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基于DSP的无框力矩电机驱动器硬件电路设计

2020-04-14 23:46电机控制 人已围观

简介在当下的中国机器人市场,有近 70%的份额被瑞典 ABB、日本 FUNAC、德国 KUK、日本安川 4 家企业占据,特别是在负重机器人领域,而轻量型工业机器人却是一个充满机会的新的发展领域。...

  在当下的中国机器人市场,有近 70%的份额被瑞典 ABB、日本 FUNAC、德国 KUK、日本安川 4 家企业占据,特别是在负重机器人领域,而轻量型工业机器人却是一个充满机会的新的发展领域。采用无框电机组成的机器人关节模组可以极大的减小机器人本体的体积,并能适配需求体积小、重量轻、结构紧凑等高效率灵活的工作场景。从结构上看,无框力矩电机由密封的定子外环和永磁体转子组成,适配工作环境时由客户提供固定定子外环的外壳,转子则直接与负载转轴嵌合。目前无框电机的代表性产品包括美国科尔摩根的 TBM 无框力矩电机、Parker 公司的 K 系列无框伺服电机、Aerotech 公司的S-series 高性能无框力矩电机等。本文基于安徽合动智能公司推出的 FDM6021-4803 型号无框直流无刷力矩电机进行无框力矩电机的驱动器硬件研究设计,为轻量型机器人关节模组的电机驱动器提供了一种可行的设计方案。
  

  1 总体设计

  
  无框力矩电机 FDM6021-4803 为永磁无刷直流电机,定子电枢为分布式三相星型绕组,电机额定功率为 146 W,额定电压为 48V,额定电流为 4.7 A。综合所要控制电机的参数,本文对所要设计的驱动器在功能和性能上提出了一些要求:
  
  1)输入电压为直流 48~60 V,输出的标称功率为 146 W,电流为 4.7 A;
  
  2)具备过压、过载、过流和编码器异常的故障报警输出和保护功能;
  
  3)具备电磁抱闸控制功能
  
  4)具有 CAN 通信的功能;
  
  5)具有较快的动态响应和比较高的调速精度,运行稳定并具有一定的抗干扰能力。
  
  为了满足轻量型机器人关节的应用,电机驱动器应该能够嵌入关节内,通过驱动器板卡上的接口,接入机器人关节轴的电机和编码器就能够实现对电机的有效控制。本文设计的驱动器根据上述功能需求,驱动器板卡结构如图 1 所示,电源接口的输入电压范围为 DC48V~DC60V,电机接口为电机动力线 U、V、W 三相的连接口, JTAG 仿真器接口连能连接对应型号的仿真器对DSP 进行程序的在线调试和烧写,编码器接口实现增量式编码器的+5V 电源输出和 A、B、Z 三相 6 路差分信号的输入,CAN 接口提供了其他控制器与驱动器进行通信和对电机控制的通道,电磁抱闸接口输出电源可不分极性,电源电压范围为+30 V~48 V。
  图 1 驱动器硬件结构
  图 1 驱动器硬件结构
  

  2 硬件电路设计

  
  针对电机的驱动器外部接口所能实现的功能,驱动器板卡上必须进行的主要电路设计包括:电源适配模块电路、驱动控制电路、功率逆变电路、电机相电流检测反馈电路和电机转速反馈电路,驱动器的主要电路组成如图 2。
  图 2 主电路结构
  图 2 主电路结构
  
  2.1电源适配电路
  
  驱动器芯片的电源接口提供输入电压为 DC48V~DC60V,为了满足系统各个芯片的不同电压供电,需要设计电压转换电路。本文设计的驱动器芯片电压需求包括+12 V、+5 V、+3.3 V 和+1.9 V,同时为了安全和抗干扰考虑模拟电源和数字电源应该设置隔离,其中逆变桥的驱动芯片供电为+12 V,增量式编码器供电电压为+5 V,控制芯片选用 TI 公司的 TMS320F28335 高性能运动控制芯片,对芯片供电电压包括内核电压和端口电压,其中内部电压为+1.9 V,I/O 电压为+3.3 V,霍尔电流采集芯片供电与 DSP 芯片I/O 电压匹配。设计首先采用稳压芯片LM5007 将 驱 动 器 电 源 接 口 电 压DC48V~DC60V 降压至+12 V,接着采用稳压芯片 UAOZ1073AIL 将+12 V 电压降压至+5 V,最后 在 DSP芯片供电电源上分别采用AMS1117-3.3 芯片和 TPS70851 芯片得到稳定的 I/O 电压和内核电压,电路原理图分别如图 3 中所示。
  图 3 电源适配电路a
图 3 电源适配电路b-c
  图 3 电源适配电路
  
  2.2功率逆变电路
  
  功率变换电路 DC-AC 为三相逆变电路, 通过可控开关器件将直流母线电压逆变为电机三相交流电压输入(如图 4)。基于本文设计的驱动器为小功率输出,一般采用 N 沟道型MOSFET 作为开关器件搭建逆变桥, 在选型 MOS 管时主要考虑最大漏-源电压、连续漏极电流和开关损耗等,图 4 中采用的 IRF3077/PBF 为 N 沟道贴片型高频率 MOS管,耐压值达75 V,漏极连续电流最大为210A,在栅极和源极之间并接的 10 kΩ 电阻是 为了防止栅极悬空,起到放电电阻的作用。
  图 4 逆变电路
  图 4 逆变电路
  
