直流電機(jī)位置伺服系統(tǒng)驅(qū)動器設(shè)計

  摘 要： 直流電機(jī)位置伺服系統(tǒng)是天然氣發(fā)動機(jī)電子調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。本文利用Freescale公司的MC9S12型單片機(jī)，結(jié)合電機(jī)位置反饋和電樞電流檢測，研制出了數(shù)字式PWM型伺服驅(qū)動器。該驅(qū)動器充分利用單片機(jī)的內(nèi)嵌資源，實現(xiàn)了位置、速度和電流三閉環(huán)控制策略。
    關(guān)鍵詞： 天然氣發(fā)動機(jī)  直流電機(jī)  位置伺服系統(tǒng)  三閉環(huán)控制

     隨著我國能源緊缺問題的日益嚴(yán)峻，在生產(chǎn)實踐中不斷提高能源利用率是大勢所趨。然而我國西部的大部分油田仍然存在伴生天然氣大量放空的現(xiàn)象。為此可以將伴生天然氣經(jīng)簡單分離處理后直接驅(qū)動大功率天然氣發(fā)動機(jī)工作，使其帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電并送入電網(wǎng)，從而提高能源的綜合利用率。因此這種天然氣發(fā)動機(jī)及發(fā)電機(jī)組將具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
1 系統(tǒng)控制方案
    天然氣發(fā)動機(jī)及發(fā)電機(jī)組電子調(diào)速系統(tǒng)的控制原理如圖1所示。

     上位機(jī)發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)(EMS)通過接收操作人員的指令，并根據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋信號進(jìn)行轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。上位機(jī)的輸出信號為有限轉(zhuǎn)角直流伺服電機(jī)的目標(biāo)位置信號。
    圖1中，虛線框內(nèi)部分即為直流電機(jī)位置伺服系統(tǒng)，包括驅(qū)動器和執(zhí)行器兩部分。執(zhí)行器即直流伺服電機(jī)，該伺服電機(jī)同天然氣發(fā)動機(jī)的蝶型進(jìn)氣閥門相連接（二者完全同步），隨著電機(jī)位置的變化，閥門開度改變，天然氣進(jìn)氣量發(fā)生變化，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本設(shè)計所選用電機(jī)的主要參數(shù)為：輸出轉(zhuǎn)角0°～75°，最大輸出轉(zhuǎn)矩13.6Nm，最大電流20A。
    伺服系統(tǒng)驅(qū)動器的功能是正確接收處理電機(jī)目標(biāo)位置信號，并根據(jù)電機(jī)的反饋信號驅(qū)動電機(jī)精確跟蹤目標(biāo)位置。上下位機(jī)之間通過4mA～20mA電流環(huán)傳遞目標(biāo)位置，具有低阻抗傳輸線對電氣噪聲不敏感的特點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計
    硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。驅(qū)動器數(shù)字核心采用Freescale公司的MC9S12DG128型單片機(jī)，單片機(jī)需處理5個模擬量輸入和2個數(shù)字量輸出。按照模塊化的思想[1]可以將硬件結(jié)構(gòu)劃分為：電源模塊、數(shù)字核心模塊、通訊接口模塊、信號處理模塊以及電機(jī)驅(qū)動模塊等。 

2.1 信號處理模塊
    (1)電機(jī)位置信號和速度信號處理
    電機(jī)通過其內(nèi)置的磁敏轉(zhuǎn)角傳感器反饋位置信號。位置反饋信號是實現(xiàn)電機(jī)伺服控制的基礎(chǔ)，該信號A/D轉(zhuǎn)換精度越高，轉(zhuǎn)換結(jié)果擾動越小，對電機(jī)的精確控制越有利。因此專門為電機(jī)位置傳感器設(shè)計了精密5V電源，在使用單片機(jī)10bit A/D轉(zhuǎn)換器的情況下取得了良好的效果。將位置信號通過微分電路處理后即得到電機(jī)速度信號。
    (2)電機(jī)電流信號處理
    電路的核心是高壓線性電流傳感器IR2175，如圖3(a)。它可直接將電流采樣電阻兩端的電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)占空比的PWM信號輸出，該信號既可以被單片機(jī)直接處理，也可以通過簡單的濾波處理后變成電壓，由單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器處理，從而簡化了電機(jī)線電流的檢測電路。
2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊
    電機(jī)驅(qū)動采用雙極式H型可逆PWM變換器[2]，兩組完全反相的PWM信號由硬件方法得到，即單片機(jī)只輸出一路PWM信號，將其通過非門電路后得到與自身反相的另一組信號。高低邊驅(qū)動器選擇IR2110。
    雙極式控制方式的缺點(diǎn)之一是容易發(fā)生上下兩管直通的現(xiàn)象，因此在一管關(guān)斷和另一管導(dǎo)通之間，利用與門芯片設(shè)計了延時電路，如圖3(b)所示，匹配的延時時間為2μs。

