基于CompactRIO的直流無(wú)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(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于CompactRIO(堅(jiān)固型可重新配置I／O)的嵌入式PID算法，根據(jù)電機(jī)時(shí)序要求，產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過(guò)H橋功放后直接驅(qū)動(dòng)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(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)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(wú)刷電機(jī)；堅(jiān)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(shí)，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(wú)級(jí)快速起動(dòng)、制動(dòng)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(wú)線電干擾、可靠性差等缺點(diǎn)。而直流無(wú)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(wèn)題，同時(shí)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(jiān)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(dòng)化控制器。為嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)。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(duì)掃描電機(jī)(三相直流無(wú)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(jì)，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(duì)基于CompactRIO的直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的嵌入式控制行介紹。

1 直流無(wú)刷電機(jī)
現(xiàn)在通用的直流無(wú)刷電機(jī)有帶位置傳感器的直流無(wú)刷電機(jī)和無(wú)位置傳感器的直流無(wú)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(wú)刷電機(jī)(后面簡(jiǎn)稱(chēng)直流無(wú)刷電機(jī))。直流無(wú)刷電機(jī)由電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子、3個(gè)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(hào)；3路霍爾信號(hào)的電平組合將決定3個(gè)繞組線圈中電流的方向。

2 系統(tǒng)介紹
直流無(wú)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(wú)刷電機(jī)的特定時(shí)序以及霍爾傳感器信號(hào)來(lái)產(chǎn)生控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)經(jīng)功放板放大后變?yōu)榭刂齐姍C(jī)的三相信號(hào)。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(gè)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(mén)數(shù)可達(dá)幾百萬(wàn)門(mén)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(shí)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(wú)刷電機(jī)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(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(shí)還需要加個(gè)半橋，變?yōu)槿珮蚬Ψ牛菙U(kuò)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(qū)動(dòng)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(hào)是TTL電平，顯然無(wú)法滿足全橋工作時(shí)的電平需求。所以功放板上的MOS管驅(qū)動(dòng)器采用自舉電路對(duì)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(dòng)芯片，能驅(qū)動(dòng)上下2個(gè)NMOS管。VB和VS為高壓靖供電；HO為高壓端驅(qū)動(dòng)輸出；VCC和COM為低壓端驅(qū)動(dòng)供電；LO為低壓端驅(qū)動(dòng)輸出；VCC為芯片供電。驅(qū)動(dòng)芯片控制的上下橋臂交替導(dǎo)通。當(dāng)下轎臂導(dǎo)通時(shí)，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(shí)VCC通過(guò)自舉二極管D1對(duì)自舉電容C2充電使其接近VCC電壓。當(dāng)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(dāng)Q1開(kāi)通時(shí)，C2作為一個(gè)浮動(dòng)的電壓源驅(qū)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(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(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而直流無(wú)刷電機(jī)一般都是采用脈寬調(diào)制波，符合其電平擺動(dòng)的要求。