基于CompactRIO的直流无刷电机控制系统

摘要：为提高机载多光谱扫描仪的集成化程度，提出了一种新型的直流无刷电机转速控制系统。该系统基于CompactRIO(坚固型可重新配置I／O)的嵌入式PID算法，根据电机时序要求，产生PWM波，经过H桥功放后直接驱动电机。笔者还详细描述了H桥功放的工作原理及自举电路元器件参数的选取规则。文章的结尾部分，对电机控制系统进行了实验测试。在不同的设定转速下，进行实际转速的记录，结果显示，转速控制稳定度达到±1．5％。
关键词：直流无刷电机；坚固型可重新配置I／O；H桥功放；PID控制

在工农业以及航空航天等领域，电机得到了广泛的应用。在实际应用时，电机的转速控制显得尤为重要。
直流电机具有优良的性能，调速方便、调速范围宽、低速性能好、运行平稳，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转，被广泛应用于工业和民用领域。传统的直流电机采取电刷和换相器，以机械方式进行换相从面导致电机容量有限、噪声大、容易产生火花、无线电干扰、可靠性差等缺点。而直流无刷电机使用电子换相器取代了电刷和换相器，从而解决了上述问题，同时又保持了直流电机的优点。
随着电子技术的发展，电子系统朝着集成化的方向发展。NI公司推出的CompactRIO是一种小巧而坚固的工业化控制和采集系统，它是面向嵌入式控制应用的高性能和高可靠性可编程自动化控制器。为嵌入式控制应用提供了一个开放的平台。在上海技术物理研究所研制的最新一代机载多光谱扫描仪中，采用CompactRIO作为嵌入式系统架构，对扫描电机(三相直流无刷电机)的转速控制、黑体参考源的温度控制和多通道图像数据同步采集进行集成化设计，既减小了系统的体积，又提高了系统的可靠性。笔者将对基于CompactRIO的直流无刷电机转速的嵌入式控制行介绍。

1 直流无刷电机
现在通用的直流无刷电机有带位置传感器的直流无刷电机和无位置传感器的直流无刷电机，其相应的控制方法也有所区别。本系统采用的是带位置传感器的三相直流无刷电机(后面简称直流无刷电机)。直流无刷电机由电机转子、定子、3个绕组、霍尔传感器组成。霍尔传感器安装在转子后面，随着转子的旋转输出方波信号；3路霍尔信号的电平组合将决定3个绕组线圈中电流的方向。

2 系统介绍
直流无刷电机控制系统的核心包括CompactRIO和功放板，系统框图如图1所示。

CompactRIO根据直流无刷电机的特定时序以及霍尔传感器信号来产生控制信号。控制信号经功放板放大后变为控制电机的三相信号。上位机可以与CompactRIO进行双向通信，进行转速设置和实际转速显示。

3 硬件部分
控制系统硬件部分主要由2个模块组成：全桥功放板和CompactRIO硬件架构。
3．1 CompactRIO硬件架构
CompactRIO是控制系统的核心，其拥有的FPGA门数可达几百万门以上，并且拥有丰富的可扩展I／O资源，可以在FPGA层面上使用LsbVIEW进行图形化编程。
CompactRIO由实时控制器，带插槽的可重新配置机箱以及各种I／O模块组成。
3．2 功放板
由于直流无刷电机本身没有电刷，所以需要电子换相。电子换相时电流方向按照一定规律变化。绕组中的电流有可能正流也有可能反流。而H桥功放正好可以满足此需求。
严格意义上讲。H桥功放只能导通两相，所以三相电机工作时还需要加个半桥，变为全桥功放，是扩展后的H桥功放。全桥功放由6个NMOS管组成，可以控制三相输出。NMOS管组成的全桥在其前端需要加额外驱动器进行电压的变换，以保证MOS管的完全导通。

电机的供电源是+28 V，下桥MOS管的导通电压VGS(th)，上桥MOS管的导通电压为28V+VGS(th)。而CompactRIO输出的信号是TTL电平，显然无法满足全桥工作时的电平需求。所以功放板上的MOS管驱动器采用自举电路对上桥MOS管栅极进行升压。
系统中使用了一款高压驱动芯片，能驱动上下2个NMOS管。VB和VS为高压靖供电；HO为高压端驱动输出；VCC和COM为低压端驱动供电；LO为低压端驱动输出；VCC为芯片供电。驱动芯片控制的上下桥臂交替导通。当下轿臂导通时，上桥臂关断，VS脚的电位等予Q2管的饱和导通压降，基本接近COM端电位，此时VCC通过自举二极管D1对自举电容C2充电使其接近VCC电压。当Q2关断时，VS端的电压就会升高，由于电容两端的电压不能突变，因此VB～VS+VCC。当Q1开通时，C2作为一个浮动的电压源驱动Q1；而C2在Q1开通期间损失的电荷在下一个周期得到补充。所以该自举电路其实是利用了VS在高低电平之间的摆动来实现的。而直流无刷电机一般都是采用脉宽调制波，符合其电平摆动的要求。