基于DSP的高速陀螺轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)

韓文波，孟超，程子珍

（1.長春理工大學(xué)　光電工程學(xué)院，長春　130022；2.長春理工大學(xué)　理學(xué)院，長春　130022）

基于DSP的高速陀螺轉(zhuǎn)子控制系統(tǒng)

韓文波1，孟超1，程子珍2

（1.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春130022；2.長春理工大學(xué)理學(xué)院，長春130022）

為控制力矩陀螺高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對高速轉(zhuǎn)子的穩(wěn)速控制，選用無刷直流電機(jī)作為伺服系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)。從電機(jī)結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析工作原理，建立數(shù)學(xué)模型。對控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)可行性。硬件平臺以DSPF2812為核心設(shè)計(jì)控制模塊，采用橋式驅(qū)動(dòng)電路和功率驅(qū)動(dòng)作為逆變器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。軟件則采用C語言在CCS環(huán)境下實(shí)現(xiàn)PID控制算法完成對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)穩(wěn)定性好、控制精度高、響應(yīng)迅速，滿足高速轉(zhuǎn)子壽命試驗(yàn)測試要求。

陀螺高速轉(zhuǎn)子；無刷直流電機(jī)；DSP（數(shù)字信號處理器）；PID控制器

姿態(tài)控制系統(tǒng)由姿態(tài)傳感器、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成?？刂屏赝勇菘刂凭雀?、轉(zhuǎn)矩大、穩(wěn)定性高、功耗小，可以滿足大型航天飛行器需要。在控制力矩陀螺中，轉(zhuǎn)子的特性對整個(gè)控制力矩陀螺有顯著影響。本文選用無刷直流電機(jī)作為執(zhí)行元件，設(shè)計(jì)電機(jī)控制系統(tǒng)，為陀螺轉(zhuǎn)子提供穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

本文主要介紹無刷直流電機(jī)的工作原理，通過Matlab對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)可行性。以DSP2812為核心設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路，在系統(tǒng)硬件平臺的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)軟件，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。最后對控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，分析系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果。

1　無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)仿真

無刷直流電機(jī)本體結(jié)構(gòu)由兩部分組成，繞組線圈和鐵芯組成的電機(jī)定子以及永磁體組成的電機(jī)轉(zhuǎn)子，通過控制繞組線圈電流方向產(chǎn)生與永磁體轉(zhuǎn)子磁場正交的磁場使電機(jī)運(yùn)行。在內(nèi)部裝有位置傳感器，其輸出信號可解析轉(zhuǎn)子位置和換向，并計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

根據(jù)電機(jī)工作特性可知，電機(jī)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：

式中TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，B為粘滯摩擦系數(shù)。

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為：

轉(zhuǎn)速方程為：

式中uab為電樞供電電壓，Ia為電樞電流，Φ為勵(lì)磁磁通，Ra為電樞回路總電阻，Ce為電動(dòng)勢系數(shù)：

式中p為電磁對數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。

根據(jù)無刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合電機(jī)的工作原理，確定控制系統(tǒng)的控制策略，控制策略框圖如圖1所示。

圖1　無刷電機(jī)控制系統(tǒng)控制策略

依照控制系統(tǒng)的控制策略，利用Matlab建立無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)，檢驗(yàn)控制策略的合理性，仿真系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　無刷電機(jī)控制系統(tǒng)仿真

對電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到空載下的目標(biāo)轉(zhuǎn)速為10000r/min的仿真結(jié)果。從系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)結(jié)果可以看出，超調(diào)小、響應(yīng)快、精度高，可以滿足電機(jī)的控制要求。該控制策略可以對電機(jī)轉(zhuǎn)速起到良好的調(diào)節(jié)作用。圖3為仿真系統(tǒng)空載時(shí)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線。

圖3　仿真系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

2　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由控制模塊和驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成?？刂颇K選用TMS320F2812控制芯片，完成電機(jī)運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子位置檢測和換向、轉(zhuǎn)速計(jì)算、電流環(huán)PID和速度環(huán)PID控制器的實(shí)現(xiàn)、PWM波形生成以及A/ D轉(zhuǎn)換等。驅(qū)動(dòng)模塊由電源模塊、逆變器、采樣電路和過流檢測電路組成。逆變器由MOSFET大功率開關(guān)和功率管驅(qū)動(dòng)電路組成，通過接收控制電路的信號對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。采樣模塊由母線電流采樣電路組成，實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的母線電流采樣。過流檢測電路主要在系統(tǒng)工作時(shí)檢測電路的狀態(tài)，避免硬件結(jié)構(gòu)被破壞，保護(hù)硬件。硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　控制系統(tǒng)硬件框圖

2.1控制模塊設(shè)計(jì)

DSP作為控制模塊的核心，應(yīng)參考TI官方的技術(shù)手冊，恰當(dāng)選擇芯片組成最小系統(tǒng)。主要包括電源復(fù)位、異步通信、晶振電路和信號輸出。

