基于CompactRIO的直流無(wú)刷電機控制系統

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(wú)刷電機轉速控制系統。該系統基于CompactRIO(堅固型可重新配置I／O)的嵌入式PID算法，根據電機時(shí)序要求，產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過(guò)H橋功放后直接驅動(dòng)電機。筆者還詳細描述了H橋功放的工作原理及自舉電路元器件參數的選取規則。文章的結尾部分，對電機控制系統進(jìn)行了實(shí)驗測試。在不同的設定轉速下，進(jìn)行實(shí)際轉速的記錄，結果顯示，轉速控制穩定度達到±1．5％。
關(guān)鍵詞：直流無(wú)刷電機；堅固型可重新配置I／O；H橋功放；PID控制

在工農業(yè)以及航空航天等領(lǐng)域，電機得到了廣泛的應用。在實(shí)際應用時(shí)，電機的轉速控制顯得尤為重要。
直流電機具有優(yōu)良的性能，調速方便、調速范圍寬、低速性能好、運行平穩，可實(shí)現頻繁的無(wú)級快速起動(dòng)、制動(dòng)和反轉，被廣泛應用于工業(yè)和民用領(lǐng)域。傳統的直流電機采取電刷和換相器，以機械方式進(jìn)行換相從面導致電機容量有限、噪聲大、容易產(chǎn)生火花、無(wú)線(xiàn)電干擾、可靠性差等缺點(diǎn)。而直流無(wú)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(wèn)題，同時(shí)又保持了直流電機的優(yōu)點(diǎn)。
隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，電子系統朝著(zhù)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，它是面向嵌入式控制應用的高性能和高可靠性可編程自動(dòng)化控制器。為嵌入式控制應用提供了一個(gè)開(kāi)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作為嵌入式系統架構，對掃描電機(三相直流無(wú)刷電機)的轉速控制、黑體參考源的溫度控制和多通道圖像數據同步采集進(jìn)行集成化設計，既減小了系統的體積，又提高了系統的可靠性。筆者將對基于CompactRIO的直流無(wú)刷電機轉速的嵌入式控制行介紹。

1 直流無(wú)刷電機
現在通用的直流無(wú)刷電機有帶位置傳感器的直流無(wú)刷電機和無(wú)位置傳感器的直流無(wú)刷電機，其相應的控制方法也有所區別。本系統采用的是帶位置傳感器的三相直流無(wú)刷電機(后面簡(jiǎn)稱(chēng)直流無(wú)刷電機)。直流無(wú)刷電機由電機轉子、定子、3個(gè)繞組、霍爾傳感器組成?；魻杺鞲衅靼惭b在轉子后面，隨著(zhù)轉子的旋轉輸出方波信號；3路霍爾信號的電平組合將決定3個(gè)繞組線(xiàn)圈中電流的方向。

2 系統介紹
直流無(wú)刷電機控制系統的核心包括CompactRIO和功放板，系統框圖如圖1所示。

CompactRIO根據直流無(wú)刷電機的特定時(shí)序以及霍爾傳感器信號來(lái)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(jìn)行雙向通信，進(jìn)行轉速設置和實(shí)際轉速顯示。

3 硬件部分
控制系統硬件部分主要由2個(gè)模塊組成：全橋功放板和CompactRIO硬件架構。
3．1 CompactRIO硬件架構
CompactRIO是控制系統的核心，其擁有的FPGA門(mén)數可達幾百萬(wàn)門(mén)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(jìn)行圖形化編程。
CompactRIO由實(shí)時(shí)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(wú)刷電機本身沒(méi)有電刷，所以需要電子換相。電子換相時(shí)電流方向按照一定規律變化。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(mǎn)足此需求。
嚴格意義上講。H橋功放只能導通兩相，所以三相電機工作時(shí)還需要加個(gè)半橋，變?yōu)槿珮蚬Ψ?，是擴展后的H橋功放。全橋功放由6個(gè)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動(dòng)器進(jìn)行電壓的變換，以保證MOS管的完全導通。

電機的供電源是+28 V，下橋MOS管的導通電壓VGS(th)，上橋MOS管的導通電壓為28V+VGS(th)。而CompactRIO輸出的信號是TTL電平，顯然無(wú)法滿(mǎn)足全橋工作時(shí)的電平需求。所以功放板上的MOS管驅動(dòng)器采用自舉電路對上橋MOS管柵極進(jìn)行升壓。
系統中使用了一款高壓驅動(dòng)芯片，能驅動(dòng)上下2個(gè)NMOS管。VB和VS為高壓靖供電；HO為高壓端驅動(dòng)輸出；VCC和COM為低壓端驅動(dòng)供電；LO為低壓端驅動(dòng)輸出；VCC為芯片供電。驅動(dòng)芯片控制的上下橋臂交替導通。當下轎臂導通時(shí)，上橋臂關(guān)斷，VS腳的電位等予Q2管的飽和導通壓降，基本接近COM端電位，此時(shí)VCC通過(guò)自舉二極管D1對自舉電容C2充電使其接近VCC電壓。當Q2關(guān)斷時(shí)，VS端的電壓就會(huì )升高，由于電容兩端的電壓不能突變，因此VB～VS+VCC。當Q1開(kāi)通時(shí)，C2作為一個(gè)浮動(dòng)的電壓源驅動(dòng)Q1；而C2在Q1開(kāi)通期間損失的電荷在下一個(gè)周期得到補充。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(dòng)來(lái)實(shí)現的。而直流無(wú)刷電機一般都是采用脈寬調制波，符合其電平擺動(dòng)的要求。