變頻控制的魷魚釣機電路設計

孔祥洪， 錢衛(wèi)國， 郭陽雪， 宋連偉， 王偉杰， 陳 功

(1．上海海洋大學a．物理實驗中心，b．工程學院，上海201306;2．國家遠洋漁業(yè)工程技術研究中心，上海201306)

0 引言

20世紀50年代魷釣漁業(yè)中所采用的釣機為單滾筒手搖釣機［1-2］。隨著科技的進步，以及提高漁獲效率因素的驅動，20世紀60年代中期開始采用機械控制的雙滾筒自動釣機。20世紀70年代中、末期逐漸發(fā)展成為電控型自動釣機。由于電腦控制技術的應用，20世紀80年代開發(fā)電腦型自動釣機，且從單機控制發(fā)展為集中遙控［3-5］。釣機的作業(yè)水深也從原來的300 m，發(fā)展到1 000 m。自動釣機可實現(xiàn)作業(yè)深度、起放線速度、起線速度脈沖幅值(即抖動強度)等各方面的調(diào)節(jié)功能。電腦型釣機除了可顯示數(shù)字控制外，還可以使?jié)L筒脈沖轉動記憶和模擬人的手釣動作，釣線的脈沖速度調(diào)節(jié)范圍更為廣闊。

國內(nèi)對魷釣機的研制開始于1973年，由農(nóng)業(yè)部立項，1974年初廈門水產(chǎn)學院漁機廠仿造了日本的VP-3型自動魷魚釣機。自行設計制造了SYD75型自動魷魚釣機，經(jīng)過運轉試驗，各種性能達到了當時魷魚釣機的“機械化”設計要求［6］。隨著我國魷釣漁業(yè)的成功開創(chuàng)，1990年5月根據(jù)農(nóng)業(yè)部水產(chǎn)司立項要求，上海水產(chǎn)大學研制了2臺電控魷魚釣機，使國產(chǎn)化魷魚釣機向機械化電氣化方面跨出了一大步［7］。但使用情況不理想，未能進行技術推廣。國內(nèi)部分漁業(yè)裝備生產(chǎn)企業(yè)和科研院校也等先后開展過魷釣機的研制［8-10］，但所有產(chǎn)品均未能成功應用于實際漁場生產(chǎn)，多數(shù)停留在理論探討階段。

魷魚釣機是魷釣漁業(yè)中最基本的生產(chǎn)工具，而我國作為世界上最主要的魷釣漁業(yè)國家，魷魚釣機仍舊依賴于從國外進口或使用國外淘汰的二手產(chǎn)品，嚴重阻礙了魷釣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為此，研究開發(fā)國產(chǎn)魷釣機成為魷釣漁業(yè)生產(chǎn)企業(yè)和科研單位最為關心的問題，如何成功研制出先進的國產(chǎn)魷釣機成為當務之急。本文嘗試使用16 bit變頻芯片SPMC75F2313A單片機、功率器件智能模塊IPM FSBB20CH60和霍爾傳感位置偵測，實現(xiàn)直流無刷電動機驅動和調(diào)速，并采用變頻技術來設計魷魚釣機的控制電路，為國產(chǎn)魷釣機研制的軟件控制單元提供參考。

1 控制原理

1．1 直流無刷電動機的優(yōu)勢和控制原理

直流無刷電動機BLDC采用電子換向器替代了傳統(tǒng)直流電動機的機械換向裝置，克服了電刷和換向器所引起的噪聲、火花、電磁干擾、壽命短等弊病。直流無刷電動機既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，也具有直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點。SPMC75F2313A為馬達驅動專用芯片，方便產(chǎn)生各種驅動控制信號［11-13］。

電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，與三相異步電動機十分相似［14］。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，功能是:接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉速;提供保護和顯示等。直流無刷電動機的控制原理簡圖如圖1所示。

圖1 直流無刷電動機的控制原理簡圖

主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5～24 kHz調(diào)制波的對稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的 H3、H2、H1方波，從而產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號:010、011、001、101、100、110，通過邏輯組件處理產(chǎn)生V6－V1導通、V5－V6導通、V4－V5導通、V3－V4導通、V2－V3導通、V1－V2導通，也就是說將直流母線電壓依次加在U→V、W→V、W→U、V→U、V→W、U→W 上，這樣轉子每轉過一對 N-S 極，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定組合成6種狀態(tài)的依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉動60°電角度，轉子跟隨定子磁場轉動相當于60°電角度空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變功率管的導通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進60°電角度，如此循環(huán)，直流無刷電動機將產(chǎn)生連續(xù)轉矩，拖動負載作連續(xù)旋轉。

