小型化智能控制驅動器研發

宋正起 王燕 昆明人月科技有限公司

引言

進入21世紀后，智能驅動器進入飛速發展階段，在軍事、工業和服務等諸多領域都得到了廣泛的應用。就目前而言大多數智能控制驅動器的體積較大，在安裝及攜帶時有諸多不方便因素，特別是在運行環境復雜、現場控制艱難的條件下，導致在部分智能控制效果不佳，不能達到預期的目的和效果，成為行業中較難客服的問題之一。

基于上述眾多因素，本次研究在前人基礎上，創新實施微型化智能控制驅動器，克服了以往諸多問題，同時突出本項目中控制和驅動一體化、智能化的特點，控制器中將融入先進非線性控制策略，以提升控制系統的動態特性、穩態精度和各種魯棒性能。

1 驅動及控制技術研究

控制器與驅動器之間有緊密關系，兩者之間形成緊密默契的關系，才能有效提高工作效率，此次所使用技術主要如下所述。

1.1 驅動技術研究

此次研究所用的驅動器在實現高功率密度比的同時，將兼容各種形式的執行機構，包括有刷直流電機、無刷直流電機BLDC、永磁同步電機PMSM等；針對各種類型的伺服傳感器，如霍爾傳感器、增量式編碼器、絕對式編碼器等提供匹配接口。

驅動器為各種應用目的和環境提供不同的電機控制算法，如SPWM控制、SVPWM控制、6步換向控制、磁場定向控制FOC等。本項目同時開發與小型化智能控制驅動器相關的WINDOWS集成調試界面，為伺服控制和運動控制工程師提供符合人機工程的高效調試體驗，降低工程師的調試工作強度，并免除對復雜控制理論的掌握要求，確保大多數工程師可以高效率開發出高性能的控制系統。此次研究驅動方式主要采用單電壓功率、雙電壓功率、高低壓功率、斬波恒流及細分驅動多種方式結合，以達到更好的效果。

1.2 控制器技術研究

近年來我國在微電子技術、計算機技術、控制理論研究、數字信號處理技術等方面逐漸與國際接軌，這為小型化智能控制驅動器的研發提供了強有力的支撐。此次研究涉及控制器硬件和電機驅動電路硬件研發、電機控制算法工程應用研究、先進控制算法研究、應用軟件界面開發等。此次研究所用到的控制器在前人研究基礎上，進行了相關創新和總結，主要采用數字信號處理器DSP、現場可編程門陣列FPGA、單片機MCU、PC104工控機等相關硬件及其外圍電路開發；此外在電機驅動電路硬件研發方面也進行了創新。

在電機控制算法工程應用中對諸如SPWM控制方式、SVPWM控制方式、6步換向控制方式、磁場定向控制FOC方式進行了相關樣機驗證；先進控制算法研究方面與高校進行廣泛交流，同時跟蹤科研機構的先進控制算法工程應用情況，在此次研究中融入和測試了先進非線性控制算法、擾動補償算法、電機轉動動態規劃高精度定位控制算法、時間滯后系統補償算法。

2 小型智能驅動器控制方案

小型智能驅動器控制方案的主要模式如圖1所示，主要有硬件和軟件兩部分，主要的方案內容如下所述。

圖1 微型智能控制驅動方案

此次研究所用到的硬件設施及主要技術指標如下表1所示。

表1 所需硬件及技術指標

在以上驅動器中，MCU主要完成輸入信號處理、零脈沖檢測、與驅動芯片通訊等一系列功能，電位器調節步進電機工作時電流。以及完成與外部的通訊、脈沖平滑給定、傳感器事件控制、閉環控制、與驅動芯片通訊等功能，EEPROM執行數據存儲功能。

此次研究在軟件方面的研究主要在結合Windows操作，中斷為定時中斷，周期為60μm。將軟件集合在Windows控制系統監視和參數調整界面，達到方便控制的目的。

3 結論

此次研究是基于智能控制的微型驅動器，驅動器內部自帶步進電機驅動芯片，通過單片機對外部的信號進行處理，同時還可以做升降速曲線及錯誤檢測等一系列的功能，大大提高了微型驅動器的工作性能。由于硬件較簡單，所以占據很小的體積，達到了節約空間的目的。