專利名稱：一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁懸浮飛輪驅(qū)動(dòng)用高速直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高精度控制，適用于低功耗、高集成度、高可靠性、高精度的精密航天器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同樣適用于對(duì)功耗、可靠性、集成度要求不太高的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
飛輪系統(tǒng)是中小型空間飛行器關(guān)鍵的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它通過(guò)改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來(lái)產(chǎn)生空間飛行器姿態(tài)控制所需的控制力矩，從而精確地控制空間飛行器的姿態(tài)。
現(xiàn)有的磁懸浮飛輪用電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)分為模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)兩大類。由于以運(yùn)算放大器為核心的模擬控制系統(tǒng)難于實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，難于滿足磁懸浮飛輪高精度控制的需要，而且中小型航天器上的空間和能量供給十分有限，控制系統(tǒng)的體積和功耗是一個(gè)必須謹(jǐn)慎考慮的因素，因此數(shù)字控制系統(tǒng)是必然選擇。
數(shù)字控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在參數(shù)修改方便，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法，能夠滿足高精度控制的要求。另外數(shù)字控制系統(tǒng)適合集成化、模塊化設(shè)計(jì)，相對(duì)于模擬控制系統(tǒng)其體積大大縮小，而且功耗明顯降低，這對(duì)于航天應(yīng)用非常有吸引力。數(shù)字系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)還在于更新?lián)Q代只涉及軟件不用對(duì)硬件進(jìn)行改變，因此控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代變得更加容易實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)有的磁懸浮飛輪電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)一般以DSP為運(yùn)算核心，加上外圍電路構(gòu)成。由于空間環(huán)境十分復(fù)雜，對(duì)電子電路和所用芯片的可靠性有較高的要求，由普通的DSP構(gòu)成的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)雖然能夠完成對(duì)磁懸浮飛輪電動(dòng)機(jī)的控制，但是DSP本身可靠性低，加之需要大量外圍器件的配合，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)可靠性，無(wú)法應(yīng)用于航天。國(guó)外雖然有一些宇航級(jí)的DSP芯片，又對(duì)我國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖，故急需尋求一種能夠應(yīng)用于航天的高可靠性磁懸浮飛輪電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)。
因此，現(xiàn)有的磁懸浮飛輪電動(dòng)機(jī)用控制系統(tǒng)，無(wú)論是模擬控制系統(tǒng)還是基于DSP實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制系統(tǒng)，由于存在大量的外圍電路，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高集成化設(shè)計(jì)，均存在功耗偏大的問(wèn)題，難以滿足航天器上能量供給有限的要求，而且由于從控制器輸出的控制信號(hào)到電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)用PWM脈沖之間有需要有D/A轉(zhuǎn)換電路和PWM脈沖生成電路，進(jìn)一步加大了系統(tǒng)的功耗，降低了系統(tǒng)的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有模擬控制系統(tǒng)和以DSP為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)的不足，提供一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