基于CompactRIO的直流無刷電機控制系統(tǒng)

摘要：為提高機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)電機時序要求，產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過H橋功放后直接驅(qū)動電機。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，對電機控制系統(tǒng)進行了實驗測試。在不同的設(shè)定轉(zhuǎn)速下，進行實際轉(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；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，電機得到了廣泛的應(yīng)用。在實際應(yīng)用時，電機的轉(zhuǎn)速控制顯得尤為重要。
直流電機具有優(yōu)良的性能，調(diào)速方便、調(diào)速范圍寬、低速性能好、運行平穩(wěn)，可實現(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)的直流電機采取電刷和換相器，以機械方式進行換相從面導(dǎo)致電機容量有限、噪聲大、容易產(chǎn)生火花、無線電干擾、可靠性差等缺點。而直流無刷電機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的優(yōu)點。
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(三相直流無刷電機)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的直流無刷電機轉(zhuǎn)速的嵌入式控制行介紹。

1 直流無刷電機
現(xiàn)在通用的直流無刷電機有帶位置傳感器的直流無刷電機和無位置傳感器的直流無刷電機，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(后面簡稱直流無刷電機)。直流無刷電機由電機轉(zhuǎn)子、定子、3個繞組、霍爾傳感器組成?；魻杺鞲衅靼惭b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的三相信號。上位機可以與CompactRIO進行雙向通信，進行轉(zhuǎn)速設(shè)置和實際轉(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展I／O資源，可以在FPGA層面上使用LsbVIEW進行圖形化編程。
CompactRIO由實時控制器，帶插槽的可重新配置機箱以及各種I／O模塊組成。
3．2 功放板
由于直流無刷電機本身沒有電刷，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，所以三相電機工作時還需要加個半橋，變?yōu)槿珮蚬Ψ?，是擴展后的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)動器進行電壓的變換，以保證MOS管的完全導(dǎo)通。

電機的供電源是+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充。所以該自舉電路其實是利用了VS在高低電平之間的擺動來實現(xiàn)的。而直流無刷電機一般都是采用脈寬調(diào)制波，符合其電平擺動的要求。