基于CompactRIO的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)

摘要：為提高機(jī)載多光譜掃描儀的集成化程度，提出了一種新型的直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于CompactRIO(堅固型可重新配置I／O)的嵌入式PID算法，根據(jù)電機(jī)時序要求，產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過H橋功放后直接驅(qū)動電機(jī)。筆者還詳細(xì)描述了H橋功放的工作原理及自舉電路元器件參數(shù)的選取規(guī)則。文章的結(jié)尾部分，對電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。在不同的設(shè)定轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行實(shí)際轉(zhuǎn)速的記錄，結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定度達(dá)到±1．5％。
關(guān)鍵詞：直流無刷電機(jī)；堅固型可重新配置I／O；H橋功放；PID控制

    在工農(nóng)業(yè)以及航空航天等領(lǐng)域，電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制顯得尤為重要。
    直流電機(jī)具有優(yōu)良的性能，調(diào)速方便、調(diào)速范圍寬、低速性能好、運(yùn)行平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的直流電機(jī)采取電刷和換相器，以機(jī)械方式進(jìn)行換相從面導(dǎo)致電機(jī)容量有限、噪聲大、容易產(chǎn)生火花、無線電干擾、可靠性差等缺點(diǎn)。而直流無刷電機(jī)使用電子換相器取代了電刷和換相器，從而解決了上述問題，同時又保持了直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。
    隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)朝著集成化的方向發(fā)展。NI公司推出的CompactRIO是一種小巧而堅固的工業(yè)化控制和采集系統(tǒng)，它是面向嵌入式控制應(yīng)用的高性能和高可靠性可編程自動化控制器。為嵌入式控制應(yīng)用提供了一個開放的平臺。在上海技術(shù)物理研究所研制的最新一代機(jī)載多光譜掃描儀中，采用CompactRIO作為嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，對掃描電機(jī)(三相直流無刷電機(jī))的轉(zhuǎn)速控制、黑體參考源的溫度控制和多通道圖像數(shù)據(jù)同步采集進(jìn)行集成化設(shè)計，既減小了系統(tǒng)的體積，又提高了系統(tǒng)的可靠性。筆者將對基于CompactRIO的直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的嵌入式控制行介紹。

1 直流無刷電機(jī)
    現(xiàn)在通用的直流無刷電機(jī)有帶位置傳感器的直流無刷電機(jī)和無位置傳感器的直流無刷電機(jī)，其相應(yīng)的控制方法也有所區(qū)別。本系統(tǒng)采用的是帶位置傳感器的三相直流無刷電機(jī)(后面簡稱直流無刷電機(jī))。直流無刷電機(jī)由電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子、3個繞組、霍爾傳感器組成。霍爾傳感器安裝在轉(zhuǎn)子后面，隨著轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)輸出方波信號；3路霍爾信號的電平組合將決定3個繞組線圈中電流的方向。

2 系統(tǒng)介紹
    直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的核心包括CompactRIO和功放板，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

     CompactRIO根據(jù)直流無刷電機(jī)的特定時序以及霍爾傳感器信號來產(chǎn)生控制信號?？刂菩盘柦?jīng)功放板放大后變?yōu)榭刂齐姍C(jī)的三相信號。上位機(jī)可以與CompactRIO進(jìn)行雙向通信，進(jìn)行轉(zhuǎn)速設(shè)置和實(shí)際轉(zhuǎn)速顯示。

3 硬件部分
    控制系統(tǒng)硬件部分主要由2個模塊組成：全橋功放板和CompactRIO硬件架構(gòu)。
3．1 CompactRIO硬件架構(gòu)
    CompactRIO是控制系統(tǒng)的核心，其擁有的FPGA門數(shù)可達(dá)幾百萬門以上，并且擁有豐富的可擴(kuò)展I／O資源，可以在FPGA層面上使用LsbVIEW進(jìn)行圖形化編程。
    CompactRIO由實(shí)時控制器，帶插槽的可重新配置機(jī)箱以及各種I／O模塊組成。
3．2 功放板
    由于直流無刷電機(jī)本身沒有電刷，所以需要電子換相。電子換相時電流方向按照一定規(guī)律變化。繞組中的電流有可能正流也有可能反流。而H橋功放正好可以滿足此需求。
    嚴(yán)格意義上講。H橋功放只能導(dǎo)通兩相，所以三相電機(jī)工作時還需要加個半橋，變?yōu)槿珮蚬Ψ?，是擴(kuò)展后的H橋功放。全橋功放由6個NMOS管組成，可以控制三相輸出。NMOS管組成的全橋在其前端需要加額外驅(qū)動器進(jìn)行電壓的變換，以保證MOS管的完全導(dǎo)通。

