前言

在傳統的電機伺服控制裝置中，一般采用一個或多個單片機作為伺服控制的核心處理器。由于這種伺服控制器外圍電路復雜，計算速度慢，從而導致控制效果不理想。近年來，許多新的電機控制算法被研究并運用于電機控制系統中，如矢量控制、直接轉矩控制等。隨著這些控制算法的日益復雜，必須具備高速運算能力的處理器才能實現實時計算和控制。為了適應這種需要，國外許多公司開發了控制電機專用的高檔單片機和數字信號處理器（DSP）。現在，通常使用的伺服控制器的控制核心部分大都由DSP和大規?？删幊踢壿嬈骷M成，這種方案可以根據不同需要，靈活的設計出性能很好的專用伺服控制器，但是一般研制周期都比較長。

1、MotionChip介紹

MotionChip是瑞士Technosoft公司開發的一種高性能且易于使用的電機運動控制芯片，它是基于TMS320C240的DSP，外圍設置了許多電機伺服控制專用的可編程配置管腳。TMS320C240是美國TI公司推出的電機控制專用16位定點數字信號處理器，其具有高速的運算能力和專為電機控制設計的外圍接口電路。MotionChip很好的利用了該DSP的優點，并集成多種電機控制算法于一身，以簡化用戶設計難度為目的，設計成為一種新穎的電機專用控制芯片。MotionChip有著集成全部必要的配置功能在一塊芯片的優點，它是一種為各種電機類型進行快速和低投入設計全數字、智能驅動器的理想核心處理器。具有如下特點：

1、可用于控制5種電機類型：直流有刷/無刷電機、交流永磁同步電機、交流感應電機和步進電機，且易于嵌入到用戶的硬件結構中；

2、可以選擇獨立或主從方式工作，并可根據需要，設置成通過網絡接口進行多伺服控制器協同工作；

3、全數字控制環的實現，包括電流/轉矩控制環、速度控制環、位置控制環；

4、可實現各種命令結構：開環、轉矩、速度、位置或外環控制，步進電機的微步進控制，并可實現控制結構的配置，其中包括交流矢量控制；

5、可以配置使用各種運動和保護傳感器（位置、速度、電流、轉矩、電壓、溫度等）；

6、使用各種通訊接口，可以實現RS232/RS485通訊、CAN總線通訊；

7、基于Windows95/98/2000/ME/NT/XP平臺，強大功能的IPMMotionStudio高級圖形編程調試軟件：可通過RS232快速設置，調整各參數與編程運動控制程序。其功能強大的運動語言包括：34種運動模式、判決、函數調用，事件驅動運動控制、中斷。因此便于開發和使用。

8、可以通過動態鏈接庫TMLlib,利用VC/VB實現PC機控制；也可以與Labview和PLC無縫連接，通過動態鏈接庫，用戶可以在上層開發電機的控制程序，研究控制策略。

2、運動控制系統設計

本文是以MotionChip為控制器核心，直流無刷電機/有刷電機/永磁同步電機為控制對象進行伺服驅動器設計。設計指標為：適應12―36V寬范圍直流母線電壓輸入，工業標準5V邏輯電源輸入，最大輸出電流3A，峰值電流6A。在進行伺服控制器設計之前，根據MotionChip的特點和伺服電機的特性進行總體功能設計如下：

（1）采用位置環、速度環、電流環的三環結構；三環都采用PID調節器；電機參數設置采用計算機輔助計算和工程整定相結合的辦法；

（2）具有通用伺服控制器接口，并可利用提供的人機接口進行獨立參數設置，有網絡通訊接口進行獨立參數設置，有網絡通訊接口方便外部監視和控制。

伺服系統的總體系統結構可以分為：MotionChip最小系統、驅動電路、電流反饋檢測、外部控制接口、通訊接口等，如圖1所示。伺服驅動器的硬件結構分為2個主要部分：驅動電路部分：主要包括逆變橋、前置驅動、電流檢測；

