摘 要： 直流電機位置伺服系統(tǒng)是天然氣發(fā)動機電子調速系統(tǒng)的關鍵組成部分。本文利用Freescale公司的MC9S12型單片機，結合電機位置反饋和電樞電流檢測，研制出了數字式PWM型伺服驅動器。該驅動器充分利用單片機的內嵌資源，實現了位置、速度和電流三閉環(huán)控制策略。
    關鍵詞： 天然氣發(fā)動機  直流電機  位置伺服系統(tǒng)  三閉環(huán)控制

     隨著我國能源緊缺問題的日益嚴峻，在生產實踐中不斷提高能源利用率是大勢所趨。然而我國西部的大部分油田仍然存在伴生天然氣大量放空的現象。為此可以將伴生天然氣經簡單分離處理后直接驅動大功率天然氣發(fā)動機工作，使其帶動發(fā)電機發(fā)電并送入電網，從而提高能源的綜合利用率。因此這種天然氣發(fā)動機及發(fā)電機組將具有十分廣闊的應用前景。
1 系統(tǒng)控制方案
    天然氣發(fā)動機及發(fā)電機組電子調速系統(tǒng)的控制原理如圖1所示。

     上位機發(fā)動機管理系統(tǒng)(EMS)通過接收操作人員的指令，并根據發(fā)動機轉速的反饋信號進行轉速的閉環(huán)控制。上位機的輸出信號為有限轉角直流伺服電機的目標位置信號。
    圖1中，虛線框內部分即為直流電機位置伺服系統(tǒng)，包括驅動器和執(zhí)行器兩部分。執(zhí)行器即直流伺服電機，該伺服電機同天然氣發(fā)動機的蝶型進氣閥門相連接（二者完全同步），隨著電機位置的變化，閥門開度改變，天然氣進氣量發(fā)生變化，從而達到調速的目的。本設計所選用電機的主要參數為：輸出轉角0°～75°，最大輸出轉矩13.6Nm，最大電流20A。
    伺服系統(tǒng)驅動器的功能是正確接收處理電機目標位置信號，并根據電機的反饋信號驅動電機精確跟蹤目標位置。上下位機之間通過4mA～20mA電流環(huán)傳遞目標位置，具有低阻抗傳輸線對電氣噪聲不敏感的特點。

2 硬件設計
    硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。驅動器數字核心采用Freescale公司的MC9S12DG128型單片機，單片機需處理5個模擬量輸入和2個數字量輸出。按照模塊化的思想[1]可以將硬件結構劃分為：電源模塊、數字核心模塊、通訊接口模塊、信號處理模塊以及電機驅動模塊等。 

2.1 信號處理模塊
    (1)電機位置信號和速度信號處理
    電機通過其內置的磁敏轉角傳感器反饋位置信號。位置反饋信號是實現電機伺服控制的基礎，該信號A/D轉換精度越高，轉換結果擾動越小，對電機的精確控制越有利。因此專門為電機位置傳感器設計了精密5V電源，在使用單片機10bit A/D轉換器的情況下取得了良好的效果。將位置信號通過微分電路處理后即得到電機速度信號。
    (2)電機電流信號處理
    電路的核心是高壓線性電流傳感器IR2175，如圖3(a)。它可直接將電流采樣電阻兩端的電壓轉換為相應占空比的PWM信號輸出，該信號既可以被單片機直接處理，也可以通過簡單的濾波處理后變成電壓，由單片機的A/D轉換器處理，從而簡化了電機線電流的檢測電路。
2.2 電機驅動模塊
    電機驅動采用雙極式H型可逆PWM變換器[2]，兩組完全反相的PWM信號由硬件方法得到，即單片機只輸出一路PWM信號，將其通過非門電路后得到與自身反相的另一組信號。高低邊驅動器選擇IR2110。
    雙極式控制方式的缺點之一是容易發(fā)生上下兩管直通的現象，因此在一管關斷和另一管導通之間，利用與門芯片設計了延時電路，如圖3(b)所示，匹配的延時時間為2μs。

