电动鱼叉交流 伺服驱动系统设计

文:桂林星辰科技股份有限公司 方强2020年第二期

1 引言

目前,舰载直升机助降系统大多为鱼叉-格栅着舰助降系统,主要由固定在直升机上的鱼叉和固定在舰船上的格栅组成。其中,鱼叉是助降系统中的执行装置,其驱动方式有液压驱动、气动驱动和电驱动三种方式。国内常见的驱动方式为液压驱动,该驱动方式需配备液压辅助系统导致助降系统重量较重,并且油液易污染、泄露使维护保养较为复杂。气动驱动也需配备气动辅助系统导致助降系统结构复杂且重量较重。电驱动方式不需要额外的辅助设备,只需要一台交流伺服驱动器即可完成助降系统所要实现的功能,而且重量较轻、结构简单、维护保养方便。电动鱼叉交流伺服驱动系统的整体结构如图1所示。

由图1可知电动鱼叉驱动系统主要由驱动器、伺服电机、电动鱼叉和直流电源组成。其中,驱动器是整个系统的关键,主要完成接收飞控计算机的指令、驱动伺服电机完成着舰锁定和起飞解锁动作,并反馈系统工作状态的功能。一些文献虽涉及到了电动鱼叉详细结构,但是对其伺服驱动系统并未做深入论述。本文将以永磁同步交流伺服电机为控制对象,采用空间矢量控制方法,进行伺服驱动系统的设计,以满足驱动器结构简单、重量轻、操作方便、性能可靠的设计要求。

电动鱼叉交流伺服驱动系统的具体功能要求如下:

1)位置环工作模式下实现着舰锁定(2s内完成)和起飞解锁(1.5s内完成)功能;

2)2路RS-422隔离通讯,1路RS-485隔离通讯;

3)微动开关1、微动开关2、测试使能信号输入处理功能;

4)电机制动器和电磁铁控制功能;

5)对关键部件的状态进行监控并实时反馈状态信号;

6)具备自动控制模式、人机对话模式和测试模式三种工作模式;

7)计数与故障报警功能;

8)过压、欠压、过流、过载、IGBT过热、通讯故障和旋变故障保护功能。

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图1 电动鱼叉驱动系统整体结构图

2 系统硬件设计

根据上述电动鱼叉伺服驱动系统的功能要求,首先设计系统框架图,如图3所示。考虑到伺服电机由高转速到零速的快速减速过程会导致母线电压上升,为此选择合适的泄放电阻对多余的电压进行泄放。由于伺服电机工作时最高转速可达10000r/min,如果此时驱动器发生故障导致关使能停机,电动鱼叉由于惯性不能马上停止运动,最终会造成机械结构损坏的严重后果。即使在关使能时让电机制动器动动作也会因为延时导致无法及时锁住电机。因此需要增加动态制动器回路让电机在故障发生时能快速停止转动。由图3可知硬件部分主要由主控板和电源板组成。主控板主要由主控电路模块、电源管理模块、功率驱动模块、电流采样模块、电压采样模块、旋变采样模块、泄放模块、制动器控制模块、通讯模块和硬件保护模块等组成。电源板主要功能是将输入的28VDC经升压电路转换成270VDC以供母线使用。

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  图2 电动鱼叉交流伺服驱动器实物图

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  图3 系统框架图

根据伺服驱动系统的功能要求,设计图4所示的主控板框架图。按照图4所示的主控板内部框架图依次对主控电路模块、电源管理模块、功率驱动模块、电流采样模块、旋变采样模块、泄放和制动器控制模块、通讯模块等主要模块分别进行介绍。

2.1主控电路

伺服控制器在工业上使用时常采用DSP+FPGA/CPLD的控制器架构,两者各取所长。DSP用于完成复杂的运算,FPGA/CPLD用于处理输入输出接口、编码器计数、PWM生成、硬件保护等逻辑处理单元。在本设计中,需要考虑功能和体积重量两方面的因素,因此DSP+FPGA/CPLD的方案显然过于复杂。