，使其滿足當(dāng)前磁懸浮飛輪電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的需求，并可推廣應(yīng)用到其他對(duì)功耗、可靠性、精度要求較高的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于包括FPGA系統(tǒng)(1)、上位機(jī)接口電路(4)、位置傳感器接口電路(5)、功率模塊(8)、電流檢測(cè)反饋模塊(12)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)(1)通過(guò)上位機(jī)接口電路(4)從上位機(jī)獲得期望轉(zhuǎn)速，該期望轉(zhuǎn)速作為電動(dòng)機(jī)控制算法中的轉(zhuǎn)速參考值；由位置傳感器輸出的數(shù)字化位置信號(hào)經(jīng)位置傳感器接口電路(5)直接輸入至FPGA系統(tǒng)(1)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)(1)解算出電動(dòng)機(jī)當(dāng)前的位置值和速度值，同時(shí)電流檢測(cè)反饋模塊(12)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流值，該電流信號(hào)一路產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)信號(hào)反饋至功率模塊(8)，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，另一路在FPGA(1)的控制下對(duì)該電流值進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換后反饋至FPGA系統(tǒng)(1)，在FPGA系統(tǒng)(1)內(nèi)進(jìn)行位置、速度、電流三環(huán)控制，產(chǎn)生PWM脈沖，該脈沖經(jīng)功率模塊(8)后生成電機(jī)所需的控制電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的高精度控制；同時(shí)FPGA(1)產(chǎn)生降壓斬波B-PWM脈沖，用以調(diào)整加在功率模塊(8)中的三相逆變橋電路功率管的端電壓，從而控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制用電流PWM脈沖的幅值，以降低電流PWM脈沖引起的電動(dòng)機(jī)的渦流損耗。
所述的FPGA系統(tǒng)(1)包括硬件電路部分和在FPGA片內(nèi)基于硬件編程實(shí)現(xiàn)的控制算法部分構(gòu)成，硬件電路部分由一片F(xiàn)PGA芯片和相應(yīng)的電源配置芯片構(gòu)成，在FPGA片內(nèi)基于硬件編程實(shí)現(xiàn)的控制算法包括位置、速度計(jì)算算法(2)、軟件鎖相環(huán)算法(17)、電流調(diào)節(jié)算法(16)、PWM脈沖產(chǎn)生算法(15)、降壓斬波PWM脈沖產(chǎn)生算法(18)、AD控制算法(14)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)(1)從位置傳感器接口電路(5)獲得包含位置值和速度值的脈沖信號(hào)，并解算出該位置值和速度值，該值和從上位機(jī)(3)獲得的期望轉(zhuǎn)速作差生成軟件鎖相環(huán)算法(17)的輸入信號(hào)，軟件鎖相環(huán)算法(17)輸出控制量作為電流參考值，由AD控制算法(14)控制的電流傳感器接口電路(13)獲得的電流反饋值，該參考值和反饋值作差經(jīng)電流調(diào)節(jié)算法(16)，得到電流輸出值，并由PWM脈沖產(chǎn)生算法(15)生成驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的PWM脈沖，結(jié)合降壓斬波PWM脈沖產(chǎn)生算法(18)生成的降壓斬波用PWM脈沖輸出至功率模塊，最終驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
本發(fā)明的原理是由位置傳感器輸出的數(shù)字化位置信號(hào)經(jīng)位置傳感器接口電路直接輸入至FPGA系統(tǒng)，F(xiàn)PGA片內(nèi)實(shí)現(xiàn)的算法根據(jù)輸入的位置信號(hào)，解算出電動(dòng)機(jī)當(dāng)前的位置值和速度值；FPGA系統(tǒng)獲得上位機(jī)給出的期望轉(zhuǎn)速；電流傳感器檢測(cè)的電動(dòng)機(jī)的電流值，該電流信號(hào)一方面產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)信號(hào)反饋至功率模塊，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，一方面通過(guò)由FPGA內(nèi)部算法控制的電流傳感器接口電路進(jìn)行AD采樣，反饋輸入至FPGA系統(tǒng)。FPGA系統(tǒng)進(jìn)行位置、速度、電流三環(huán)控制，產(chǎn)生PWM脈沖，該脈沖經(jīng)高速光耦電路、驅(qū)動(dòng)電路、三相逆變橋，從而產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制所需要的電流PWM脈沖。