3 軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件部分采用分層設(shè)計的思想，包括底層驅(qū)動層、中斷配置層、電機(jī)驅(qū)動層和支持層。
    (1)底層驅(qū)動層
    該層位于整個軟件結(jié)構(gòu)的最底層，包括如A/D轉(zhuǎn)換模塊在內(nèi)的若干模塊，每個模塊都提供了相關(guān)的功能實現(xiàn)，并且以頭文件的形式定義了函數(shù)接口，這樣電機(jī)驅(qū)動層和支持層就可以直接調(diào)用相關(guān)功能函數(shù)。因為需要對單片機(jī)內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，本層程序完全采用手寫代碼。
    (2)中斷配置層
    對中斷的配置搭建起了整個軟件系統(tǒng)的框架，軟件系統(tǒng)通過一套有條不紊工作的中斷體系將所需的各種功能包括進(jìn)來。本設(shè)計采用位置伺服系統(tǒng)最經(jīng)典的位置、速度和電流三閉環(huán)控制策略[3]，如圖4所示。其中位置環(huán)和速度環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，定時中斷周期分別為5ms和1ms。試驗表明，內(nèi)環(huán)的控制周期從2ms縮短至1ms對控制效果有一定改善，但小于1ms的控制周期改善效果已不明顯，還給單片機(jī)的計算速度提出了更高的要求。

 
    此外還要強(qiáng)調(diào)MC9S S12單片機(jī)中斷嵌套的實現(xiàn)，這里涉及的中斷都是可屏蔽中斷。如果不采用軟件方面的特殊處理，則會有如下情況出現(xiàn)：當(dāng)CCR(Condition Code Register)寄存器的I-bit在進(jìn)行中斷處理中被自動置高時，任何其他中斷都不能打斷當(dāng)前的中斷服務(wù)程序，即使當(dāng)前的中斷優(yōu)先級較低，即單片機(jī)默認(rèn)的中斷配置不支持中斷嵌套；相反，如果強(qiáng)制將I-bit置低，則允許低優(yōu)先級的中斷服務(wù)程序打斷高優(yōu)先級的中斷[4]。理想的中斷關(guān)系應(yīng)為高優(yōu)先級的中斷可以打斷低優(yōu)先級的中斷，反之則不然。解決該問題的思路是，首先將CCR的I-bit置低，之后在任何中斷服務(wù)程序執(zhí)行前先關(guān)閉低于其優(yōu)先級的所有中斷，這樣便只有高優(yōu)先級的中斷才能給予處理，最后在此次中斷服務(wù)程序結(jié)束之前，再將中斷的狀態(tài)恢復(fù)即可。

    (3)電機(jī)驅(qū)動層
    三閉環(huán)控制的每一環(huán)均采用了數(shù)字增量式PID控制算法，電機(jī)驅(qū)動層主要完成這部分的PID計算任務(wù)及根據(jù)前面的計算結(jié)果輸出相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動PWM信號。為提高控制精度，充分利用該單片機(jī)的硬件資源，通過設(shè)置PWMCTL寄存器，將其中2個8-bit PWM輸出通道合并為1個16-bit PWM輸出通道[5]。
    (4)支持層
    這部分軟件主要基于串口通訊為用戶提供一個簡單易用的交互接口，包括驅(qū)動器的控制參數(shù)設(shè)置都可以在這一層面上進(jìn)行。
4 試驗結(jié)果
    圖5為通過FreeMASTER軟件監(jiān)控得到的電機(jī)空載階躍響應(yīng)曲線，其中粗實線為電機(jī)目標(biāo)位置，淺色虛線為實際位置?？梢钥吹诫姍C(jī)在階躍響應(yīng)過程中超調(diào)量小，反應(yīng)迅速靈敏。

 
    此外還進(jìn)行了電機(jī)在慣性負(fù)載和彈性負(fù)載下的試驗，同樣取得了良好的效果：電機(jī)在固定位置時具有相當(dāng)高的硬度及穩(wěn)定性，也能夠在目標(biāo)位置信號的連續(xù)變化過程中準(zhǔn)確地進(jìn)行跟隨，達(dá)到了設(shè)計要求。
    本文討論了應(yīng)用在天然氣發(fā)動機(jī)電子調(diào)速系統(tǒng)中的直流電機(jī)位置伺服系統(tǒng)驅(qū)動器軟硬件設(shè)計。經(jīng)驗證，自主研發(fā)的這套系統(tǒng)具有較強(qiáng)的控制精度和穩(wěn)定性，能夠成功地應(yīng)用于天然氣發(fā)動機(jī)及發(fā)電機(jī)組的實際生產(chǎn)，在當(dāng)前外國產(chǎn)品壟斷的市場中具有較強(qiáng)的競爭力。