基于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉冠達(dá)　莫波　曾龍　祝海文　林勁

摘 要：在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，通常利用無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）控制系統(tǒng)來(lái)模擬或復(fù)現(xiàn)飛行器在滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航三個(gè)自由度上的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。文章設(shè)計(jì)了一種附帶保護(hù)功能的三閉環(huán)控制方式的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，尤其適用于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)各框架電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的精確控制。

關(guān)鍵詞：三軸轉(zhuǎn)臺(tái)；BLDCM控制系統(tǒng)；ADSP21363

三軸轉(zhuǎn)臺(tái)一般用于驗(yàn)證制導(dǎo)控制系統(tǒng)技術(shù)性能，評(píng)估制導(dǎo)控制系統(tǒng)儀器誤差，補(bǔ)充制導(dǎo)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，改進(jìn)現(xiàn)有制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。而三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)多采用附帶保護(hù)功能的三閉環(huán)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，外環(huán)為位置環(huán)，中環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。位置環(huán)反饋由高相對(duì)精度的光電編碼器和高絕對(duì)精度旋轉(zhuǎn)變壓器組合獲得，能驗(yàn)證系統(tǒng)的跟蹤性能，調(diào)節(jié)周期實(shí)時(shí)架構(gòu)需求。速度環(huán)反饋由位置環(huán)編碼器四倍頻值進(jìn)行滑動(dòng)微分后得到，調(diào)節(jié)周期與位置環(huán)相同，用于抑制負(fù)載擾動(dòng)和轉(zhuǎn)速波動(dòng)，保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。電流環(huán)設(shè)計(jì)多選用PI、滯環(huán)、參考電流估計(jì)等智能控制方式，調(diào)節(jié)周期50～100us。圖1為基于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的單軸無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

1 硬件功能模塊

基于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件模塊主要包括：CPU控制模塊、總線通訊模塊、BLDCM驅(qū)動(dòng)模塊、反饋信號(hào)調(diào)理模塊等。

1.1 CPU核心控制模塊

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)采用一片DSP加雙CPLD作為BLDCM控制系統(tǒng)的核心，將主要的邏輯功能與時(shí)序控制交由兩片CPLD完成，實(shí)時(shí)控制、智能算法等計(jì)算功能交由DSP處理。DSP控制模塊，采用3.3V供電的ADSP21363作為主控制器，32位/40位浮點(diǎn)處理器，時(shí)鐘頻率可達(dá)333MHz，可進(jìn)行復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理；CPLD1、CPLD2均為Altera 的可編程邏輯器件 EPM1270T144C5，分別控制總線通信、電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)，AD采集、編碼器計(jì)數(shù)等，圖2為BLDCM控制系統(tǒng)原理圖。

圖2 BLDCM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 高速同步AD轉(zhuǎn)換模塊

本系統(tǒng)中，電流環(huán)最小調(diào)節(jié)周期設(shè)計(jì)為50us，頻率20kHz，而ADS8365的采樣頻率為250kHz，足以勝任無(wú)刷直流電機(jī)電流環(huán)采樣需求[1]。通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)找到合適的采樣點(diǎn)后，采樣周期僅需等同于電流環(huán)最小調(diào)節(jié)周期即可，相電流采集屬于對(duì)AD采樣頻率及精度要求較為苛刻的子系統(tǒng)之一。

1.3 保護(hù)模塊

保護(hù)模塊則包括：直流側(cè)電源的欠壓、過(guò)壓檢測(cè)，母線及三相橋路的過(guò)流檢測(cè)，PTC熱敏電阻的溫度檢測(cè)，絕對(duì)位置及超速監(jiān)測(cè)。

1.4 BLDCM驅(qū)動(dòng)模塊

功率驅(qū)動(dòng)模塊：主要由三相無(wú)刷直流控制集成電路UCC2626、功率器件驅(qū)動(dòng)芯片IR2130、大功率開(kāi)關(guān)器件MOSFET組成的三相逆變橋，以及相應(yīng)的傳感器和光耦隔離器件構(gòu)成[2]。

2 信號(hào)調(diào)理反饋系統(tǒng)

反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)是BLDCM控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，因?yàn)楦咚倬珳?zhǔn)可靠的反饋信號(hào)采集轉(zhuǎn)換能力是保障實(shí)現(xiàn)BLDCM實(shí)時(shí)控制的核心。BLDCM反饋系統(tǒng)主要包含：基于編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器的雙閉環(huán)反饋、等效相電壓反饋、三相及母線電流反饋等。