在综合考虑了系统运算速度、驱动器重量和成本后,本系统采用TI的DSP芯片TMS320F28335作为主控芯片。TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力,具备32位浮点处理单元,与以往的定点DSP相比,该器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、数据以及程序存储容量大、AD转换更精确快速等优点。在电机控制接口方面,TMS320F28335包含多达18通道的PWM输出、6个捕捉单元、2个正交脉冲编码电路。在通信方面,集成了2个增强型的Ecan2.0B模块,包含多达3个SCI模块、2个McBSP模块、1个SPI模块、1个I2C总线接口。在模拟量采样方面,集成了16通道12位精度的模数转换器ADC。在内存方面,片上有68Kb的SARAM程序运行空间和512KbFlash程序存储空间。这些条件可以满足永磁同步电机的矢量控制功能。更重要的是采用PQFP176封装的芯片仅有26.2×26.2×1.45mm的大小。

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  图4主控板内部框架图

根据图4和系统功能要求设计了图5所示的主控电路原理图。图5中所示的6路PWM输出采用互补型EPWM并加入死区时间。3个SCI模块全部利用了,分别对应与飞控计算机之间的RS-422通讯,与健康管理系统之间的RS-422通讯,与调试上位机之间的RS-485通讯。为了方便系统性能调试以及后续测试,特增加了2路模拟量输出接口。

2.2电源管理

因电动鱼叉交流伺服驱动系统是安装在无人机上的,飞机上对系统的供电只提供28V大功率直流电源。28V直流电进入到驱动器后要分成两路,一路给到主控板经过DC-DC变换和LDO变换转换为+15V、+5V、+3.3V、+3V、+1.9V、+1.5V等电压以供主控板后级电路使用,另一路给到电源板经过升压电路转换为270V直流电以供主控板直流母线使用。

2.3功率驱动电路

功率驱动模块是电机驱动的核心设计模块。目前,功率驱动模块的设计方案主要有三种。方案一:采用IGBT驱动型光耦来驱动IGBT或者MOS管以达到隔离和功率驱动的目的,这类光耦的典型代表有A316J、A3120等光耦。方案二:采用双通道高速光耦和专用的驱动芯片驱动IGBT或者MOS管以达到隔离和功率驱动的目的,例如:TLP2105+IR2011方案。方案三:采用双通道高速光耦和内部集成驱动电路与IGBT的IPM以达到隔离与功率驱动的目的。三种方案各有优缺点,在选择方案时要考虑驱动器最大电流15A、过流阈值为22.5A、PWM频率20KHz、母线供电电压270VDC(210VDC~330VDC)等因素的限制。考虑到主控板空间的限制选择了三菱公司生产的IPM模块——PS21767-V,该模块最大持续电流达到30A,峰值电流达到60A,最大供电电压450VDC,PWM输入最高频率可到20KHz,完全满足设计的要求,并且因为是集成式模块为主控板节省了空间。

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  图5主控电路原理图

因IPM模块是高电平有效,为了防止在上电瞬间出现上下桥臂误导通损坏IPM的情况,需要选择一款输出逻辑反向的高速双通道光耦,而HCPL-063A刚好满足这一要求。NL27WZ16是一款高性能双缓冲器,采用1.65至5.5V电源供电。最后得到的驱动电路原理图如图7所示,另外两组驱动电路原理与图7相似。

2.4电流采样设计

在紧凑结构的伺服驱动器中,采用在每相下桥臂到地之间串联一个采样电阻的方式实现电流采样。将采样电阻到地的压降通过一个精密运放放大,并添加一定的偏置使采样电压调整到单片机ADC输入合适的电压工作范围。这种电流采样方式可行,但是增加了采样电阻和精密运放等元器件,反而使电路变得复杂。目前,霍尔电流传感器芯片因其集成度高、抗干扰性好、精度高和线性度好等优点已经广泛应用在变频器、伺服驱动器等产品中。电动鱼叉交流伺服驱动器的额定电流7.5A,最大电流15A,过流阈值按1.5倍最大电流计算就是22.5A,因此需要选择电流测量范围在-30A~+30A之间的霍尔电流传感器。Allegro公司生产的ACS712系列霍尔电流传感器芯片具有响应时间短至3.5us、非线性度低至1.5%、噪声低、测量范围广和带宽可调整等优点。其中ACS712ELCTR-30A-T这款产品电流测量范围-30A~+30A之间,而且该芯片是SOIC-8封装,极大地节省空间。综合以上分析所得的电流采样原理图如图8所示。

2.5旋变激磁反馈设计

旋变激磁反馈模块是驱动器内部十分重要的一个模块,通过对反馈回来的正余弦信号进行数字锁相环解码,为位置环提供位置反馈信息,为速度环提供速度反馈信息,为电流环提供电角度信息。旋变反馈信号采样稳定性和采样精度决定了三环控制精度。