由于PWM引起的電動(dòng)機(jī)的鐵耗的大小與電流PWM脈沖的幅值平方成正比，因此降低調(diào)速時(shí)的電流PWM脈沖幅值可以有效地降低電動(dòng)機(jī)的鐵耗。在升速過(guò)程中，反電勢(shì)峰值電壓反饋接口電路檢測(cè)電動(dòng)機(jī)中某一相定子反電勢(shì)峰值電壓，并通過(guò)反電勢(shì)峰值電壓反饋接口電路輸入至FPGA，通過(guò)相應(yīng)的控制算法，產(chǎn)生降壓斬波B-PWM脈沖，該脈沖經(jīng)降壓斬波模塊，用以調(diào)整加在三相逆變橋電路功率管的端電壓，從而控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制用電流PWM脈沖的幅值，有效減低了電流PWM脈沖引起的電動(dòng)機(jī)的渦流損耗。通過(guò)以上方案從而實(shí)現(xiàn)磁懸浮飛輪電動(dòng)機(jī)的低功耗、高精度轉(zhuǎn)速控制。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明采用的FPGA和傳統(tǒng)的以運(yùn)算放大器為核心的模擬控制系統(tǒng)相比，能夠提供更加復(fù)雜的控制算法，從而提高電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度，而且其功耗也顯著降低，在FPGA片內(nèi)基于硬件編程實(shí)現(xiàn)控制算法，和以DSP為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)相比，除了具有一般數(shù)字系統(tǒng)的調(diào)試靈活的特點(diǎn)之外，其功耗進(jìn)一步降低，集成度、可靠性大大提高。
(2)本發(fā)明省去了現(xiàn)有數(shù)字控制系統(tǒng)中的D/A環(huán)節(jié)以及模擬功放中的PWM產(chǎn)生電路，直接在FPGA內(nèi)部調(diào)制成PWM脈沖輸出，簡(jiǎn)化了電路，而且可以在FPGA內(nèi)部進(jìn)行算法并行處理運(yùn)算，加快了系統(tǒng)響應(yīng)速度、減少了時(shí)延、提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。
(3)本發(fā)明在FPGA系統(tǒng)內(nèi)的FPGA芯片內(nèi)基于硬件編程實(shí)現(xiàn)了以往需實(shí)際電路才能實(shí)現(xiàn)的控制算法實(shí)現(xiàn)電路和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)PWM脈沖生成電路，輸出的信號(hào)為所需的控制信號(hào)，即FPGA系統(tǒng)完成控制量的解算之后，輸出的控制信號(hào)為PWM脈沖，F(xiàn)PGA系統(tǒng)和功率模塊之間沒(méi)有D/A轉(zhuǎn)換電路和任何模擬的或者數(shù)字的PWM脈沖產(chǎn)生電路，省去了大量的處理電路，降低了控制系統(tǒng)的功耗，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。
(4)采用FPGA后簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)由于FPGA系統(tǒng)可以進(jìn)行算法的并行處理，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)速度、減少了延時(shí)、提高了系統(tǒng)的控制精度和抗干擾能力。
(5)采用一片F(xiàn)PGA芯片并由在該片內(nèi)基于硬件編程實(shí)現(xiàn)的特定的控制算法降低了現(xiàn)有數(shù)字控制系統(tǒng)功耗大的問(wèn)題。由斬波調(diào)壓控制算法使得三相逆變橋功率管端電壓可調(diào)，該可調(diào)電壓用來(lái)調(diào)整電動(dòng)機(jī)控制用電流PWM波的幅值，從而減小渦流損耗，使得整個(gè)飛輪系統(tǒng)的功耗進(jìn)一步降低。特別適合應(yīng)用于航天等對(duì)功耗有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。
