上海交通大學(xué)自動(dòng)化系吳秋軒許繼保護(hù)及自動(dòng)化事業(yè)部理玉華丹陽中核蘇閥蝶閥有限公司毛文學(xué)motionchip智能伺服驅(qū)動(dòng)加氫反應(yīng)器超聲檢測(cè)成像系統(tǒng)在傳統(tǒng)的電機(jī)伺服控制裝置中，一般采用一個(gè)或多個(gè)單片機(jī)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(fù)雜，計(jì)算速度慢，從而導(dǎo)致控制效果不理想。近年來，許多新的電機(jī)控制算法被研究并運(yùn)用于電機(jī)控制系統(tǒng)中，如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。隨著這些控制算法的日益復(fù)雜，必須具備高速運(yùn)算能力的處理器才能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算和控制11.為了適應(yīng)這種需要，國(guó)外許多公司開發(fā)了控制電機(jī)專用的高檔單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）?，F(xiàn)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(guī)?？删幊踢壿嬈骷M成，這種方案可以根據(jù)不同需要，靈活的設(shè)計(jì)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(zhǎng)。

motionchip是瑞士technosoft公司開發(fā)的一種高性能且易于使用的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制芯片用16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，其具有高速的運(yùn)算能力和專為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的外圍接口電路。motionchip很好的利用了該dsp的優(yōu)點(diǎn)，并集成多種電機(jī)控制算法于一身，以簡(jiǎn)化用戶設(shè)計(jì)難度為目的，設(shè)計(jì)成為一種新穎的電機(jī)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(yōu)點(diǎn)，它是一種為各種電機(jī)類型進(jìn)行快速和低投人設(shè)計(jì)全數(shù)字、智能驅(qū)動(dòng)器的理想核心處理器。具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖有如下特點(diǎn)a：可用于控制5種電機(jī)類型：直流有刷/無刷電機(jī)、交流永磁同步電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，且易于嵌人到用戶的硬件結(jié)構(gòu)中；可以選擇獨(dú)立或主從方式工作，并可根據(jù)需要，設(shè)置成通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行多伺服控制器協(xié)同工作；全數(shù)字控制環(huán)的實(shí)現(xiàn)，包括電流/轉(zhuǎn)矩控制環(huán)、速度控制環(huán)、位置控制環(huán)；可實(shí)現(xiàn)各種命令結(jié)構(gòu)：開環(huán)、轉(zhuǎn)矩、速度、位置或外環(huán)控制，步進(jìn)電機(jī)的微步進(jìn)控制，并可實(shí)現(xiàn)控制結(jié)構(gòu)的配置，其中包括交流矢量控制；可以配置使用各種運(yùn)動(dòng)和保護(hù)傳感器（位置、速度、電流、轉(zhuǎn)矩、電壓、溫度等）；使用各種通訊接口，可以實(shí)現(xiàn)rs232/rs485通訊、can總線通訊；studio高級(jí)圖形編程調(diào)試軟件：可通過rs232快速設(shè)置，調(diào)整各參數(shù)與編程運(yùn)動(dòng)控制程序。其功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)語言包括：34種運(yùn)動(dòng)模式、判決、函數(shù)調(diào)用，事件驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制、中斷。因此便于開發(fā)和使用。

利用vc/vb實(shí)現(xiàn)pc機(jī)控制；也可以與labview和plc無縫連接，通過動(dòng)態(tài)鏈接庫，用戶可以在上層開發(fā)電機(jī)的控制程序，研究控制策略。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)心，直流無刷電機(jī)/有刷電機(jī)/永磁同步電機(jī)為控制對(duì)象進(jìn)行伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)指標(biāo)為：適應(yīng)12-36v寬范圍直流母線電壓輸入，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5v邏輯電源輸人，最大輸出電流3a，峰值電流6a.在進(jìn)行伺服控制器設(shè)計(jì)之前，根據(jù)motionchip的特點(diǎn)和伺服電機(jī)的特性進(jìn)行總體功能設(shè)計(jì)如下：采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的三環(huán)結(jié)構(gòu)；三環(huán)都采用pid調(diào)節(jié)器；電機(jī)參數(shù)設(shè)置采用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和工程整定相結(jié)合的辦法；具有通用伺服控制器接口，并可利用提供的人機(jī)接口進(jìn)行獨(dú)立參數(shù)設(shè)置，有網(wǎng)絡(luò)通訊接口方便外部監(jiān)視和控制。