    電機(jī)的供電源是+28 V，下橋MOS管的導(dǎo)通電壓VGS(th)，上橋MOS管的導(dǎo)通電壓為28V+VGS(th)。而CompactRIO輸出的信號是TTL電平，顯然無法滿足全橋工作時的電平需求。所以功放板上的MOS管驅(qū)動器采用自舉電路對上橋MOS管柵極進(jìn)行升壓。
    系統(tǒng)中使用了一款高壓驅(qū)動芯片，能驅(qū)動上下2個NMOS管。VB和VS為高壓靖供電；HO為高壓端驅(qū)動輸出；VCC和COM為低壓端驅(qū)動供電；LO為低壓端驅(qū)動輸出；VCC為芯片供電。驅(qū)動芯片控制的上下橋臂交替導(dǎo)通。當(dāng)下轎臂導(dǎo)通時，上橋臂關(guān)斷，VS腳的電位等予Q2管的飽和導(dǎo)通壓降，基本接近COM端電位，此時VCC通過自舉二極管D1對自舉電容C2充電使其接近VCC電壓。當(dāng)Q2關(guān)斷時，VS端的電壓就會升高，由于電容兩端的電壓不能突變，因此VB～VS+VCC。當(dāng)Q1開通時，C2作為一個浮動的電壓源驅(qū)動Q1；而C2在Q1開通期間損失的電荷在下一個周期得到補(bǔ)充。所以該自舉電路其實(shí)是利用了VS在高低電平之間的擺動來實(shí)現(xiàn)的。而直流無刷電機(jī)一般都是采用脈寬調(diào)制波，符合其電平擺動的要求。
    電路中D1和C2是自舉電路的關(guān)鍵器件。D1是快恢復(fù)二極管，其作用是當(dāng)Q1關(guān)斷時為C2充電提供正向電流通道，當(dāng)Q1開通時，VB端電壓會被抬高，而D1可以阻止電流流入VCC，達(dá)到保護(hù)電源的目的。C2是自舉電容，其容值的選取受電路的器件和電路工作頻率影響，其計算公式如式(1)：
   
    Qc為上橋MOS管的MOSFET的柵極電荷；IQBS為上橋驅(qū)動的靜態(tài)電流；ICCBS為自舉電容的漏電流；QLS為驅(qū)動IC中電平轉(zhuǎn)換電路的電荷要求；VLS為下橋器件壓降；VF為自舉二極管正向壓降。

    由公式可以得出，在使用自舉電路時應(yīng)根據(jù)所選用的器件的參數(shù)以及電路的最低工作頻率來確定電容C的最小取值。實(shí)際應(yīng)用中選取的電容值應(yīng)為理論計算值的兩倍以上。