2.1 雙閉環(huán)位置反饋

位置反饋系統(tǒng)包含旋轉(zhuǎn)變壓器與光電編碼器。其中，旋轉(zhuǎn)變壓器經(jīng)角位變送處理?yè)碛?6位分辨率，用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電機(jī)上電后回歸絕對(duì)零位、位置監(jiān)測(cè)；光電編碼器固連于電機(jī)尾部，結(jié)合復(fù)雜的DSP及CPLD四倍頻邏輯，用于高速精準(zhǔn)測(cè)量相對(duì)增量式位置，得出32位有符號(hào)整型的位置信息數(shù)字量。旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在框架端，經(jīng)過(guò)角位變送器處理后的輸出信號(hào)表征各軸框架的單圈（0°～360°）絕對(duì)位置，兼?zhèn)鋽?shù)字量（RS422差分接口）和模擬量（0～10V）。數(shù)字量可以設(shè)置成按指定頻率連續(xù)輸出，選擇一路串口完成通信即可；模擬量需在自研驅(qū)動(dòng)板中將0～10V信號(hào)精確轉(zhuǎn)換為0～5V，經(jīng)AD采集提取后使用。

2.2 相電壓反饋

圖3為BLDCM相電壓檢測(cè)原理圖，無(wú)刷直流電機(jī)等效電路如左上方的Y接等效電路部分所示，無(wú)刷電機(jī)定子繞組大多為Y接且中性點(diǎn)N不引出。基于線電壓的采集電路易于與實(shí)際的物理系統(tǒng)銜接，在逆變橋驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)相應(yīng)的功率管開(kāi)通時(shí)，相間電壓近似等于逆變橋直流側(cè)電壓。基于相電壓的采集電路比較復(fù)雜，但對(duì)電機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的推導(dǎo)過(guò)程中，基于相電壓的數(shù)學(xué)模型比線電壓運(yùn)算更為簡(jiǎn)便，且曲線直觀易觀測(cè)，便于理解，因此本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了基于電阻分壓法的等效相電壓采集調(diào)理電路。

2.3 相電流反饋

獲取主電路中三相電流信號(hào)采樣反饋的方式采用電隔離檢測(cè)的霍爾元件法，采樣點(diǎn)選擇PWM脈寬中點(diǎn)[3]。霍爾電流傳感器量程寬、功耗小、壽命長(zhǎng)、安裝方便。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用ACS712x30A，其輸出線性度66mV/A，可測(cè)瞬時(shí)過(guò)載大電流。ACS712x30A的模擬信號(hào)路徑噪聲低，芯片帶寬50kHz，可通過(guò)濾波引腳調(diào)整。階躍電流輸出響應(yīng)上升時(shí)間5us，輸出誤差小于1.5%，溫漂誤差小于4%，內(nèi)部導(dǎo)通電阻1.2mΩ，隔離性能好，5V單電源供電，輸出電壓與交流或直流電流成正比例，2.5V為零點(diǎn)，有效線性輸出范圍為0.5～4.5V。圖4中（a）/（b）分別代表采樣頻率為20kHz時(shí)的三相電壓與三相電流曲線，圖中下方粉色曲線表示測(cè)試時(shí)PWM占空比為40%。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)展開(kāi)了基于自主研發(fā)的配套BLDCM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要從低功耗的CPU控制架構(gòu)、高效率BLDCM驅(qū)動(dòng)模塊、實(shí)時(shí)反饋信號(hào)采集調(diào)理三方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)利用BLDCM控制系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了飛行器在滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航三個(gè)自由度上的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，自主研發(fā)的基于DSP+CPLD架構(gòu)的四路BLDCM驅(qū)動(dòng)板LZ1308A，能獨(dú)立或輔助NI RT實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)完成三軸電機(jī)的實(shí)時(shí)控制功能。LZ1308A適用于控制各種附帶光電編碼器等位置反饋系統(tǒng)的BLDCM，驅(qū)動(dòng)板控制步長(zhǎng)可達(dá)1ms，電流負(fù)載的能力可達(dá)到30A，廣泛適用于類(lèi)似的BLDCM控制場(chǎng)合，有較高實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]Datasheet of ADS8365， Information on http：//www.ti.com/product/ads8365[Z].