旋转变压器的额定激励电压为4±0.4Vrms,额定激励频率为10±0.1KHz,额定输出电压2±0.2Vrms,激励信号输入阻抗≥400Ω。根据已知的旋变参数选择TI公司的高速、低功耗双路运算放大器LMH6643MA来进行激磁电路的设计,具体电路图如图9所示。图9中的三极管BG501的作用是为了进一步提高旋变激磁电路的输出能力。旋变反馈的正余弦信号是一种差分信号,提高了抗干扰的能力,但是DSP的AD采样口只有单输入通道,因此本方案采用运放将差分信号转换成单通道信号,输入到DSP的AD采样口。

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  图6主控板电源转换框图

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  图7驱动电路原理图

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  图8电流采样原理图

2.6泄放和制动器控制设计

电动鱼叉的运动控制是往复式的,在短时间内经历多次启停过程,在制动过程中电机处于发电状态,产生的反向电动势会抬高母线电压。如果不对其进行处理,过高的电压会对电路产生冲击,甚至击穿一些耐压较低的元器件,同时由于电源电压的波动使得计算电压矢量偏大,会对控制产生较大的扰动。对这个问题,最常见最有效的处理方式是通过软件或者硬件的方式检测到母线电压高于泄放点电压时就开始泄放,当电压低于泄放点电压减去回差后的电压值时就停止泄放。由图10可知正常情况下MOS管MOS601关闭,母线上的电压无法通过泄放电阻进行泄放,当检测到母线电压高于设定值时,DSP发出控制信号使光耦G601导通,从而导通MOS管MOS601将大功率电阻直接加在母线电压两端以达到消耗多余能量的目的。

图10中所示的电机制动器控制电路工作原理与泄放控制原理类似,当需要电机正常工作时,DSP发出控制信号使光耦G603导通,从而导通MOS管MOS602使电机制动器得电解锁;当驱动器发生故障或者其他不需要电机工作时,DSP发出控制信号使光耦G603不导通,从而MOS管MOS602不导通使电机制动器失电锁紧电机。因为要对电机制动器的电流进行监测,所以增加了一个霍尔电流传感器芯片ACS712ELCTR-20A-T对流过制动器的电流进行检测。

2.7通讯电路设计

根据系统通讯要求,需要设计两路RS-422通讯电路和一路RS-485通讯电路。RS-422是全双工通讯方式,RS-485是半双工通讯方式,目前兼容这两种通讯方式的芯片种类很多,有非隔离与隔离之分。考虑到飞控计算机与驱动器之间的通讯线比较长,易受外界电磁干扰,故RS-422通讯应选择隔离类的通讯芯片。RS-485通讯是系统调试过程中驱动器与电脑端调试软件之间的通讯,整个通讯线比较短,其干扰相对较小可以采用非隔离类的通讯芯片。

Analog Devices公司生产的通讯芯片ADM2582的隔离电压达到2500Vrms,具有±15KV的ESD防护能力,传输速率最高可到16Mbps,极低的数据传输延时,完全满足设计要求。选用NUP2105LT1G双向瞬态电压抑制器来解决工作在速度环模式以100r/min的速度反转直到堵转电流A、B、Y、Z线路上可能存在的瞬时高压对元器件造成损坏的问题。RS-485通讯选用SN65LBC184DR这款非隔离芯片来实现,(见图11)。

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  图9旋变激磁与反馈原理图

3 系统软件设计

为了实现伺服驱动器代码的模块化、高内聚、低耦合和高时性的功能,将代码进行模块分层划分,其结构如图12所示。

芯片抽象层(Chip Hardware AbstractLayer)是对一个微控制器的外设寄存器的一级抽象,被认为是来自厂商对于内核开发包装外设的总体。例如,本文采用的是TI的TMS320F28335,其所有外设寄存器与中断的总和描述即为一层芯片抽象层,常以开发手册形式描述每个寄存器的功能。

板级抽象层(Board Hardware AbstractLayer)建立在芯片抽象层之上,是对特定外设的一级抽象描述,包括了该外设的初始化函数,过程处理函数,外设使能禁止函数等,是该外设对于寄存器层面到函数层面的一级抽象,向上提供外设的接口函数,实现寄存器对于上层应用封装。该模块包含了所有应用的到的外设提供接口函数,例如:系统时钟初始化、GPIO口初始化、ADC初始化、EPWM初始化、SCI串口初始化,以及外设的处理函数。这样处理就将应用层程序与底层寄存器之间分离开来,在进行不同硬件平台之间的程序移植时只需修改底层接口函数,而不用修改应用层程序。

