小型光電轉(zhuǎn)臺直流無刷電機驅(qū)動控制的設(shè)計與實現(xiàn)

路 新，程道偉，鄭 堯

（1.中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015；2.陸航研究所，北京 101121）

0 引 言

航空監(jiān)視偵查、小型無人機巡檢及搜救等應用領(lǐng)域需要小型化甚至微型化的光電轉(zhuǎn)臺，以適應載體本身有效載荷小、負載能力有限的場景。在以往光電轉(zhuǎn)臺驅(qū)動電機選型時，大多選擇直流有刷電機作為執(zhí)行機構(gòu)。它驅(qū)動簡單，只需提供可調(diào)壓直流電源便可以實現(xiàn)驅(qū)動控制，但存在換向電刷損耗、摩擦、轉(zhuǎn)子慣量大等缺點，造成同等力矩輸出條件下，直流有刷電機的體積、重量要比直流無刷電機大的多，因此小型光電轉(zhuǎn)臺的執(zhí)行機構(gòu)常選擇直流無刷電機。由于無刷電機沒有機械換向刷架，需要磁場定向控制才能平滑運行，因此設(shè)計了一套適用于旋轉(zhuǎn)半徑65 mm小光電轉(zhuǎn)臺的基于TMS320F2808的直流無刷電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩軸光電轉(zhuǎn)臺的速度環(huán)、電流環(huán)驅(qū)動控制。

1 磁場定向控制原理

磁場定向控制的本質(zhì)是控制電流的幅度和相位，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子的磁場正交，以產(chǎn)生最大的扭矩，是控制無刷電機平滑運動的關(guān)鍵策略[1-3]。因此高精度無刷電機控制必須包含電流環(huán)。

常用的磁場定向控制方法有id=0控制、最大電流轉(zhuǎn)矩比控制、單位功率因數(shù)控制以及恒磁鏈控制。使用最多的是id=0控制，該方法是將電機直軸電流id保持為0，交軸電流iq始終與轉(zhuǎn)子磁場保持90°夾角，電機的轉(zhuǎn)矩此時僅與交軸電流成正比[4-5]。該方法控制結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，因此得到廣泛使用。id=0控制框圖如圖1所示。

圖1 id=0控制框圖

在脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）方式上，空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）調(diào)制比正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）調(diào)制電源利用率高，但光電轉(zhuǎn)臺等對低速控制要求較高的場合中，SPWM調(diào)制比SVPWM調(diào)制更合適。圖1中，PARK、CLARK逆變換的輸出直接調(diào)制PWM即可得到SPWM，通過電機驅(qū)動器得到三相相位相差120°的正弦調(diào)制電壓控制無刷電機運轉(zhuǎn)。根據(jù)基爾霍夫電流定律，無刷電機三相電流之和為0，即iu+iv+iw=0，所以在工程實際中可以省略一個電流傳感器，只檢測其中兩相電流。

圖1框圖中的CLARK變換公式為（以電流 為例）：

CLARK逆變換公式由CLARK變換公式取逆運算得到。

PARK變換公式為：

式中：θe為轉(zhuǎn)子電角度。

PARK逆變換公式由PARK變換公式取逆運算得到。

2 設(shè)計需求

該驅(qū)動控制系統(tǒng)包含方位、俯仰驅(qū)動控制板各一塊，放置在空間受限的轉(zhuǎn)臺左、右側(cè)耳處，分別控制方位、俯仰軸無刷電機，實現(xiàn)兩軸轉(zhuǎn)臺運動控制。電路板外形及電路均相同，板型大小為50 mm× 80 mm。

電路應實現(xiàn)3路RS-422串口，用于和上位機、MEMS陀螺及板間數(shù)據(jù)通信；1路差分SPI，用以接收16位絕對編碼器的角度值；能驅(qū)動直流24 V、母線電流最大2 A的直流無刷電機實現(xiàn)1 ms速度環(huán)、100 μs電流環(huán)控制，標記轉(zhuǎn)臺絕對零位且斷電 不丟失。

3 硬件詳細設(shè)計

由于板型尺寸較小，要實現(xiàn)的功能多，且要保證實時運算的要求，采用多層板、小封裝的設(shè)計滿足方案要求。構(gòu)建以TI的TMS320F2808為運算控制核心的硬件電路，框圖如圖2所示。

圖2 直流無刷電機驅(qū)動控制板硬件框圖

3.1 電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

電路板需要12 V 1 A、5 V 1 A、3.3 V 1 A、 1.8 V 0.6 A四種電源。選擇能產(chǎn)生2.5 A電流的開關(guān)電源芯片TPS54260產(chǎn)生12 V電壓，供給電機驅(qū)動芯片，該芯片尺寸為3 mm×3 mm，電路圖如圖3所示。5 V電源也采用相同芯片設(shè)計，只是將電路圖中的R5換成52.5K，即可產(chǎn)生5 V電壓。3.3 V和1.8 V電源供給TMS320F2808芯片，選擇使用線性集成電源芯片TPS767D301產(chǎn)生。