[2]譚建成.新編電機(jī)控制專(zhuān)用集成電路與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]李峰.直流無(wú)刷電機(jī)高精度電流采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2010，44（5）.endprint

摘 要：在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，通常利用無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）控制系統(tǒng)來(lái)模擬或復(fù)現(xiàn)飛行器在滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航三個(gè)自由度上的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。文章設(shè)計(jì)了一種附帶保護(hù)功能的三閉環(huán)控制方式的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，尤其適用于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)各框架電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的精確控制。

關(guān)鍵詞：三軸轉(zhuǎn)臺(tái)；BLDCM控制系統(tǒng)；ADSP21363

三軸轉(zhuǎn)臺(tái)一般用于驗(yàn)證制導(dǎo)控制系統(tǒng)技術(shù)性能，評(píng)估制導(dǎo)控制系統(tǒng)儀器誤差，補(bǔ)充制導(dǎo)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，改進(jìn)現(xiàn)有制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。而三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)多采用附帶保護(hù)功能的三閉環(huán)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，外環(huán)為位置環(huán)，中環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。位置環(huán)反饋由高相對(duì)精度的光電編碼器和高絕對(duì)精度旋轉(zhuǎn)變壓器組合獲得，能驗(yàn)證系統(tǒng)的跟蹤性能，調(diào)節(jié)周期實(shí)時(shí)架構(gòu)需求。速度環(huán)反饋由位置環(huán)編碼器四倍頻值進(jìn)行滑動(dòng)微分后得到，調(diào)節(jié)周期與位置環(huán)相同，用于抑制負(fù)載擾動(dòng)和轉(zhuǎn)速波動(dòng)，保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。電流環(huán)設(shè)計(jì)多選用PI、滯環(huán)、參考電流估計(jì)等智能控制方式，調(diào)節(jié)周期50～100us。圖1為基于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的單軸無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

1 硬件功能模塊

基于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件模塊主要包括：CPU控制模塊、總線通訊模塊、BLDCM驅(qū)動(dòng)模塊、反饋信號(hào)調(diào)理模塊等。

1.1 CPU核心控制模塊

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)采用一片DSP加雙CPLD作為BLDCM控制系統(tǒng)的核心，將主要的邏輯功能與時(shí)序控制交由兩片CPLD完成，實(shí)時(shí)控制、智能算法等計(jì)算功能交由DSP處理。DSP控制模塊，采用3.3V供電的ADSP21363作為主控制器，32位/40位浮點(diǎn)處理器，時(shí)鐘頻率可達(dá)333MHz，可進(jìn)行復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理；CPLD1、CPLD2均為Altera 的可編程邏輯器件 EPM1270T144C5，分別控制總線通信、電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)，AD采集、編碼器計(jì)數(shù)等，圖2為BLDCM控制系統(tǒng)原理圖。

圖2 BLDCM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 高速同步AD轉(zhuǎn)換模塊

本系統(tǒng)中，電流環(huán)最小調(diào)節(jié)周期設(shè)計(jì)為50us，頻率20kHz，而ADS8365的采樣頻率為250kHz，足以勝任無(wú)刷直流電機(jī)電流環(huán)采樣需求[1]。通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)找到合適的采樣點(diǎn)后，采樣周期僅需等同于電流環(huán)最小調(diào)節(jié)周期即可，相電流采集屬于對(duì)AD采樣頻率及精度要求較為苛刻的子系統(tǒng)之一。

1.3 保護(hù)模塊

保護(hù)模塊則包括：直流側(cè)電源的欠壓、過(guò)壓檢測(cè)，母線及三相橋路的過(guò)流檢測(cè)，PTC熱敏電阻的溫度檢測(cè)，絕對(duì)位置及超速監(jiān)測(cè)。

1.4 BLDCM驅(qū)動(dòng)模塊

功率驅(qū)動(dòng)模塊：主要由三相無(wú)刷直流控制集成電路UCC2626、功率器件驅(qū)動(dòng)芯片IR2130、大功率開(kāi)關(guān)器件MOSFET組成的三相逆變橋，以及相應(yīng)的傳感器和光耦隔離器件構(gòu)成[2]。

2 信號(hào)調(diào)理反饋系統(tǒng)

反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)是BLDCM控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，因?yàn)楦咚倬珳?zhǔn)可靠的反饋信號(hào)采集轉(zhuǎn)換能力是保障實(shí)現(xiàn)BLDCM實(shí)時(shí)控制的核心。BLDCM反饋系統(tǒng)主要包含：基于編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器的雙閉環(huán)反饋、等效相電壓反饋、三相及母線電流反饋等。