伺服系統(tǒng)的總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為：motionchip最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、電流反饋檢測(cè)、外部控制接口，通訊接口等，如所示。伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件結(jié)構(gòu)分為2個(gè)主要部分：驅(qū)動(dòng)電路部分：主要包括逆變橋、前置驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)；控制電路部分：包括反饋檢測(cè)、外部控制接口、通訊接口、motionchip最小系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)tml運(yùn)動(dòng)指令。該eeprom的存儲(chǔ)容量為8kx 8bit，最大時(shí)鐘頻率可達(dá)5mhz.由于在motionchip正常運(yùn)行時(shí)指令訪問時(shí)間21ns，所以為了使程序高速有效的運(yùn)行，增加了2片32可x8ut的靜態(tài)ram：asc256-12c，該sram的存取時(shí)間為12ns，所以motionchip對(duì)該芯片的存取數(shù)據(jù)時(shí)不需要插人等待狀態(tài)。并且該sram具有較低的活躍功耗，在待態(tài)時(shí)可自動(dòng)進(jìn)人更加低功耗的節(jié)能狀態(tài)。motionchip芯片本身提供了電機(jī)控制專用的接口，包括6路pwm信號(hào)，在使用中可以配置作為三相電變橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)保護(hù)中斷pdpint有效或電機(jī)使能信號(hào)enable無效時(shí)，6路pwm信號(hào)立即進(jìn)人高阻狀態(tài)，使逆變橋全部截至，電機(jī)停轉(zhuǎn)。另外，motionchip為個(gè)pwm輸出對(duì)提供了可編程死區(qū)時(shí)間設(shè)置m02ms），所以不需要外部的死區(qū)邏輯電路。碼盤反饋信號(hào)接口有￡抓八廁015，￡1，其中enca和encb是相位差90°的脈沖信號(hào)，encz是碼盤清零信號(hào)。motionchip可以對(duì)enca和encb信號(hào)ffi行四倍頻和辨向，然后送人增量式計(jì)數(shù)腧十?dāng)?shù)產(chǎn)生電機(jī)的位置信號(hào)，碼盤清零信號(hào)encz可對(duì)計(jì)數(shù)誤差進(jìn)行修正。電機(jī)霍爾反饋信號(hào)hall1，hall2，hall3，是為直流無刷電機(jī)/永磁同步電機(jī)進(jìn)行定位磁極設(shè)計(jì)的。其它重要引腳如dir、pulse直接作為電機(jī)脈沖指令的輸入接口；lsp，lsnbi用來擴(kuò)展作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)左、右限位事件的撤輸入。motiqnchip有2個(gè)10位的a/d轉(zhuǎn)換器，每個(gè)都內(nèi)建了采樣保持電路，最快采樣速率可達(dá)10khz.模擬信號(hào)的輸人范圍通過motionchip電平輸入管腳vreflo和vrefhi確定。motionchip可以工作在獨(dú)立運(yùn)行和從屬運(yùn)行。motionchip的運(yùn)行方式是通過檢測(cè)引腳autorun進(jìn)行工作方式選擇的，該引腳接高電平，motionchip工作在從屬方式，接低電平工作在獨(dú)立運(yùn)行方式。在獨(dú)立方式的工作條件下，motionchip上電后，先檢測(cè)到autorun的低電平，進(jìn)人獨(dú)立運(yùn)行方式；然后自動(dòng)從spi串行eeprom中的開始執(zhí)行tml程序d驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要包括2個(gè)環(huán)節(jié)：電機(jī)pwm驅(qū)動(dòng)電路和電流檢測(cè)。

電機(jī)pwm驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路本電路中，無刷直流電機(jī)采用全橋驅(qū)動(dòng)，這樣可以使電機(jī)工作于四象限（正向驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)及反向驅(qū)動(dòng)。制動(dòng)）。驅(qū)動(dòng)一個(gè)無刷直流電機(jī)需要6路pwm信號(hào)，而motionchlp的每個(gè)事件管理模塊（ev）中3個(gè)帶可編程死區(qū)控制的比較單元可以產(chǎn)生獨(dú)立的3對(duì)共6路pwm信號(hào)。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(chǎn)生6路所需要的pwm信號(hào)，其輸出弓丨腳為pwm7pwm12，其中pwm7~pwm9輸出設(shè)為驅(qū)動(dòng)m 0sfet功率管橋路的上半橋，pwm10-pwm12輸出驅(qū)動(dòng)下半橋。dsp輸出的這兩種3路pwm信號(hào)經(jīng)過ir2102前置放大后分別驅(qū)動(dòng)mosfet功率管橋路的上半橋（ql，q3，q5）和下半橋（q2，q4，q6）進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

電流檢測(cè)（b）電壓放大電路電流檢測(cè)原理圖電機(jī)電流檢測(cè)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(hào)相結(jié)合，可以控制mosfet或igbt的柵極驅(qū)動(dòng)芯片并最終調(diào)整電機(jī)速度。

