基于TPS40060直流电机伺服控制系统-专业论文-自动化应用案例

基于TPS40060直流电机伺服控制系统

发布日期：2021-02-16 来源：《变频器世界》20-11期作者：陈著明吴启俊浏览次数：13327

分享到：

【摘　要】：为了提升直流有刷伺服控制系统快速动态性能，本文提出了基于TPS40060直流伺服控制系统设计的一种新方法。该系统采用TPS40060电压同步控制器作为电流环，STM32单片机为设计数字位置闭环和速度闭环，构成位置、速度、电流三闭环直流伺服系统，满足快速动态性能响应控制系统性能需求。

关键词：直流伺服系统；TPS40060；电机PID

Abstract: In order to improve the fast-dynamic performance of the DC brush servo control system, this paper proposes a new method based on the design of the TPS40060 DC servo control system. The system uses TPS40060 voltage synchronization controller as the current loop, and STM32 single-chip microcomputer is designed to design digital position closed loop and speed closed loop to form a position, speed, and current three closed loop DC servo system to meet the performance requirements of the fast-dynamic performance response control system.

Key words: DC servo system; TPS40060; Motor PID

1 直流电机调速控制原理

直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续旋转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。

直流电机的转速计算公式如下：n=(U-IR)/Kφ，其中n为电机转速，U为电枢电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为励磁磁通，K为电动机结构决定的电势参数。由公式可以看出，调节电动机的转速有三种方法：（1）调节电枢电压U；（2）减弱励磁磁通φ；（3）改变电枢电路总电阻R；对于要求在一定范围内无级平滑调试的系统来说，调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速^[1]。因此，直流电机调速控制系统通常以调压调速为主。

2 TPS40060的工作原理

TPS40060是TI公司的一款宽电压同步降压控制器产品，该器件是一种具有宽输入电压范围（10V-55V）的高电压同步降压控制器，最大输出电流10A。同时该器件提供了多种可设计功能，包括软启动、欠压锁定、频率调节、电压前馈、主功率管电流限制和环路补偿等。

TPS40060内部还包含外部PMOSFET和NMOSFET驱动整流器；门驱动逻辑包含反交叉导通电路，防止同时导通高端P MOSFET和低端N MOSFET，烧坏MOSFET和TPS40060器件。芯片详细内部框图在参考文献[2]中给出，在此主要介绍各引脚见附表所示。

3 硬件电路设计

TPS40060直流电机伺服控制系统如图1所示。该系统由单片机控制单元、电压驱动控制模块、TPS40060电压转换模块、电机驱动模块和电机编码器组件模块构成。单片机输出PWM波控制信号、电机方向控制和编码器信号采集；电压驱动控制模块把PWM波信号转换为电压信号与电机驱动模块电流采用信号进行比较，输出VFB电压控制量；TPS40060电压转换模块，根据VFB控制信号，控制电机驱动模块电压大小；电机驱动模块对电机电流进行采用、电机方向控制和电压转速控制；电机编码器组件模块编码信号反馈用于速度闭环控制。

图1 TPS40060直流电机伺服控制系统框图

3.1 TPS40060电压转换模块

图2 TPS40060电源控制电路图

3.2 电压控制模块

电压控制模块电路见图3所示。单片机PWM波形信号经过一个电压跟随器网络，具有电源隔离和提高负载驱动作用；后级通过电机电流采样分压和比例微分电路控制TPS40060电压转换模块。

图3 电压控制电路图

3.3 电机驱动电路控制电路

单片机通过控制DIR1和DIR2控制电机正反转，DIR1和DIR2不能同时打开，否则烧驱动电路，电源VOUT输出电压控制电机转速快慢，I_ADC电机电阻采样，反馈到电压控制电路，形成硬件电流闭环反馈，D1、D2稳压二极管，维持MOSFET栅极电压稳定。

图4 电机驱动电路

4 软件系统设计

系统软件主要包括主程序和中断服务程序，主程序如图5所示，首先初始化单片机系统时钟、系统状态寄存器、PWM定时器、设置I/O端口、ADC采样等；然后初始化系统参数，PID参数、欠压、过压阈值设定、电机轴转一圈脉冲数等参数设置；再通过死循环，不断检测是否有外部方向控制信号，电流过流信号、ADC采样电压信号是否超过设定阈值。