工程数据集包含了内部参数数据、旋变反馈解码数据、PID控制数据、矢量控制数据、三环控制数据、状态反馈数据、故障代码数据、输入输出数据等数据。这些数据类型主要采用结构体、联合体和枚举等数据结构来定义,尽量减少了全局变量的使用。应用层函数在调用这些数据时主要通过指针进行实参的传递。这样减少了函数与函数之间的耦合度,使程序的模块化设计进行得更加彻底。

系统的重要功能需求是着舰锁定和着舰锁定解除功能。这两个功能对应程序流程图分别如图13、图14所示。根据程序流程图编写程序时,把着舰锁定和着舰锁定解除分别写成两个不同的功能函数。在程序中还增加了安全保护代码,一旦发现给定位置与当前位置差值绝对值大于电动鱼叉最大行程240mm时,相应指令的动作不会执行。

伺服驱动器工作在位置环模式下,电动鱼叉工作的零位非常重要,而旋变不同于绝对值编码器在每次重新上电后会以新的位置为零位,所以在系统掉电后要把当前位置保存在EEPROM中,在下次上电时从EEPROM中读取该值作为鱼叉所在的位置。在系统首次调试时,必须要进行一次回零位操作,当伺服驱动器接收到回零指令时,驱动器驱动电机工作在速度环模式以100r/min的速度反转直到堵转电流达到1.5A时再切换到位置环模式正转使电动鱼叉前进4mm,并记录该位置为电动鱼叉工作的零位。

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图10 泄放和制动器控制原理图

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图11 RS-422通讯电路原理图

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图12 伺服驱动代码结构图

在完成伺服驱动软件代码的编写、调试后通过SVN版本管理工具及时把代码上传到公司服务器上,在上传前应简要说明软件实现功能。如果下次对软件有更改,则在更改并调试完成后需要再次上传代码(只上传修改了代码文件),并简要说明修改了的地方。使用SVN的好处在于软件代码的每个版本在服务器端都有记录可供查询,并可以十分方便地比较两个版本代码之间的差异。

4 测试结果及结论

在样机制作出来后开始进行软件和硬件间的联合测试工作。首先,是在不带鱼叉负载情况下,对电机控制性能进行测试,主要利用示波器观察电流环模式下Q轴电流的阶跃响应,并调整电流环的PI参数至合适值,在速度环模式下速度的阶跃响应,并调整速度环的PI参数至合适值,然后在位置环模式下调整位置环比例系数P、位置环前馈系数和前馈平滑系数至合适值,通过示波器观测到的波形如图15所示。图15中所示的通道1测试的是实际速度值,通道2测试的是反馈的位置值,从中可以看出初始位置和最终位置的一致性,没有较大的位置误差。

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图13着舰锁定程序流程图

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图14着舰锁定解除程序流程图

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图15空载测试时位置、速度波形

其次,是在带鱼叉负载的情况下完成系统回零位测试、旋变位置掉电保存测试、最高速度限制模式下的定位精度测试、自动控制模式测试、手动控制模式测试和测试使能模式下测试,具体的测试波形如图16、图17所示。图16、图17中通道1测试的是Q轴电流,通道2测试的是反馈速度,其中图16反应的是一个完整的着舰锁定和着舰锁定解除动作时Q轴电流和速度波形。图17反应的是在最高转速达10000r/min情形下进行满行程往复运动时的Q轴电流和速度波形。从图16和图17的波形中可以看出Q轴电流和速度没有太大的波动,系统运行平稳。

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图16锁定和解锁过程中Q轴电流和速度波形

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图17往复运动时的Q轴电流和速度波形图

最后,进行加载测试,从2000N负载开始,每次增加1000N负载,直至10000N负载。在加载测试过程中,驱动器能平稳将负载拉起来,没有出现异常情况。整个测试结果表明系统运行平稳、定位准确,满足功能和性能要求。

5 结语

整个系统利用主控芯片TMS320F28335与智能功率模块PS21767-V实现对交流永磁同步伺服电机的控制。在RS-422通讯的基础上实现了电动鱼叉的自动控制、手动控制和测试模式控制功能,并通过一系列测试验证了系统运行平稳可靠。通过以上控制方法研究,为其他设计人员提供一定的参考和借鉴。

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