  在允许的工作电压范围内,所选 MOS 管的栅极阀值电压为 2.0~4.0 V,为了控制更加高效可靠,设计采用驱动电路对 PWM 信号进行驱动放大,高频 N 通道 MOSFET 驱动器UCC2720DR 可以驱动两路 PWM 信号,HL 侧驱动和 LI 侧驱动可以分别独立控制,其中 HI侧输入电压为 1.7~2.5 V,LI 侧输入电压为0.8~1.6 V,驱动电路如图 5 所示。
  图 5 MOSFET 驱动电路
  图 5 MOSFET 驱动电路
  
  2.3电流检测电路
  
  电流反馈环节的检测使用霍尔电流传感器来实现,利用霍尔效应可以将大电流信号转变成小电压信号输出。设计采用Allgero 公司的 ACS711ELCTR-25AB-T 型号电流霍尔传感器,测量电流范围为±30 A, 工作电压适配 DSP 的 I/O 电压,灵敏度为 55mV/A。DSP28335 的 ADC 模块为 12 位精度, 共计 4096 个数,母线电压 0~3.3 V,55 mV 对应 1 A,1 A 对应 68.27 个 ADC。三相绕组电流为 120°对称电流,测量其中两相后可计算得第三相电流,图 6 所示为 U、V 两相的电流检测保护电路,芯片引脚 1、2 为相电压测量接入信号,直接接电机 U 相和 V 相。引脚 7 为电压输出,6 引脚为 FAULT 信号输出,发生短路时 FAULT 信号为低电平持续输出,DSP 的错误联防模块 TZ 接受持续的低脉冲时将关闭 PWM 输出以保护电路。
  图 6 U,V 相电流检测电路
  图 6 U,V 相电流检测电路
  
  2.4 位置检测电路
  
  电机自带的增量式光电编码器分别率为 20000PPR,每转动一圈,驱动器计数经过四倍频后获得 80000 个脉冲。当编码器的轴转动时 A、B 两根线都产生脉冲输出,A、B两相脉冲相差 90 度相位角,由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果 A 相脉冲比B 相脉冲超前则光电编码器为正转, 否则为反转,Z 线为零脉冲线,光电编码器每转一圈产生一个脉冲,以 Z 脉冲信号作为 参照可以减小累计误差。速度检测电路如图 7,增量编码器接口有 6 根信号线输出和两路电源输入线,图示为 A、B、Z 三相差分信号的输出, 经过差分信号驱动器AM26LS32ACDRG4 将差分信号转换成单极信号,最后输出给 DSP 的 QEP 模块,通过该模块可以捕捉并设定脉冲计数模式,由此计算出电机的实时位置和转速。
  图 7 位置检测电路
  图 7 位置检测电路
  
  2.5 DSP 最小系统及其外围电路
  
  驱动器控制核心采用 TI 公司推出的高性能运动控制芯片 TMS320F28335,该型号芯片具有丰富的外设模块,在电机控制方面的性能表现尤为突出。本文设计的驱动器以TMS320F28335 为控制核心,搭建了 DSP 的最小系统满足芯片运行的基本条件,包括电源电路、复位电路、晶振电路和 JTAG 仿真电路。除此之外为了满足驱动器设计要求还要搭建控制器外围电路,这一部分主要介绍 CAN 通信接口电路。
  
  TMS320F28335 的 CAN 模块自带两个 CAN控制器,设计采用 TI 公司的隔离式 CAN 收发器 ISO1050 作为 CAN 总线的物理接口。此收发器在逻辑输入和输出之间具有二氧化硅隔离屏障并为总线提供了差分传输能力, 可以有效减小外部环境的干扰,提高了系统的抗干扰能力,数据传输速率达1Mbit/s。
图 8 CAN 接口电路
  图 8 CAN 接口电路
  

  3实验结果

  
  在驱动器控制板条调试前要做一些准备工作,首先检查确认驱动器电路没有短路情况,然后用仿真器 XDS1003 通过 JTAG 口将 DSP 与 PC 连接起来,保证能够用过仿真器调试和烧写程序,最后对各个模块进行验证,例如基于 SVPWM 算法验证 PWM 模块和CLARK 模块。对驱动器基本功能进行确认后,基于硬件平台 eEEP1000N 电力电子实验装置进行电机的调试实验。实验对象为上述型号电机,额定转矩 0.46 N·m,额定转速3000 r/min,极对数为 6,自带增量式编码器。图 9 所示为电机空载时从 400 r/min 转速切换到 600 r/min 转速时在上位机软件CSpacewatch 上观测到的实时转速变化和交轴电流iq变化情况,其中左上角窗口显示当前电机转速,右上角窗口显示当前的交轴电流iq,左下角窗口显示电机的位置变化,右下角窗口显示位置的给定值(在速度模式下设置为 0),以上信息表明电机硬件驱动运行状态良好。
  图 9 电机速度调试
  图 9 电机速度调试

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