數字農業平臺電機驅動控制系統設計

曾素瓊

(嘉應學院，廣東梅州514015)

1 數字農業平臺電機選擇

當前我國正處于農機化大發展進程中，科技農業是發展的總趨勢，農業數字化是時代潮流所需。數字農業的實現牽涉到計算機技術、電子信息與處理技術、自動控制與驅動技術、視頻技術、精準測試和精準作業技術等，其中開發一套新型農業精準作業系統是實現數字農業精準生產技術平臺的建設的重要部分，電機驅動控制部分為精準作業系統提供動力，通過電路與系統實現電機有效驅動及運動功能的控制，系統中運動及驅動部分的設計質量直接影響到農業精準作業系統的可行性以及位置控制精度［1-2］。系統的整個驅動及控制要實現自動化，不但驅動力滿足要求，系統控制物的運行及其控制精度必須符合要求。電機控制驅動部分也是系統主要的耗能部分，對電機技術改造、對電機控制驅動系統合理設計，是實現數字農業的節能環保的關鍵［3-5］。

農用電動機，在農村中使用很廣，涉及到農業生產的各個領域。據不完全統計，電動機擔當耗電型動力母機，用電量占農村用電總量的75%，在全國有80%的農用電動機處于高能耗運轉。農用電機的更新換代、技術改造是農村節能關鍵，農用電機的科學選取型、合理使用等是全面節能、降低電耗的重要措施。無刷直流電動機既具有簡單結構、可靠運行、方便維護等交流電機的優點，又具備良好的調速性能、勵磁損耗小及高效等直流電機的特點［6-9］。采用環保、節能、高效的永磁無刷直流電動機替代現有交流電機、有刷直流電機，有利于減輕污染、節約能源、保護環境，為農業可持續發展服務。

2 電機控制系統的整體設計

本設計利用DSP具備高速實時高精度處理能力來滿足精準作業系統對控制驅動系統的要求，系統采用美國 AD公司的 ADMC401定點 DSP，ADMC401適用于永磁無刷直流、異步和永磁同步等類電機的控制驅動系統中，它完備的外圍控制接口和豐富的電機控制外設電路，將DSP的控制能力和高速運算能力結合到一起，為電機控制提供可靠、高效的控制平臺［7，9］。

永磁無刷直流電動機驅動控制的總體方案是基于DSP的電流、轉速雙閉環帶機械式位置傳感器的系統。采用轉速反饋、電流反饋的雙閉環的控制方案是為了使系統得到較好的動態、靜態性能，達到系統的精準作業控制目的。轉速雙閉環通過調節電樞電流去控制電動機的轉矩，從而控制到轉速，系統還用雙閉環改善其安全性及工作特性。系統依據工作可靠、低成本、可靈活用于不同功率、不同電壓的使用場合來設計。三相無刷直流電動機系統控制框圖如圖1所示。

圖1 三相無刷直流電動機系統控制框圖

圖1中，DSP(ADMC401)是系統的控制核心。位置傳感器檢測到的電機轉子位置信號，位置信號經處理后送入DSP的輸入輸出口，DSP根據轉子位置信息計算出電機的當前轉速并與電機的給定轉速進行比較，并利用PID算法計算出結果作為電流預期值;電流檢測電路對電機工作電流進行實時采樣，采樣電流值與電流預期值進行比較，產生誤差信號，利用誤差信號通過PID算法產生合適的PWM驅動信號，驅動信號經驅動電路放大后，將控制三相全橋逆變器中相應的功率管的導通或關斷，實時地調節電機的工作電流，從而經電流雙閉環調節實現轉速調節的目的。

3 驅動電路

3.1 驅動主電路

采用三相全橋式驅動電路作為系統的功率驅動主電路，電路如圖2所示。三相全控橋式電路由6個功率管組成，6個功率管工作在開關狀態，每一相電機繞組得電工作必須有兩個功率管導通，采用此方式驅動電機的三相繞組，電機可獲得較大的輸出轉矩和較小的脈動轉矩，電機低速時的平穩性和起動性能都較好，此驅動方案能較好地實現電機的全方位控制。

圖2 功率驅動主電路基本結構圖

系統選用MOSFET作為主控開關器件，它是單極性電壓控制型絕緣柵場效應管，具有輸入阻抗高、高頻效應好、所需驅動功率小等特點［10-12］，適合應用本系統電機的控制。

3.2 基于IR2130功率管驅動電路

采用三相全橋式的驅動主電路，若用分立電路來實現，驅動主電路中的6個功率管需要六路驅動電路和六路獨立電源［13-15］，這樣系統復雜且性能并不一定好。IR2130是專用驅動模塊，它內部有自帶的故障檢測電路，系統使用集成的IR2130專用驅動模塊后，只需一個供電電源(15 V直流電源)即可驅動三相橋式逆變器中的六個工作在開關狀態的功率管。圖3是IR2130引腳情況及應用電路圖［9］，圖中的驅動信號輸出分別經 R6、R7、R8、R9、R10、R11 至圖2中的六個功率驅動管的柵極U+、V+、W+、U-、V-、W-。

