能包括: 按钮按键采集,拨动按键采集,数码管驱动设计和电机的控制。掉电时,将一些重要的数据储存到单片机自带的EEPROM。
4 系统测试
根据上述内容,本文设计了高压稳压电源和步进电机驱动器系统,如图8 - 9 所示。为了便于测试高压电源,TL494 反馈端与调宽输入端连到不同的滑动变阻器上,通过调节反馈电压和调宽电压的大小,来模拟电源的运行状态,当电源电流大于7A时,TL494 截止,实验结果表明,高压稳压电源满足步进电机工作电压和电流要求。同理,在步进电机驱动系统测试中,测试了系统相应的参数,实验结果表明该系统满足设计要求。
5 结束语
本文提到的基于AVR的高低压步进电机驱动器系统,分别从系统的硬件设计和软件设计阐述了其设计思路,系统最大优点就是解决了传统步进电机驱动器必须对足够大的电流功率管进行开关处理,电机运转速度比较低,电机震动大,且容易导致高频干扰。文中采用高低压驱动步进电机,降低了功率管的功耗,从而大大增加了系统使用寿命,为步进电机提供了一种高效可靠的方法。该步进电机驱动器并非完美,但是系统的安全性能高,电路设计简单,具有较高的推广应用价值。
参考文献
[1]孙建忠,白凤仙.特种电机及其控制[M].北京:中国水利水电出版社,2005.
[2]王玉琳.三相反应式步进电机的一种实用驱动器[J].电力电子技术,2005,39(3):71-72.
[3]王兆安,刘进军.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2010.
[4]谢春林.电压驱动型脉宽调制器TL494[J].国外电子原件,2001(2):66-67.
[5]康晶.采用反馈控制的步进电机高低压驱动电路[J].电力电子技术,2003,37(1):61-62,65.
电机驱动器测试 篇8
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.