控制電路部分：包括反饋檢測、外部控制接口、通訊接口、MotionChip最小系統。

圖1系統結構圖

3、控制系統設計

在MotionChip的基本系統中，選用美國Xicor公司的SPI串行EEPROM：X25650來存儲TML運動指令。該EEPROM的存儲容量為8K×8bit，最大時鐘頻率可達5MHz。由于在MotionChip正常運行時指令訪問時間21ns，所以為了使程序高速有效的運行，增加了2片32可×8bit的靜態RAM：ASC256-12JC，該SRAM的存取時間為12ns，所以MotionChip對該芯片的存取時間為12ns，所以MotionChip對該芯片的存取數據時不需要插入等待狀態。并且該SRAM具有較低的活躍功耗，在待機狀態時可自動進入更加低功耗的節能狀態。

MotionChip芯片本身提供了電機控制專用的接口，包括6路PWM信號，在使用中可以配置作為三相電機逆變橋的驅動信號。當保護中斷PDPINT有效或電機使能信號ENABLE無效時，6路PWM信號立即進入高阻狀態，使逆變橋全部截至，電機停轉。另外，MotionChip為每個PWM輸出對提供了可編程死區時間設置（0―102μs），所以不需要外部的死區邏輯電路。碼盤反饋信號接口有ENCA，ENCB，ENCZ，其中ENCA和ENCB是相位差90°的脈沖信號，ENCZ是碼盤清零信號。MotionChip可以對ENCZ和ENCB信號進行四倍頻和辨向，然后送入增量計數器計數產生電機的位置信號，碼盤清零信號ENCZ可對計數誤差進行修正。電機霍爾反饋信號HALL1，HALL2，HALL3，是為直流無刷電機/永磁同步電機進行定位磁極設計的。其它重要引腳如DIR、PULSE直接作為電機脈沖指令的輸入接口。

LSP，LSN可用來擴展作為運動系統左、右限位事件的捕捉輸入。MotionChip有2個10位的A/D轉換器，每個都內建了采樣保持電路，最快采樣速率可達10kHz。模擬信號的輸入范圍通過MotionChip參考電平輸入管腳VREFLO和VREFHI確定。MotionChip可以工作在獨立運行和檢測引腳AUTORUN進行方式選擇的，該引腳接高電平，MotionChip工作在從屬方式，接低電平工作在獨立運行方式。在獨立方式的工作條件下，MotionChip上電后，選檢測到AUTORUN的低電平，進入獨立運行方式；然后自動從SPI串行EEPROM中的開始執行TML程序。

4、驅動系統設計

電機的驅動主要包括2個環節：電機PWM驅動電路和電流檢測。

電機的PWM驅動電路如圖2所示。本電路中，無刷直流電機采用全橋驅動，這樣可以使用電機工作于四象限（正向驅動、制動及反向驅動、制動）。驅動一個無刷直流電機需要6路PWM信號，而MotionChip的每個事件管理模塊（EV）中3個帶可編程死區控制的比較單元可以產生獨立的3對共6路PWM信號。所以在電路中，直接選用事件管理模塊B（EVB）中的比較單元來產生6路所需要的PWM信號，其輸出引腳為PWM7~PWM12，其中PWM7~PWM9輸出設為驅動MOSFET功率管橋路的上半橋，PWM10~PWM12輸出驅動下半橋。DSP輸出的這兩種3路PWM信號經過IR2102前置放大后分別驅動MOSFET功率管橋路的上半橋（Q1，Q3，Q5）和下半橋（Q2，Q4，Q6）進行電機的驅動。