1．2 直流無刷電動機的驅動

本方案采用120°方波的算法驅動 IPM的內(nèi)置IGBT從而來驅動直流無刷電動機。對IGBT信號的分配必然和電動機的位置有著緊密的聯(lián)系，從BLDC的霍爾傳感器反饋回來的位置信號經(jīng)過編碼后是:010、011、001、101、100 和110 6 種狀態(tài)，所以可以根據(jù)這六種位置狀態(tài)信息來分配IGBT的驅動信號。在這里我們優(yōu)先選用了IGBT的上橋臂用分配PWM信號，下橋臂分配高低電平的驅動方式，所以可以通過改變上橋臂PWM的占空比來改變加在直流無刷電動機上的端電壓。信號分配和位置關系如圖2所示。

圖中:V1、V2、V3、V4、V5和 V6表示 IGBT 組成的三相全控橋電路，上橋的V1、V3和V53個功率管，下橋的V2、V4和V63個功率管，分別控制這U、V和W三相直流電的流向，如圖1所示連接方式。H1、H2和H3是霍爾傳感器的3個信號出線。

圖2 位置驅動信號關系

如果正轉的位置信號和驅動信號的關系如圖2所示:010(H3H2H1)V6－ V1、011(H3H2H1)V5－ V6、001(H3H2H1)V4－ V5、101(H3H2H1)V3－ V4、100(H3H2H1)V2－V3、110(H3H2H1)V1－V2的順序來換流的話，那么我們可以同樣根據(jù)位置信號給出反轉時驅動信號的換流關系。即:001(H3H2H1)V1－V2、011(H3H2H1)V2－ V3、010(H3H2H1)V3－ V4、110(H3H2H1)V4－V5、100(H3H2H1)V5－ V6、101(H3H2H1)V6－V1。具體電機的相序一定要搞清楚，如果換流不對或不當?shù)脑捴绷鳠o刷電動機就會左右振動根本旋轉不起來，或者電流很大且電流波形不對。

通過上述控制信號來控制各個功率管的on/off，使得電流依序流入U、V、W三相線圈，而在直流無刷電動機的內(nèi)部產(chǎn)生旋轉磁場，如圖3所示，指出了在控制信號的作用下各相的電壓、電流方向的關系。

圖3 電流時序

1．3 PWM方式調(diào)速

在控制功率組件的信號中加入PWM，調(diào)整PWM的占空比，即輸出PWM的占空比，使得調(diào)整輸入電動機的端電壓的大小，進而控制直流無刷電動機的轉速，其中控制信號PWM的加入有4種方式:上相PWM、下相PWM、前半PWM和后半PWM。如圖4所示。

圖4 PWM加入方式

2 硬件設計

硬件電路的設計主要包括:電源，控制器系統(tǒng)，IPM模塊及驅動，位置偵測和RS485通信5個部分。各部分的框圖和硬件電路原理如圖5所示。

2．1 SPMC75F2313A控制系統(tǒng)

設計使用凌陽16 bit變頻芯片SPMC75F2313A和功率器件智能模塊IPM，結合基本的驅動算法通過功率器件智能模塊IPM來實現(xiàn)對三相繞組直流無刷電動機的驅動和調(diào)速，控制電路如圖6所示。

在程序開發(fā)過程中，通過SPMC75F2313A的Probe來連接內(nèi)嵌在線仿真，降低了驅動及系統(tǒng)開發(fā)的難度，提高了生產(chǎn)效率、加快開發(fā)進度。

2．2 IPM模塊及驅動

智能模塊IPM方便和簡化了微控制器和被控對象之間聯(lián)系關系，IPM模塊及驅動自身保護機能，如電流保護、電壓保護、溫度保護等，提高了系統(tǒng)的可靠性。IPM電路圖如圖7所示。圖中:IC8為 IPM FSBB20CH60;C31、C35、C37為自舉電容 0．22 μF/50 V;C41為故障脈寬定時電容(陶瓷材料)0．022μF/50 V;C42為去耦電容0．22μF/50 V;C43為控制電源濾波電容33μF/35 V;C47為短路采樣RC濾波3 300 pF;R46為短路電流大小限制電阻0．082Ω。

圖5 系統(tǒng)框圖

圖6 SPMC75F2313A控制系統(tǒng)電路圖

2．3 IPM出錯信號的處理

IPM出錯信號處理是對系統(tǒng)運行時不正常狀況下的自我的保護功能，它采用軟件處理的同時，用硬件控制來加強的方法，并設計了一個“保護鎖”，一旦IPM智能模塊軟件檢測到IPM出錯，硬件電路會立即自動切斷送往IPM的驅動信號，同時向MCU申請中斷要求控制器及時處理故障。故障消除以后，MCU重新使能信號輸出才能使IPM再次的工作起來。硬件保護電路見圖8。

