小型化智能控制驱动器研发

宋正起 王燕 昆明人月科技有限公司

引言

进入21世纪后，智能驱动器进入飞速发展阶段，在军事、工业和服务等诸多领域都得到了广泛的应用。就目前而言大多数智能控制驱动器的体积较大，在安装及携带时有诸多不方便因素，特别是在运行环境复杂、现场控制艰难的条件下，导致在部分智能控制效果不佳，不能达到预期的目的和效果，成为行业中较难客服的问题之一。

基于上述众多因素，本次研究在前人基础上，创新实施微型化智能控制驱动器，克服了以往诸多问题，同时突出本项目中控制和驱动一体化、智能化的特点，控制器中将融入先进非线性控制策略，以提升控制系统的动态特性、稳态精度和各种鲁棒性能。

1 驱动及控制技术研究

控制器与驱动器之间有紧密关系，两者之间形成紧密默契的关系，才能有效提高工作效率，此次所使用技术主要如下所述。

1.1 驱动技术研究

此次研究所用的驱动器在实现高功率密度比的同时，将兼容各种形式的执行机构，包括有刷直流电机、无刷直流电机BLDC、永磁同步电机PMSM等；针对各种类型的伺服传感器，如霍尔传感器、增量式编码器、绝对式编码器等提供匹配接口。

驱动器为各种应用目的和环境提供不同的电机控制算法，如SPWM控制、SVPWM控制、6步换向控制、磁场定向控制FOC等。本项目同时开发与小型化智能控制驱动器相关的WINDOWS集成调试界面，为伺服控制和运动控制工程师提供符合人机工程的高效调试体验，降低工程师的调试工作强度，并免除对复杂控制理论的掌握要求，确保大多数工程师可以高效率开发出高性能的控制系统。此次研究驱动方式主要采用单电压功率、双电压功率、高低压功率、斩波恒流及细分驱动多种方式结合，以达到更好的效果。

1.2 控制器技术研究

近年来我国在微电子技术、计算机技术、控制理论研究、数字信号处理技术等方面逐渐与国际接轨，这为小型化智能控制驱动器的研发提供了强有力的支撑。此次研究涉及控制器硬件和电机驱动电路硬件研发、电机控制算法工程应用研究、先进控制算法研究、应用软件界面开发等。此次研究所用到的控制器在前人研究基础上，进行了相关创新和总结，主要采用数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA、单片机MCU、PC104工控机等相关硬件及其外围电路开发；此外在电机驱动电路硬件研发方面也进行了创新。

在电机控制算法工程应用中对诸如SPWM控制方式、SVPWM控制方式、6步换向控制方式、磁场定向控制FOC方式进行了相关样机验证；先进控制算法研究方面与高校进行广泛交流，同时跟踪科研机构的先进控制算法工程应用情况，在此次研究中融入和测试了先进非线性控制算法、扰动补偿算法、电机转动动态规划高精度定位控制算法、时间滞后系统补偿算法。

2 小型智能驱动器控制方案

小型智能驱动器控制方案的主要模式如图1所示，主要有硬件和软件两部分，主要的方案内容如下所述。

图1 微型智能控制驱动方案

此次研究所用到的硬件设施及主要技术指标如下表1所示。

表1 所需硬件及技术指标

在以上驱动器中，MCU主要完成输入信号处理、零脉冲检测、与驱动芯片通讯等一系列功能，电位器调节步进电机工作时电流。以及完成与外部的通讯、脉冲平滑给定、传感器事件控制、闭环控制、与驱动芯片通讯等功能，EEPROM执行数据存储功能。

此次研究在软件方面的研究主要在结合Windows操作，中断为定时中断，周期为60μm。将软件集合在Windows控制系统监视和参数调整界面，达到方便控制的目的。

3 结论

此次研究是基于智能控制的微型驱动器，驱动器内部自带步进电机驱动芯片，通过单片机对外部的信号进行处理，同时还可以做升降速曲线及错误检测等一系列的功能，大大提高了微型驱动器的工作性能。由于硬件较简单，所以占据很小的体积，达到了节约空间的目的。