圖2驅動電路圖

電機電流檢測電路可提供重要的反饋信息，將該信息與來自主控DSP的控制信號相結合，可以控制MOSFET或IGBT的柵極驅動芯片并最終調整電機速度。如果要實現過流保護，還必需進行電流監控，不過對于低端應用而言，傳統的過流保護卻顯得過于昂貴。電流采樣的方案是在逆變橋的下橋臂串一0.027Ω采樣電阻如圖3（a），采樣電流范圍為0~6.22A，采樣后的電壓放大倍數為14.63倍，放大電路如圖3（b），并經2.5V電壓抬升輸入DSP，所以輸入DSP的電流模擬電壓量為：

UAD=2.5+I×0.027×14.63。

MotionChipAD口的模擬量輸入電壓為0~5V，所以電流采樣經量化的值為：

圖3電流檢測原理圖

加氫反應器超聲檢測成像系統是一套適用于現場檢測的加氫反應器堆焊層剝離超聲檢測成像系統，實現加氫反應器堆焊層層間剝離的在役半自動超聲掃查，檢測數據的自動存儲、分析與評判，同時該系統對不同直徑的加氫反應器有一定的適用性。

加氫反應器剝離成像系統的控制系統本質上是一個二維的運動控制平臺，從系統要求的性能指標來看，控制系統需要滿足如下指標：

1、水平掃查速度可達6mm/s無級可調；垂直掃查速度達300mm/s無級可調；

2、能夠實現粗掃查和精密掃查，對指定的區域實現精密掃查；

3、系統的控制方式分為手動/自動，兩者之間可以切換；

4、X軸（水平）和Y軸（垂直）2個方向上的運動誤差≤±1mm。

由此選擇了上述設計的運動控制系統，具有體積小，性能高，控制簡單，價格低，但是每個只能控制一個電機。若要兩臺電機協同控制，則須通過RS485總線將其連接起來?？刂葡到y的總體結構如圖4所示。X向電機用來控制絲杠的運動：選用EC-max32，無刷70W+減速器為行星輪減速箱（速比為23，型號為GP32C）+碼盤（三通道500線）。Y方向電機用來控制探頭的運動，采用RE-32，有刷80W+減速器為行星輪減速箱，型號為GP42C（速比為33）+碼盤（三通道500線）。圖5示出硬件連接圖。

圖4 硬件連接圖

5、軟件設計

控制系統的軟件是基于Vc++和MotionChip的動態鏈接庫設計的，軟件主要完成對探頭位置的運動控制，如圖5所示。

圖5 控制掃查界面

用戶操作界面功能有：

參數設置與顯示模塊主要是設置一些系統參數（如掃查長度，探測寬度）和控制參數（如速度參數、加速度參數等）；

任何時刻，控制程序都時刻監視系統的運行狀況，隨時對系統故障做出相應的處理。

軟件部分包括X向運動和Y向的掃查運動，數據存儲及處理，手動控制，故障處理，運動狀態顯示及故障顯示等。操作界面（GUI）給予清晰、簡單的用戶界面，方便用戶調試、運行，同時能夠將伺服驅動器傳遞過來的信息顯示出來，便于監控。任務編程模塊將要實現控制任務的規劃，如X軸向和Y軸向運動等，包括故障查詢、處理。

智能伺服驅動器性能的好壞直接決定整個系統設計的成敗，為此用一直流電機對驅動器進行測試，電機的電流和位置誤差如圖6（a）、（b）所示，從圖6中可以看出，驅動器的響應時間只有0.12s，位置誤差很小。通過對通訊速度及上位機控制命令的測試顯示，在實時性要求不是非常嚴格的情況下，以RS232串口或者485串口的通訊速率是完全可以滿足系統需求的。

圖6測試曲線

6、結論

本文基于一類專用的伺服控制芯片Motionchip，進行了伺服控制器設計和實踐研究，并設計了一個功能較為完善的直流無刷伺服驅動器的原型。將該控制器運用到加氫反應器超聲檢測成像系統中對二維的運動進行控制，保證了整個系統取得良好的性能。Motionchip這種多功能專用的運動控制芯片不僅簡化了整個系統的設計過程，而且具有很好的開放性和網絡性，對中小型項目是非常理想的設計方案。

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