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橋功放后直接驅動電機。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(shù)的選取規(guī)則。文章的結尾部分，對電機控制系統(tǒng)進行了實驗測試。在不同的設定轉速下，進行實際轉速的記錄，結果顯示，轉速控制穩(wěn)定度達到±1．5％。
關鍵詞：直流無刷電機；堅固型可重新配置I／O；H橋功放；PID控制

    在工農業(yè)以及航空航天等領域，電機得到了廣泛的應用。在實際應用時，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(wěn)，可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉，被廣泛應用于工業(yè)和民用領域。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。為嵌入式控制應用提供了一個開放的平臺。在上海技術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，對掃描電機(三相直流無刷電機)的轉速控制、黑體參考源的溫度控制和多通道圖像數(shù)據(jù)同步采集進行集成化設計，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子、定子、3個繞組、霍爾傳感器組成?；魻杺鞲衅靼惭b在轉子后面，隨著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。控制信號經(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，進行轉速設置和實際轉速顯示。

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。
3．1 CompactRIO硬件架構
    CompactRIO是控制系統(tǒng)的核心，其擁有的FPGA門數(shù)可達幾百萬門以上，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。
    嚴格意義上講。H橋功放只能導通兩相，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動器進行電壓的變換，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，顯然無法滿足全橋工作時的電平需求。所以功放板上的MOS管驅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動芯片，能驅動上下2個NMOS管。VB和VS為高壓靖供電；HO為高壓端驅動輸出；VCC和COM為低壓端驅動供電；LO為低壓端驅動輸出；VCC為芯片供電。驅動芯片控制的上下橋臂交替導通。當下轎臂導通時，上橋臂關斷，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Q2關斷時，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Q1開通時，C2作為一個浮動的電壓源驅動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是自舉電路的關鍵器件。D1是快恢復二極管，其作用是當Q1關斷時為C2充電提供正向電流通道，當Q1開通時，VB端電壓會被抬高，而D1可以阻止電流流入VCC，達到保護電源的目的。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為上橋驅動的靜態(tài)電流；ICCBS為自舉電容的漏電流；QLS為驅動IC中電平轉換電路的電荷要求；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。實際應用中選取的電容值應為理論計算值的兩倍以上。

4 軟件部分
    使用LabVIEW對CompactRIO進行圖形化編程。軟件設計部分主要包括電機測速模塊、控制量計算及脈寬調制模塊，時序產(chǎn)生模塊。
4．1 電機測速模塊
    直流無刷電機轉速與霍爾信號的頻率以及線圈的極對子數(shù)的對應關系如下：n=f／p。其中n代表轉速，f代表霍爾信號的頻率，p代表電機的極對子數(shù)。通過測量某一路霍爾信號即可測得電機的轉速。
    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，進而得到電機的轉速，或者通過計算在短時間內獲得的霍爾信號脈沖數(shù)量。
    在需要獲得精確轉速的情況下，一般使用碼盤測速。碼盤在電機轉動一圈時可以產(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制模塊
    電機的轉速控制通過脈寬調制來實現(xiàn)。CompactRIO根據(jù)轉速設定值和實際值之間的誤差來計算輸出相應的控制量，該控制量經(jīng)過脈寬調制模塊后產(chǎn)生PWM波。PWM波在一個周期內，其高電平的占空比受控制量計算模塊輸出的控制量調節(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)領域中最常用的控制算法，廣泛應用于溫度控制、流量控制轉速控制等。PID算法的核心是P參數(shù)(比例調節(jié))、I參數(shù)(積分調節(jié))、D參數(shù)(微分調節(jié))，PID控制器的輸入?yún)⒘渴沁^程變量和設置點。這里的過程變量就是實際轉速值，設置點就是設定的轉速值。PID控制器根據(jù)預先設置好的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)后迫使實際轉速向著設定轉速逼近，最終穩(wěn)定在設定轉速上。PID算法由公式(2)表達：
   
    其中e=SP-PV，SP是設定點，PV是過程變量；KC是控制增益，代表比例調節(jié)作用；Ti是積分時間，代表著積分調節(jié)作用；Td是微分時間，代表著微分調節(jié)作用。
4．3 時序產(chǎn)生模塊
    直流無刷電機正常旋轉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三相輸出端的極性來實現(xiàn)的。因此在不同的霍爾信號下，需要輸入相對應的控制信號(見表1)。A、B、C分別為電機的霍爾信號。AH、AL、BH、BL、CH、CL分別為三相控制信號。電機的轉速是通過PWM波的脈沖寬度的大小來控制的。具體實現(xiàn)方法是，在CompactRIO中將脈寬調制波與電機的下橋驅動信號在邏輯上“相與”。圖4是根據(jù)電機時序確定的控制信號圖，圖5是經(jīng)PWM波調制后的控制信號圖。

5 實驗結果與分析
    直流無刷電機在空載情況下進行測試。在上位機進行轉速設置，在CompactRIO中對轉速進行采樣，采樣速率為每秒一次，采樣次數(shù)為600次。測試結果如圖6所示。

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

6 結束語
    文章介紹了直流電機的構成，詳細介紹了一種基于CompactRIO的直流無刷電機控制系統(tǒng)，從硬件和軟件設計上進行分析，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)進行了轉速測試，結果表明，直流無刷電機的轉速穩(wěn)定度達到1．5％，符合機載多光譜掃描儀掃描電機的轉速穩(wěn)定度要求。