2.1 雙閉環(huán)位置反饋

位置反饋系統(tǒng)包含旋轉(zhuǎn)變壓器與光電編碼器。其中，旋轉(zhuǎn)變壓器經(jīng)角位變送處理?yè)碛?6位分辨率，用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電機(jī)上電后回歸絕對(duì)零位、位置監(jiān)測(cè)；光電編碼器固連于電機(jī)尾部，結(jié)合復(fù)雜的DSP及CPLD四倍頻邏輯，用于高速精準(zhǔn)測(cè)量相對(duì)增量式位置，得出32位有符號(hào)整型的位置信息數(shù)字量。旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在框架端，經(jīng)過(guò)角位變送器處理后的輸出信號(hào)表征各軸框架的單圈（0°～360°）絕對(duì)位置，兼?zhèn)鋽?shù)字量（RS422差分接口）和模擬量（0～10V）。數(shù)字量可以設(shè)置成按指定頻率連續(xù)輸出，選擇一路串口完成通信即可；模擬量需在自研驅(qū)動(dòng)板中將0～10V信號(hào)精確轉(zhuǎn)換為0～5V，經(jīng)AD采集提取后使用。

2.2 相電壓反饋

圖3為BLDCM相電壓檢測(cè)原理圖，無(wú)刷直流電機(jī)等效電路如左上方的Y接等效電路部分所示，無(wú)刷電機(jī)定子繞組大多為Y接且中性點(diǎn)N不引出?；诰€電壓的采集電路易于與實(shí)際的物理系統(tǒng)銜接，在逆變橋驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)相應(yīng)的功率管開(kāi)通時(shí)，相間電壓近似等于逆變橋直流側(cè)電壓?；谙嚯妷旱牟杉娐繁容^復(fù)雜，但對(duì)電機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的推導(dǎo)過(guò)程中，基于相電壓的數(shù)學(xué)模型比線電壓運(yùn)算更為簡(jiǎn)便，且曲線直觀易觀測(cè)，便于理解，因此本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了基于電阻分壓法的等效相電壓采集調(diào)理電路。

2.3 相電流反饋

獲取主電路中三相電流信號(hào)采樣反饋的方式采用電隔離檢測(cè)的霍爾元件法，采樣點(diǎn)選擇PWM脈寬中點(diǎn)[3]?；魻栯娏鱾鞲衅髁砍虒挕⒐男?、壽命長(zhǎng)、安裝方便。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用ACS712x30A，其輸出線性度66mV/A，可測(cè)瞬時(shí)過(guò)載大電流。ACS712x30A的模擬信號(hào)路徑噪聲低，芯片帶寬50kHz，可通過(guò)濾波引腳調(diào)整。階躍電流輸出響應(yīng)上升時(shí)間5us，輸出誤差小于1.5%，溫漂誤差小于4%，內(nèi)部導(dǎo)通電阻1.2mΩ，隔離性能好，5V單電源供電，輸出電壓與交流或直流電流成正比例，2.5V為零點(diǎn)，有效線性輸出范圍為0.5～4.5V。圖4中（a）/（b）分別代表采樣頻率為20kHz時(shí)的三相電壓與三相電流曲線，圖中下方粉色曲線表示測(cè)試時(shí)PWM占空比為40%。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)展開(kāi)了基于自主研發(fā)的配套BLDCM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要從低功耗的CPU控制架構(gòu)、高效率BLDCM驅(qū)動(dòng)模塊、實(shí)時(shí)反饋信號(hào)采集調(diào)理三方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)利用BLDCM控制系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了飛行器在滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航三個(gè)自由度上的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，自主研發(fā)的基于DSP+CPLD架構(gòu)的四路BLDCM驅(qū)動(dòng)板LZ1308A，能獨(dú)立或輔助NI RT實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)完成三軸電機(jī)的實(shí)時(shí)控制功能。LZ1308A適用于控制各種附帶光電編碼器等位置反饋系統(tǒng)的BLDCM，驅(qū)動(dòng)板控制步長(zhǎng)可達(dá)1ms，電流負(fù)載的能力可達(dá)到30A，廣泛適用于類(lèi)似的BLDCM控制場(chǎng)合，有較高實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]Datasheet of ADS8365， Information on http：//www.ti.com/product/ads8365[Z].