圖3 IR2130功率管驅動電路

4 檢測電路的設計

4.1 轉子位置檢測電路設計

圖4 轉子位置檢測電路

轉子位置檢測電路如圖4所示，系統通過霍爾位置傳感器進行轉子位置的檢測［9，13］，此傳感器是集電極開路輸出式的，所輸出的檢測信號需經合適的集電極電源VCC和合適的上拉電阻R4、R5、R6得出轉子位置的數字信號。轉子位置信號經74LS14型施密特觸發器波形變換后再經R10、R11、R12輸出至DSP接口，由DSP處理后形成控制電機的換相信息和電機轉速計算的信息。

4.2 電流采樣與電壓采樣設計

因為系統對調速性能要求較高，系統采用轉速信號負反饋和電流信號負反饋的雙閉環系統。對定子繞組的電流進行實時檢測到的電流信息還可用于設計保護電路，防止電機在起動、過載、運行異常等情況時因電流過大而對控制線路或電機造成傷害。系統中采樣電流信號的獲得采用較簡單的電阻法，主電路的采樣電流信號通過電路轉化為電壓信號送至控制電路，進而控制到電機轉速，此類控制比較適合小功率電機、低直流電壓的場合。采樣電路如圖5所示。

圖5 電流采樣與電壓采樣電路

每一個脈沖調制周期對電流采樣一次，電流采樣值經R1、C1低通濾波器濾波去干擾后送入雙運放LM358第一級，經運放同相比例放大后送入模數轉換器(ADC)，轉換器輸出的數字信號由DSP根據當前的電流值進行調節，從而實現電流閉環控制。前級運放LM358同時輸出至由第二級運放LM358構成的反相輸入比較器6腳，比較器輸出信號用于過流保護等電路的設計。

5 電源的設計

系統需要48 V、15 V、5 V三種等級的直流電源。本設計作了以下安排:48V直流電源為電機三相繞組的提供驅動電壓，可用工頻交流電(220 V，50 Hz)經變壓、整流、濾波、穩壓提供，也可直接由直流電源提供;驅動部分電路用15 V直流電源，可由48 V直流電壓經輸出電壓可變的集成三端穩壓塊LM317和可調節電阻組成;5 V直流電源為放大器、驅動芯片和DSP供電，可由15 V直流電壓經一定電路再經三端穩壓管簡單地獲到。

為避免電機因電源欠壓故障及保證直流電源有較長的壽命，系統采用直流電源的欠壓保護措施，通過用電阻分壓來實現對直流電源電壓采樣，分壓輸出經ADC處理后由DSP產生保護信息。

6 控制系統的軟件設計

6.1 主程序設計

控制系統軟件程序包括主程序和中斷服務子程序，構建整個控制系統的運行由主程序負責，主程序首先完成控制系統、變量和各模塊的初始化，中斷服務子系統、寄存器和所需變量的設置等，然后進入等待中斷服務子程序狀態［9］。中斷服務子程序則是在主程序中斷時執行各功能模塊的程序。

6.2 轉子位置信號的處理及轉速的計算

系統設計為直接將傳感器輸出轉子位置信號輸入到DSP，DSP將定時讀取接口信息，以確定轉子準確位置，進而實現對電機繞組導通或截止時序的控制，使無刷直流電動機可靠穩定地換相。

實際操作時，可以通過計算相鄰兩次傳感器輸出位置狀態變化的時間，來推算出電機的實際轉速。ADMC401的中斷優先級排列是:定時器最低，數字PIO口居中，PWMSYNC最高，所以系統設計時考慮轉子位置信號輸入、讀取、定時計數在DSP中有序有效地工作，數字轉子位置信號經ADC后直接輸入到DSP的數字接口，DSP控制器讀取轉子位置信息選在PWMSYNC中斷期間，轉子位置信號的定時計數是利用PWMSYNC中斷，獲取電機的即時轉速。

6.3 電流調節器軟件設計

雙環調節系統中，電流調節器為內環調節，其主要任務是通過處理速度調節器的輸出信號與電流反饋信號，獲得電機要求的調控信息(誤差信息)，通過調節脈寬調制信號PWM的占空比q，使電樞繞組中的電流幅值和相位得到即時有效控制［15］，從而達到有效控制電機轉速的目的。電流調節器算法如下:

(1)設置變量和參量;

(2)系統初始化;

(4)電流PID控制，用PID算法計算電壓平均值;

(6)脈寬調制信號PWM寄存器值(q值)更新。

脈寬調制信號PWM占空比q的正常范圍為:0≤q≤1，q不可大于1，也不可小于0，q范圍應在軟件上作說明規定。當系統調控要求q＜0時，通過軟件令q=0，使電樞電流迅速降低，驅使電機快速降速達到需要值;當系統調控要求q＞1時，通過軟件令q=1，使電樞電流迅速升高，驅使電機快速升速達到需要值，這種設定也使電流調節器相當于有限幅作用。當0≤q≤1時，系統為調流控速的正常控制范圍，電流或速度與期望值誤差大，q變化大;電流或速度與期望值誤差小，q變化小。電流調節器軟件流程圖如圖6所示。

圖6 電流調節器軟件流程圖

7 結 語

本文首先對數字農業平臺中的電機選型作了分析，農用電機換型及技術更新是必然;由分析可知，永磁無刷直流電動機及其控制驅動系統適應于要求精準作業的數字農業平臺中所需電機類型和控制系統。系統選用具備高速實時處理能力的DSP作核心控制芯片，結合無刷直流電動機特性，設計了永磁無刷直流電動機的控制系統，文中特別對系統的功率主電路及其驅動、檢測電路等主要硬件電路作了詳細設計，對控制系統主要軟件作了設計。

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