2．4 位置檢測電路

圖7 IPM電路圖

位置偵測對直流無刷電動機(BLDC)的驅動轉子位置的檢測，因為直流無刷電動機的換相是依據(jù)轉子的位置來的，轉子現(xiàn)在的位置將決定下個激磁相，所以換相完全是由轉子位置來決定的。三相帶霍爾傳感器的BLDC電機控制。有些直流無刷電動機內(nèi)部就已經(jīng)安裝了用于位置檢測的霍爾傳感部分來方便電動機的驅動，本設計選用了帶有霍爾傳感器的直流無刷電動機。如圖9霍爾傳感位置檢測電路原理圖的設計。

2．5 隔離驅動

為了保護MCU微控制器部分這里實施了高壓直流IPM部分和MCU部分的電氣隔離［15］，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定和可靠性，控制系統(tǒng)和IPM之間用光耦來隔離驅動。光耦來隔離驅動電路原理圖，如圖10所示。

光耦兩邊必須使用不同的電源才能達到隔離的效果，否則不能起到電氣隔離的作用。光耦建議選擇快速光耦，如果對載波的頻率要求的不是特別高的話，也可以考慮選擇PC817/TLP521等，來降低成本。

2．6 485 通信電路

SPMC75系列微控制器內(nèi)置一個UART模塊，與485連接實現(xiàn):接收數(shù)據(jù)，將外部設備串行數(shù)據(jù)進行轉換為并行數(shù)據(jù);發(fā)送數(shù)據(jù)，將并行數(shù)據(jù)轉換為串行數(shù)據(jù)，對外發(fā)送。485通信接口電路如圖11。

圖9 霍爾傳感位置檢測

圖10 光隔離驅動電路原理圖

圖11 485通信接口

圖12 開關電源變換電路

本模塊:

·可編程的收發(fā)波特率;

·可進行偶校驗、奇校驗或禁止校驗;

·停止位可設置為1位或2位;

·支持發(fā)送中斷;

·支持接收中斷;

·高抗噪聲能力的數(shù)據(jù)接收(接收中連續(xù)進行3次采樣，并進行多數(shù)決策);

·在接收中進行幀校驗和奇偶校驗;

·溢出檢測;

·波特率可在1 200 b/s到115 200 b/s間編程設定;

·可獨立激活發(fā)送/接收功能。

2．7 開關電源變換

圖12是系統(tǒng)的開關電源變換部分，這部分是由TOP233Y構成的開關電源變換電路。經(jīng)開關變換后，再通過穩(wěn)壓后，為系統(tǒng)提供CPU供電的5 V電源和IPM部分工作的15 V，5 V驅動電源。

3 軟件流程

主程序主要完成系統(tǒng)必要的初始化，而對電動機的實時處理基本上是在中斷中完成的，其中涉及到的中斷主要實現(xiàn):IRQ0的錯誤輸入和輸出中斷、IRQ1的PDC和TCV中斷、IRQ6的UART RXD中斷及CMT0的定時中斷。如圖13所示主程序設計流程圖。

中斷子流程實現(xiàn):故障輸入、輸出短路、PDC、TCV、RXD和CMT0等中斷協(xié)助完成了對BLDC的啟動、運行、速度調(diào)節(jié)和錯誤保護的控制。其中如果使用默認各個中斷源的使用都按照初始化設置已經(jīng)相應的固定下來。這里只對PDC、TCV中斷流程示出。PDC、TCV中斷操作流程見圖14。

圖13 主程序設計流程圖

圖14 PDC、TCV中斷操作流程

4 測試

圖15為SPMC75F2313A單片機控制U相輸出的不同占空比的PWM波形圖。

圖15 不同占空比的PWM波形圖

5 結語

本文對凌陽16位變頻芯片SPMC75F2313做了簡單的介紹，并對其輸出變頻PWM信號原理進行解釋，設計了利用該技術產(chǎn)生PWM波形控制三相直流無刷電動機的驅動和調(diào)速電路及軟件，并進行了實驗測試，相關控制信號和驅動信號輸出正常，驗證了原理的可行性。隨著越來越多的魷釣漁業(yè)生產(chǎn)企業(yè)和科研單位開始對魷釣機關心，遠洋捕撈裝置魷釣機三相直流無刷電動機變頻控制電路設計不斷深入，研制出高水平、可推廣使用的魷釣工具指日可待。一旦我國自主研制的魷釣機得以推廣使用，那么國內(nèi)海洋漁業(yè)的生產(chǎn)總值將會翻倍增長。而三相直流無刷電動機變頻控制電路是魷魚釣機的神經(jīng)網(wǎng)絡，可使魷釣機這一機械產(chǎn)品電氣化、自動化，降低漁民勞動強度，提高生產(chǎn)效率。

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