[2]譚建成.新編電機(jī)控制專(zhuān)用集成電路與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]李峰.直流無(wú)刷電機(jī)高精度電流采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2010，44（5）.endprint

摘 要：在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，通常利用無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）控制系統(tǒng)來(lái)模擬或復(fù)現(xiàn)飛行器在滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航三個(gè)自由度上的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。文章設(shè)計(jì)了一種附帶保護(hù)功能的三閉環(huán)控制方式的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，尤其適用于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)各框架電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的精確控制。

關(guān)鍵詞：三軸轉(zhuǎn)臺(tái)；BLDCM控制系統(tǒng)；ADSP21363

三軸轉(zhuǎn)臺(tái)一般用于驗(yàn)證制導(dǎo)控制系統(tǒng)技術(shù)性能，評(píng)估制導(dǎo)控制系統(tǒng)儀器誤差，補(bǔ)充制導(dǎo)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，改進(jìn)現(xiàn)有制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。而三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的控制系統(tǒng)多采用附帶保護(hù)功能的三閉環(huán)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，外環(huán)為位置環(huán)，中環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。位置環(huán)反饋由高相對(duì)精度的光電編碼器和高絕對(duì)精度旋轉(zhuǎn)變壓器組合獲得，能驗(yàn)證系統(tǒng)的跟蹤性能，調(diào)節(jié)周期實(shí)時(shí)架構(gòu)需求。速度環(huán)反饋由位置環(huán)編碼器四倍頻值進(jìn)行滑動(dòng)微分后得到，調(diào)節(jié)周期與位置環(huán)相同，用于抑制負(fù)載擾動(dòng)和轉(zhuǎn)速波動(dòng)，保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。電流環(huán)設(shè)計(jì)多選用PI、滯環(huán)、參考電流估計(jì)等智能控制方式，調(diào)節(jié)周期50～100us。圖1為基于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的單軸無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

1 硬件功能模塊

基于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件模塊主要包括：CPU控制模塊、總線通訊模塊、BLDCM驅(qū)動(dòng)模塊、反饋信號(hào)調(diào)理模塊等。

1.1 CPU核心控制模塊

本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)采用一片DSP加雙CPLD作為BLDCM控制系統(tǒng)的核心，將主要的邏輯功能與時(shí)序控制交由兩片CPLD完成，實(shí)時(shí)控制、智能算法等計(jì)算功能交由DSP處理。DSP控制模塊，采用3.3V供電的ADSP21363作為主控制器，32位/40位浮點(diǎn)處理器，時(shí)鐘頻率可達(dá)333MHz，可進(jìn)行復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理；CPLD1、CPLD2均為Altera 的可編程邏輯器件 EPM1270T144C5，分別控制總線通信、電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)，AD采集、編碼器計(jì)數(shù)等，圖2為BLDCM控制系統(tǒng)原理圖。

圖2 BLDCM控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 高速同步AD轉(zhuǎn)換模塊

本系統(tǒng)中，電流環(huán)最小調(diào)節(jié)周期設(shè)計(jì)為50us，頻率20kHz，而ADS8365的采樣頻率為250kHz，足以勝任無(wú)刷直流電機(jī)電流環(huán)采樣需求[1]。通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)找到合適的采樣點(diǎn)后，采樣周期僅需等同于電流環(huán)最小調(diào)節(jié)周期即可，相電流采集屬于對(duì)AD采樣頻率及精度要求較為苛刻的子系統(tǒng)之一。

1.3 保護(hù)模塊

保護(hù)模塊則包括：直流側(cè)電源的欠壓、過(guò)壓檢測(cè)，母線及三相橋路的過(guò)流檢測(cè)，PTC熱敏電阻的溫度檢測(cè)，絕對(duì)位置及超速監(jiān)測(cè)。

1.4 BLDCM驅(qū)動(dòng)模塊

功率驅(qū)動(dòng)模塊：主要由三相無(wú)刷直流控制集成電路UCC2626、功率器件驅(qū)動(dòng)芯片IR2130、大功率開(kāi)關(guān)器件MOSFET組成的三相逆變橋，以及相應(yīng)的傳感器和光耦隔離器件構(gòu)成[2]。

2 信號(hào)調(diào)理反饋系統(tǒng)

反饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)是BLDCM控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，因?yàn)楦咚倬珳?zhǔn)可靠的反饋信號(hào)采集轉(zhuǎn)換能力是保障實(shí)現(xiàn)BLDCM實(shí)時(shí)控制的核心。BLDCM反饋系統(tǒng)主要包含：基于編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器的雙閉環(huán)反饋、等效相電壓反饋、三相及母線電流反饋等。