圖3 TPS54260產(chǎn)生12 V電源電路

3.2 RS-422串口設(shè)計

TMS320F2808自帶兩路UATR串口，還需設(shè)計一路外擴串口，接收MEMS陀螺19字節(jié)波特率921.6 kb·s-1的串口數(shù)據(jù)。為防止串口數(shù)據(jù)擁塞，減輕控制芯片讀取數(shù)據(jù)的壓力，選擇EXAR公司的具有64 Byte FIFO的SPI接口XR20M1172UART擴展芯片進行設(shè)計，如圖4所示。該芯片具有接收超時中斷的能力，在兩幀陀螺數(shù)據(jù)之間向控制芯片發(fā)送中斷信號，完成讀取一幀陀螺數(shù)據(jù)任務。

圖4 XR20M1172擴展串口設(shè)計

RS-422接口芯片選擇TI的自帶ESD保護的THVD1451，如圖5所示，其最大收發(fā)速率為 50 Mb·s-1，因此在5 Mb·s-1差分SPI接口設(shè)計中也使用該型芯片。

圖5 THVD1451電路設(shè)計

3.3 驅(qū)動電路設(shè)計

電機最大功率為48 W（24 V，2 A），電機相電阻為1.1 Ω，則等效的相電流為3.8 A。因此要求電機驅(qū)動芯片每相電流不小于4 A。選擇使用TI的三相無刷電機驅(qū)動芯片DRV8332，它具有每相8 A的電流驅(qū)動能力，完全滿足設(shè)計需要。為保證片上設(shè)計安全性，在芯片8腳與9腳之間要加入1 Ω電阻R10，電路設(shè)計如圖6所示。

圖6 最佳縫合線尋找結(jié)果

圖6 DRV8332電機驅(qū)動電路設(shè)計

3.4 電流感應及模擬調(diào)理電路設(shè)計

電流感應芯片使用ALLEGRO公司的ACS-712-05芯片，它具有±5 A量程，靈敏度185 mv/A。 因電流環(huán)控制需采集U、V兩相電流，所以需要兩片ACS712完成電流感應。當無電流流過時，ACS712輸出2.5 V電壓，而F2808的AD接口的模擬輸入范圍為0～3 V，因此需要進行放大調(diào)理后使用。由AD8629組成的放大調(diào)理電路對兩路模擬電壓完成1.5倍放大，當ACS712輸出2.5 V時，調(diào)理后信號變?yōu)?.5 V。電流感應及模擬調(diào)理電路如圖7所示。

圖7 鬼影優(yōu)化后對比

圖7 電流感應及模擬調(diào)理電路設(shè)計

4 軟件設(shè)計

因需要在每個PWM周期內(nèi)完成1次電流環(huán)的運算，所以PWM的周期也為100 μs。在F2808中設(shè)置EPwmxRegs.TBCTL.bit.CTRMODE= TB_COUNT_UPDOWN，即PWM處于增加計數(shù)模式，當PWM計數(shù)器的值等于周期寄存器值時，觸發(fā)片上AD中斷采樣，完成磁場定向運算，控制PWM比較寄存器，輸出3路SPWM信號。

F2808芯片屬于定點處理器，而磁場定向運算需要大量正余弦運算，為減少運算時間，需將[0°，90°]的正弦值列表存儲在程序中，利用正余弦數(shù)學轉(zhuǎn)換公式完成[0°，360°）正余弦值的查表運算。本文中設(shè)置一個正弦周期采樣512點，則在程序中只要存儲129個正弦值即可，設(shè)SIN_MAX值為16 384。電流環(huán)的輸出結(jié)果要對SIN_MAX進行歸一化，實現(xiàn)正余弦運算。電流環(huán)控制程序流程如 圖8所示。

圖8 電流環(huán)控制程序流程圖

1 ms速度環(huán)控制在定時器中斷中完成，通過外擴串口接收到MEMS陀螺數(shù)據(jù)，經(jīng)過PII校正后，將速度環(huán)變?yōu)槎涂刂葡到y(tǒng)，增大系統(tǒng)力矩剛度，其校正結(jié)果直接賦值給電流環(huán)命令輸入I_q，實現(xiàn)速度控制。

5 試驗驗證

該控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，板型尺寸、功能均滿足需求，并在光電轉(zhuǎn)臺調(diào)試過程中優(yōu)化各控制環(huán)節(jié)參數(shù)。電流環(huán)使用正弦表的方式進行正余弦運算的時間約在20 μs，滿足實時性要求，而直接使用正余弦運算的時間約在130 μs。電流環(huán)調(diào)試結(jié)果如圖9所示。輸入階躍指令為±1 A，對應AD采集值為341碼，可以看出，兩軸的電流均可在1 ms內(nèi)達到指令值，無超調(diào)。速度環(huán)指令給予每秒±10°的階躍，兩軸速度響應150 ms以內(nèi)達到穩(wěn)定值，單方向超調(diào)21.9%，滿足使用要求。速度環(huán)調(diào)試結(jié)果如圖10所示。

圖9 電流環(huán)調(diào)試結(jié)果

圖10 速度環(huán)調(diào)試結(jié)果

6 結(jié) 語

本文設(shè)計了一套適用于小光電轉(zhuǎn)臺的基于TMS320F2808直流無刷電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了兩軸光電轉(zhuǎn)臺的速度環(huán)、電流環(huán)驅(qū)動控制。經(jīng)試驗驗證，系統(tǒng)各功能、性能均滿足設(shè)計需求，為其他光電轉(zhuǎn)臺無刷電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供了工程參考。