4 軟件部分
    使用LabVIEW對CompactRIO進(jìn)行圖形化編程。軟件設(shè)計部分主要包括電機(jī)測速模塊、控制量計算及脈寬調(diào)制模塊，時序產(chǎn)生模塊。
4．1 電機(jī)測速模塊
    直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速與霍爾信號的頻率以及線圈的極對子數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如下：n=f／p。其中n代表轉(zhuǎn)速，f代表霍爾信號的頻率，p代表電機(jī)的極對子數(shù)。通過測量某一路霍爾信號即可測得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
    CompactRIO數(shù)字I／O獲取某一路霍爾信號，測量其相鄰兩個上升沿之間的時間就可以計算出霍爾信號的頻率，進(jìn)而得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，或者通過計算在短時間內(nèi)獲得的霍爾信號脈沖數(shù)量。
    在需要獲得精確轉(zhuǎn)速的情況下，一般使用碼盤測速。碼盤在電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈時可以產(chǎn)生幾千個脈沖，在如此大數(shù)量的采樣脈沖下，引起的誤差會減小很多。
4．2 控制量計算及脈寬調(diào)制模塊
    電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制通過脈寬調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。CompactRIO根據(jù)轉(zhuǎn)速設(shè)定值和實(shí)際值之間的誤差來計算輸出相應(yīng)的控制量，該控制量經(jīng)過脈寬調(diào)制模塊后產(chǎn)生PWM波。PWM波在一個周期內(nèi)，其高電平的占空比受控制量計算模塊輸出的控制量調(diào)節(jié)，控制量越大，高電平的比例越大。
    控制量計算模塊的核心是PID控制算法。PID算法是工業(yè)領(lǐng)域中最常用的控制算法，廣泛應(yīng)用于溫度控制、流量控制轉(zhuǎn)速控制等。PID算法的核心是P參數(shù)(比例調(diào)節(jié))、I參數(shù)(積分調(diào)節(jié))、D參數(shù)(微分調(diào)節(jié))，PID控制器的輸入?yún)⒘渴沁^程變量和設(shè)置點(diǎn)。這里的過程變量就是實(shí)際轉(zhuǎn)速值，設(shè)置點(diǎn)就是設(shè)定的轉(zhuǎn)速值。PID控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的P、I、D參數(shù)，利用PID算法計算出一個控制量，該控制量作用于系統(tǒng)后迫使實(shí)際轉(zhuǎn)速向著設(shè)定轉(zhuǎn)速逼近，最終穩(wěn)定在設(shè)定轉(zhuǎn)速上。PID算法由公式(2)表達(dá)：
   
    其中e=SP-PV，SP是設(shè)定點(diǎn)，PV是過程變量；KC是控制增益，代表比例調(diào)節(jié)作用；Ti是積分時間，代表著積分調(diào)節(jié)作用；Td是微分時間，代表著微分調(diào)節(jié)作用。
4．3 時序產(chǎn)生模塊
    直流無刷電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)時需要在繞組線圈中按照一定時序注入電流，線圈電流方向的改變是通過改變?nèi)噍敵龆说臉O性來實(shí)現(xiàn)的。因此在不同的霍爾信號下，需要輸入相對應(yīng)的控制信號(見表1)。A、B、C分別為電機(jī)的霍爾信號。AH、AL、BH、BL、CH、CL分別為三相控制信號。電機(jī)的轉(zhuǎn)速是通過PWM波的脈沖寬度的大小來控制的。具體實(shí)現(xiàn)方法是，在CompactRIO中將脈寬調(diào)制波與電機(jī)的下橋驅(qū)動信號在邏輯上“相與”。圖4是根據(jù)電機(jī)時序確定的控制信號圖，圖5是經(jīng)PWM波調(diào)制后的控制信號圖。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
    直流無刷電機(jī)在空載情況下進(jìn)行測試。在上位機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速設(shè)置，在CompactRIO中對轉(zhuǎn)速進(jìn)行采樣，采樣速率為每秒一次，采樣次數(shù)為600次。測試結(jié)果如圖6所示。

    圖6中的上、中部分別是轉(zhuǎn)速為20L／s、30L／s下測得的結(jié)果?？梢钥闯鲭姍C(jī)從啟動至轉(zhuǎn)速穩(wěn)定所需要的時間很短。即系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速設(shè)定值變化時的反應(yīng)速度很快。
    圖6中的下部是設(shè)置轉(zhuǎn)速為20 L／s，當(dāng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。從圖中可以看出電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速在設(shè)定值附近擺動，其平均值基本等于設(shè)定值，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度達(dá)到±1．5％。

6 結(jié)束語
    文章介紹了直流電機(jī)的構(gòu)成，詳細(xì)介紹了一種基于CompactRIO的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)，從硬件和軟件設(shè)計上進(jìn)行分析，并對自舉電路的工作方式和參數(shù)選擇做了分析。最后對該系統(tǒng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)速測試，結(jié)果表明，直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度達(dá)到1．5％，符合機(jī)載多光譜掃描儀掃描電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度要求。