2.1 雙閉環(huán)位置反饋

位置反饋系統(tǒng)包含旋轉(zhuǎn)變壓器與光電編碼器。其中，旋轉(zhuǎn)變壓器經(jīng)角位變送處理?yè)碛?6位分辨率，用于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)電機(jī)上電后回歸絕對(duì)零位、位置監(jiān)測(cè)；光電編碼器固連于電機(jī)尾部，結(jié)合復(fù)雜的DSP及CPLD四倍頻邏輯，用于高速精準(zhǔn)測(cè)量相對(duì)增量式位置，得出32位有符號(hào)整型的位置信息數(shù)字量。旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在框架端，經(jīng)過(guò)角位變送器處理后的輸出信號(hào)表征各軸框架的單圈（0°～360°）絕對(duì)位置，兼?zhèn)鋽?shù)字量（RS422差分接口）和模擬量（0～10V）。數(shù)字量可以設(shè)置成按指定頻率連續(xù)輸出，選擇一路串口完成通信即可；模擬量需在自研驅(qū)動(dòng)板中將0～10V信號(hào)精確轉(zhuǎn)換為0～5V，經(jīng)AD采集提取后使用。

2.2 相電壓反饋

圖3為BLDCM相電壓檢測(cè)原理圖，無(wú)刷直流電機(jī)等效電路如左上方的Y接等效電路部分所示，無(wú)刷電機(jī)定子繞組大多為Y接且中性點(diǎn)N不引出。基于線電壓的采集電路易于與實(shí)際的物理系統(tǒng)銜接，在逆變橋驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)相應(yīng)的功率管開(kāi)通時(shí)，相間電壓近似等于逆變橋直流側(cè)電壓?；谙嚯妷旱牟杉娐繁容^復(fù)雜，但對(duì)電機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模的推導(dǎo)過(guò)程中，基于相電壓的數(shù)學(xué)模型比線電壓運(yùn)算更為簡(jiǎn)便，且曲線直觀易觀測(cè)，便于理解，因此本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了基于電阻分壓法的等效相電壓采集調(diào)理電路。

2.3 相電流反饋

獲取主電路中三相電流信號(hào)采樣反饋的方式采用電隔離檢測(cè)的霍爾元件法，采樣點(diǎn)選擇PWM脈寬中點(diǎn)[3]。霍爾電流傳感器量程寬、功耗小、壽命長(zhǎng)、安裝方便。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用ACS712x30A，其輸出線性度66mV/A，可測(cè)瞬時(shí)過(guò)載大電流。ACS712x30A的模擬信號(hào)路徑噪聲低，芯片帶寬50kHz，可通過(guò)濾波引腳調(diào)整。階躍電流輸出響應(yīng)上升時(shí)間5us，輸出誤差小于1.5%，溫漂誤差小于4%，內(nèi)部導(dǎo)通電阻1.2mΩ，隔離性能好，5V單電源供電，輸出電壓與交流或直流電流成正比例，2.5V為零點(diǎn)，有效線性輸出范圍為0.5～4.5V。圖4中（a）/（b）分別代表采樣頻率為20kHz時(shí)的三相電壓與三相電流曲線，圖中下方粉色曲線表示測(cè)試時(shí)PWM占空比為40%。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)展開(kāi)了基于自主研發(fā)的配套BLDCM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要從低功耗的CPU控制架構(gòu)、高效率BLDCM驅(qū)動(dòng)模塊、實(shí)時(shí)反饋信號(hào)采集調(diào)理三方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)利用BLDCM控制系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了飛行器在滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航三個(gè)自由度上的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，自主研發(fā)的基于DSP+CPLD架構(gòu)的四路BLDCM驅(qū)動(dòng)板LZ1308A，能獨(dú)立或輔助NI RT實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)完成三軸電機(jī)的實(shí)時(shí)控制功能。LZ1308A適用于控制各種附帶光電編碼器等位置反饋系統(tǒng)的BLDCM，驅(qū)動(dòng)板控制步長(zhǎng)可達(dá)1ms，電流負(fù)載的能力可達(dá)到30A，廣泛適用于類(lèi)似的BLDCM控制場(chǎng)合，有較高實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]Datasheet of ADS8365， Information on http：//www.ti.com/product/ads8365[Z].

[2]譚建成.新編電機(jī)控制專(zhuān)用集成電路與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[3]李峰.直流無(wú)刷電機(jī)高精度電流采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2010，44（5）.endprint