3 軟件設計
    系統(tǒng)軟件部分采用分層設計的思想，包括底層驅動層、中斷配置層、電機驅動層和支持層。
    (1)底層驅動層
    該層位于整個軟件結構的最底層，包括如A/D轉換模塊在內的若干模塊，每個模塊都提供了相關的功能實現，并且以頭文件的形式定義了函數接口，這樣電機驅動層和支持層就可以直接調用相關功能函數。因為需要對單片機內部寄存器進行配置，本層程序完全采用手寫代碼。
    (2)中斷配置層
    對中斷的配置搭建起了整個軟件系統(tǒng)的框架，軟件系統(tǒng)通過一套有條不紊工作的中斷體系將所需的各種功能包括進來。本設計采用位置伺服系統(tǒng)最經典的位置、速度和電流三閉環(huán)控制策略[3]，如圖4所示。其中位置環(huán)和速度環(huán)為外環(huán)，電流環(huán)為內環(huán)，定時中斷周期分別為5ms和1ms。試驗表明，內環(huán)的控制周期從2ms縮短至1ms對控制效果有一定改善，但小于1ms的控制周期改善效果已不明顯，還給單片機的計算速度提出了更高的要求。

 
    此外還要強調MC9S S12單片機中斷嵌套的實現，這里涉及的中斷都是可屏蔽中斷。如果不采用軟件方面的特殊處理，則會有如下情況出現：當CCR(Condition Code Register)寄存器的I-bit在進行中斷處理中被自動置高時，任何其他中斷都不能打斷當前的中斷服務程序，即使當前的中斷優(yōu)先級較低，即單片機默認的中斷配置不支持中斷嵌套；相反，如果強制將I-bit置低，則允許低優(yōu)先級的中斷服務程序打斷高優(yōu)先級的中斷[4]。理想的中斷關系應為高優(yōu)先級的中斷可以打斷低優(yōu)先級的中斷，反之則不然。解決該問題的思路是，首先將CCR的I-bit置低，之后在任何中斷服務程序執(zhí)行前先關閉低于其優(yōu)先級的所有中斷，這樣便只有高優(yōu)先級的中斷才能給予處理，最后在此次中斷服務程序結束之前，再將中斷的狀態(tài)恢復即可。

    (3)電機驅動層
    三閉環(huán)控制的每一環(huán)均采用了數字增量式PID控制算法，電機驅動層主要完成這部分的PID計算任務及根據前面的計算結果輸出相應的電機驅動PWM信號。為提高控制精度，充分利用該單片機的硬件資源，通過設置PWMCTL寄存器，將其中2個8-bit PWM輸出通道合并為1個16-bit PWM輸出通道[5]。
    (4)支持層
    這部分軟件主要基于串口通訊為用戶提供一個簡單易用的交互接口，包括驅動器的控制參數設置都可以在這一層面上進行。
4 試驗結果
    圖5為通過FreeMASTER軟件監(jiān)控得到的電機空載階躍響應曲線，其中粗實線為電機目標位置，淺色虛線為實際位置?？梢钥吹诫姍C在階躍響應過程中超調量小，反應迅速靈敏。

 
    此外還進行了電機在慣性負載和彈性負載下的試驗，同樣取得了良好的效果：電機在固定位置時具有相當高的硬度及穩(wěn)定性，也能夠在目標位置信號的連續(xù)變化過程中準確地進行跟隨，達到了設計要求。
    本文討論了應用在天然氣發(fā)動機電子調速系統(tǒng)中的直流電機位置伺服系統(tǒng)驅動器軟硬件設計。經驗證，自主研發(fā)的這套系統(tǒng)具有較強的控制精度和穩(wěn)定性，能夠成功地應用于天然氣發(fā)動機及發(fā)電機組的實際生產，在當前外國產品壟斷的市場中具有較強的競爭力。