直流无刷电机伺服驱动器设计

2018-06-11陈禹伶何臻祥

电子设计工程 2018年11期

陈禹伶，何臻祥

（1.绵阳市维博电子有限责任公司四川绵阳621000；2.西南财经大学天府学院，四川绵阳621000）

传统的工业缝纫机主轴驱动多采用离合器电机，缝制动作主要通过机械和人工配合完成，存在工作效率低，调速性能差，位置控制难等问题。另一方面，国外的工业缝纫机由于其工作效率高、加工精度高、作业效率高赢得了相当大的市场，但是其价格高昂，很多中小型企业难以承担[1]。与此同时，人们对服饰的质量和样式的追求越来越高，而传统的伺服系统运动精度低，缝纫机加工出来服饰质量较差，不能满足这样的要求。因此本文对缝纫机伺服系统进行了研究，设计出一种基于DSP的直流无刷电机伺服控制系统，精确的速度和位置控制，显著提高缝纫机的工作效率和精度[2]。

1　硬件设计

1.1　硬件系统设计

文中采用TI公司的DSP（TMS320LF2407）作为主处理芯片，搭建了直流无刷电机伺服控制系统。硬件电路主要包括整流电路、驱动电路、逆变电路和控制电路。硬件系统框图如图1所示。

图1　硬件系统框图

1.2　电源电路设计

如图2所示为系统电源设计电路，本系统采用多电源供电，24 V主要用于电机供电，12 V用于功率模块的供电，QD5V用电流检测回路中的运算放大器，而外接5 V、3.3 V用于DSP处理器供电。

图2　电源电路

1.3　DSP最小系统设计

DSP的最小系统包括复位电路、滤波电路、晶振电路。为了满足开发的需求，对最小系统加入了锁相环、JTAG接口、片外外存储器以及指示灯。

1.4　功率驱动模块

为了控制简单可靠，本文采用智能功率模块（IPM），选择IR2136搭建了如图3所示的功率驱动电路。

1.5　逆变器

随着电机转速的提高，换相的速度也要求越来越快。因此本设计中采用高速大功率IGBT设计H桥电路，如图4所示，和IR2136配合工作，形成无刷电机驱动电路。

1.6　电流检测

图3　IR2136智能功率模块

图4　H桥驱动电路

目前对电流采样较为常用的方法有电阻直接取样法、利用霍尔元件（LEM）取样法和利用电流互感器取样法。其中电阻取样法比较简单，故本设计采用这种方式进行电流检测。测试电阻选用康铜，其优点有具有较低的电阻温度系数，较宽的使用温度范围（480℃以下），加工性能良好。其检测电路如图5所示。

1.7　速度检测

2　系统控制模型

2.1　无刷电机换相原理

直流无刷电动机相当于3个换向片的普通直流电动机，不同的是它的换向是由开关管（mos管，IGBT等）来完成的。因此，电枢绕组是静止不动的，而磁极旋转[3-4]。直流无刷电动机的工作原理如图6所示。

图5　电流检测电路

当依次使开关管按61→12→23→34…的顺序导通，那么转子也会以一定的顺序依次转过60度。下面主要从电机内部磁场变化来分析一下其旋转的原理。当开关管61导通时，此时的电流流向为：电源正极→开关管1→A相绕组→B相绕组→开关管6→电源负极。而这个时候定子磁势Fa与C相绕组的轴线垂直，如图6（a）所示。转子磁极的磁势设为Fr，定子磁场和转子磁场方向的夹角为120度，故此时转子顺时针旋转。当转子旋转到Fr1的位置时，Fa与Fr1的夹角为90度，此时电机的电磁转矩到达最大。转子继续转动，当转到Fr2的位置时，Fa与Fr2的夹角为60度，而这个时候就需要控制电路使开关管2导通、开关管6截止。电流的流向变为：电源正极→开关管1→A相→C相→开关管2→电源负极。此时Fa转过60度，如6（b）所示，而Fa与Fr之间的夹角又变成120度。如此重复，始终保持Fa与Fr之间的夹角在60°～120°的范围内。在无刷电机中，由于定子磁势与转子磁势之间的夹角是周期性变化的（60°～120°），所以其电磁转矩也是脉动的。