2.2驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

逆變器是驅(qū)動(dòng)模塊的核心，控制模塊輸出的PWM控制信號經(jīng)逆變器后可以驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)正常運(yùn)行。逆變器主要有兩部分組成，一是由大功率開關(guān)管組成的全橋驅(qū)動(dòng)電路，完成對電機(jī)繞組線圈的通斷和電流換向，并可通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間改變電機(jī)繞組端電壓，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。另一部分是功率驅(qū)動(dòng)集成電路，由于控制信號輸出的信號為邏輯電平，驅(qū)動(dòng)能力較差，無法驅(qū)動(dòng)開關(guān)管正常工作。另外，由于硬件本身限制，控制模塊輸出的PWM波形直接用于驅(qū)動(dòng)時(shí)難以做到波形同步，會(huì)對系統(tǒng)控制精度造成影響。而功率驅(qū)動(dòng)集成電路可以提高控制信號的驅(qū)動(dòng)能力，由硬件完成控制信號的波形同步，提高控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。逆變器電路原理圖如圖5所示。

圖5　逆變器驅(qū)動(dòng)電路

2.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件主要由主程序模塊和中斷服務(wù)子程序模塊兩大部分組成。其中主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、中斷向量的配置和系統(tǒng)開啟工作等。中斷服務(wù)子程序主要有AD采樣、轉(zhuǎn)子位置捕捉及轉(zhuǎn)速解算中斷、硬件保護(hù)等。圖6為控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖。

圖6　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

主程序模塊為程序建立一個(gè)穩(wěn)定的運(yùn)行框架，完成DSP時(shí)鐘樹的配置，中斷向量配置和中斷標(biāo)志位置位，外設(shè)狀態(tài)復(fù)原以及通用接口引腳初始化。并進(jìn)入循環(huán)等待中斷觸發(fā)。

中斷服務(wù)程序完成對電機(jī)的控制作用，包括轉(zhuǎn)子位置檢測與換向、轉(zhuǎn)速計(jì)算，雙閉環(huán)PID控制器、相電流檢測與過流保護(hù)功能。編寫軟件中斷服務(wù)程序時(shí)，合理安排程序結(jié)構(gòu)，正確配置中斷標(biāo)志，考慮中斷觸發(fā)的優(yōu)先級和響應(yīng)時(shí)間，改善系統(tǒng)的響應(yīng)速度。程序流程圖如圖7所示。

圖7　中斷服務(wù)程序流程圖

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)組成如圖8所示，主要包括由TMS320F2812芯片搭建的DSP最小系統(tǒng)部分，由 IR2130芯片搭建的電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)部分，光耦隔離部分，DSP與PC機(jī)串行通信部分及電機(jī)電流檢測部分。電機(jī)采用帶負(fù)載阻尼器的直流無刷電機(jī)。PC機(jī)采用LabVIEW編寫電機(jī)控制程序，發(fā)送相應(yīng)的控制命令和監(jiān)測電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流、電壓等參數(shù)。對系統(tǒng)軟、硬件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，分析系統(tǒng)輸出響應(yīng)，不斷改進(jìn)系統(tǒng)參數(shù)，提高控制精度。

對無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行帶載實(shí)驗(yàn)，圖9為目標(biāo)轉(zhuǎn)速為9000rpm/min時(shí)電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)速曲線。通過系統(tǒng)帶載測試的響應(yīng)曲線可以看出，忽略外界干擾和電機(jī)的系統(tǒng)誤差，控制系統(tǒng)在6s達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差小于30rpm/min，滿足系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速為1000～10000rpm/min之間時(shí)，響應(yīng)時(shí)間小于8s，控制精度小于0.5%的要求。取得了較好的控制效果。

圖8　無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)組成實(shí)物圖

圖9　無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

4　結(jié)論

依托DSP高性能的運(yùn)算能力和合理的程序設(shè)計(jì)，獲得了較高的控制精度和響應(yīng)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，控制系統(tǒng)響應(yīng)迅速，超調(diào)小，穩(wěn)定性強(qiáng)，控制精度高，調(diào)速范圍寬?？梢詽M足控制力矩陀螺轉(zhuǎn)子系統(tǒng)壽命測試實(shí)驗(yàn)的性能要求。

［1］ 劉錦波，張承慧.電機(jī)與拖動(dòng)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［2］ 張深.直流無刷電機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

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［4］ 夏長亮.無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

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本系統(tǒng)以DSP為控制核心，簡化了硬件結(jié)構(gòu)；

Gyroflywheel High Speed State Control System Using DSP

HAN Wenbo1，MENG Chao1，CHENG Zizhen2
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

It is designed for gyroflywheel module high speed test experiment that the system can guarantee servo system run well.Brushless DC Motor（BLDCM）has been selected as gyroflywheel servo.This paper starts from the structure of the brushless DC motor，dwells on its working principle and establishes a mathematical model.The control system using TI Chips called TMS320F2812DSP as controller.In the part of hardware design which includes peripheral circuits of DSP，signal processing circuit.And the software of control system is given by using C language based on the intergraded development environment CCS.The control system is verified validity，correctness and feasibility by debugging and analyzing the experimental result，and stable hardware platform and smooth software operation meet the design requirements.

gyroflywheel high speed；BLDCM；DSP；PID controller

TP273

A

1672-9870（2015）06-0047-04

2015-10-22

韓文波（1970-），女，副教授，E-mail：hanwenbo@cust.edu.cn