如果要實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，還必需進(jìn)行電流監(jiān)控，不過對(duì)于低端應(yīng)用而言，傳統(tǒng)的過流保護(hù)卻顯得過于昂貴。電流采樣的方案是在逆變橋的下橋臂串一0.027（2采樣電阻如（a），采樣電流范圍為0~6.22a，采樣后的電壓放大倍數(shù)為14.63倍，放大電路如（b），并經(jīng)2.5v電壓抬升輸入dsp，所以輸人dsp的電流模擬電壓量為：應(yīng)用加氫反應(yīng)器超聲檢測(cè)成像系統(tǒng)是一套適用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的加氫反應(yīng)器堆焊層剝離超聲檢測(cè)成像系統(tǒng)134，實(shí)現(xiàn)加氫反應(yīng)器堆焊層層間剝離的在役半自動(dòng)超聲掃查，檢測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)、分析與評(píng)判，同時(shí)該系統(tǒng)對(duì)不同直徑的加氫反應(yīng)器有一定的適用性。

加氫反應(yīng)器剝離成像系統(tǒng)的控制系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)二維的運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)51，從系統(tǒng)要求的性能指標(biāo)來看，控制系統(tǒng)需要滿足如下指標(biāo)：水平掃查速度可達(dá)6mm/s無級(jí)可調(diào)；垂直掃查速度達(dá)300mm/s無級(jí)可調(diào)；能夠?qū)崿F(xiàn)粗掃查和精密掃查，對(duì)指定的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精密掃查；系統(tǒng)的控制方式分為手動(dòng)/自動(dòng)，兩者之間可以切換；上的運(yùn)動(dòng)誤差<±1mm.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由此選擇了上述設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，具有體積小，性能高，控制簡(jiǎn)單，價(jià)格低，但是每個(gè)只能控制一個(gè)電機(jī)。

若要兩臺(tái)電機(jī)協(xié)同控制，則須通過rs485總線將其連接起來?？刂葡到y(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如所示。x向電機(jī)用來控制絲杠的運(yùn)動(dòng)：選用ec-max32，無刷70w+減速器為行星輪減速箱（速比為23，型號(hào)為gp 32c〉+碼盤（三通道500線）。y方向電機(jī)用來控制探頭的運(yùn)動(dòng)，采用re-32，有刷80w+減速器為行星輪減速箱，型號(hào)為gp42c（速比為33）+碼盤（三通道500線）。示出硬件連接圖。

硬件連接圖控制系統(tǒng)的軟件是基于vc ++和motionchip的動(dòng)態(tài)鏈接庫設(shè)計(jì)的i6''軟件主要完成對(duì)探頭位置的運(yùn)動(dòng)控制，如。用戶操作界面功能有：參數(shù)設(shè)置與顯示模塊主要是設(shè)置一些系統(tǒng)參數(shù)（如掃查長(zhǎng)度，探測(cè)寬度）和控制參數(shù)（如速度參數(shù)、加速度參數(shù)等）；任何時(shí)刻，控制程序都時(shí)刻監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)故障做出相應(yīng)的處理。

軟件部分包括x向運(yùn)動(dòng)和y向的掃查運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理，手動(dòng)控制，故障處理，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示及故障顯示等。操作界面（gui）給予清晰、簡(jiǎn)單的用戶界面，方便用戶調(diào)試、運(yùn)行，同時(shí)能夠?qū)⑺欧?qū)動(dòng)器傳遞過來的信息顯示出來，便于監(jiān)控。任務(wù)編程模塊將要實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的規(guī)劃，如x軸向和y軸向運(yùn)（id）位置誤差（mm）測(cè)試曲線動(dòng)等，包括故障查詢、處理。

智能伺服驅(qū)動(dòng)器性能的好壞直接決定整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗，為此用一直流電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行測(cè)試，電機(jī)的電流和位置誤差如（a）、（b）所示，從中可以看出，驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)間只有0.12s，位置誤差很小。通過對(duì)通訊速度及上位機(jī)控制命令的測(cè)試顯示，在實(shí)時(shí)性要求不是非常嚴(yán)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(tǒng)需求的。

結(jié)語本文基于一類新穎的專用伺服控制芯片motionchip，進(jìn)行了伺服控制器設(shè)計(jì)和實(shí)踐研究，并設(shè)計(jì)了一個(gè)功能較為完善的直流無刷伺服驅(qū)動(dòng)器的原型。將該控制器運(yùn)用到加氫反應(yīng)器超聲檢測(cè)成像系統(tǒng)中對(duì)二維的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，保證了整個(gè)系統(tǒng)取得良好的性能。motionchip這種多功能專用的運(yùn)動(dòng)控制芯片不僅簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，而且具有很好的開放性和網(wǎng)絡(luò)性，對(duì)中小型項(xiàng)目是非常理想的設(shè)計(jì)方案。