(6)采用位置、速度、電流三閉環(huán)控制算法保證了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高精度控制。通過(guò)在FPGA片內(nèi)基于硬件編程實(shí)現(xiàn)的軟件鎖相環(huán)，使得電動(dòng)機(jī)能夠以較高的精度穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)在任意期望轉(zhuǎn)速下，適合應(yīng)用于高精度的航天器的姿態(tài)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成框圖；圖2為本發(fā)明的控制原理框圖；圖3為本發(fā)明的FPGA系統(tǒng)的硬件電路部分框圖；圖4為本發(fā)明的軟件鎖相環(huán)算法流程框圖；圖5為本發(fā)明的降壓斬波PWM脈沖產(chǎn)生算法原理框圖；圖6為本發(fā)明的功率模塊部分電路框圖；圖7為本發(fā)明的降壓斬波模塊框圖；圖8為本發(fā)明的電流檢測(cè)反饋框圖；圖9為本發(fā)明的電流調(diào)節(jié)算法流程圖；圖10為本發(fā)明的PWM脈沖產(chǎn)生算法流程圖；圖11為本發(fā)明的位置、速度計(jì)算算法流程圖；圖12為本發(fā)明的AD控制算法原理框圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明主要由FPGA系統(tǒng)1、接口電路4、位置傳感器接口電路5、功率模塊8、電流檢測(cè)反饋模塊12組成，其中FPGA系統(tǒng)1包括硬件電路部分和在FPGA片內(nèi)基于硬件編程實(shí)現(xiàn)的控制算法部分構(gòu)成，硬件電路部分由一片F(xiàn)PGA芯片和相應(yīng)的電源配置芯片構(gòu)成，在FPGA片內(nèi)基于硬件編程實(shí)現(xiàn)的控制算法包括位置和速度計(jì)算算法2、軟件鎖相環(huán)算法17、電流調(diào)節(jié)算法16、PWM脈沖產(chǎn)生算法15、降壓斬波PWM脈沖產(chǎn)生算法18、AD控制算法14。功率模塊8包括反電勢(shì)峰值電壓反饋接口電路6、降壓斬波模塊7、高速光耦隔離電路19、驅(qū)動(dòng)電路20、三相逆變橋電路9五個(gè)部分組成。電流檢測(cè)反饋模塊12由電流傳感器10、過(guò)流保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生電路11、電流傳感器接口電路13三個(gè)部分組成。
FPGA系統(tǒng)1通過(guò)接口電路4從上位機(jī)獲得期望轉(zhuǎn)速，作為轉(zhuǎn)速的參考值。位置傳感器接口電路5將位置傳感器檢測(cè)的數(shù)字化的0～5V位置電壓脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～3.3V的FPGA系統(tǒng)1的輸入信號(hào)，該輸入信號(hào)被FPGA系統(tǒng)1獲得之后，經(jīng)位置、速度計(jì)算算法運(yùn)算直接得出電動(dòng)機(jī)當(dāng)前的位置和速度，該位置和速度則是軟件鎖相環(huán)算法17所需的反饋輸入信號(hào)。電流傳感器10檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流值，將其傳給過(guò)流保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生電路11，產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)信號(hào)，并傳給驅(qū)動(dòng)電路20，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，檢測(cè)到的電流值同時(shí)輸入給電流傳感器接口電路13，該電路在AD控制算法14的控制下，對(duì)電流值進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)換成0～3.3V的FPGA系統(tǒng)1的輸入信號(hào)，該信號(hào)則是電流調(diào)節(jié)算16所需的反饋電流值。三閉環(huán)控制算法輸出PWM1-6脈沖，該脈沖經(jīng)高速光耦隔離電路19、驅(qū)動(dòng)電路20、和三相逆變橋電路9產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制所需的電流PWM脈沖，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。反電勢(shì)峰值電壓反饋接口電路6檢測(cè)電動(dòng)機(jī)某一相的反電勢(shì)峰值，并對(duì)電壓值進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換成0～3.3V的FPGA輸入信號(hào)，該信號(hào)結(jié)合反饋回來(lái)的加在三相逆變橋9功率管上的電壓值，進(jìn)行降壓斬波PWM調(diào)制，產(chǎn)生B-PWM1、B-PWM2脈沖，經(jīng)降壓斬波模塊7后，改變?nèi)嗄孀儤?功率管上的電壓值，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)控制所需的電流PWM幅值，從而降低電動(dòng)機(jī)的渦流損耗。
如圖2所示，給出了本發(fā)明的控制原理框圖?？刂圃砣缦律衔粰C(jī)根據(jù)需求給出電動(dòng)機(jī)的期望轉(zhuǎn)速，該期望轉(zhuǎn)速為電動(dòng)機(jī)控制算法中的轉(zhuǎn)速參考值。FPGA系統(tǒng)1獲得當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的位置信號(hào)，并由該位置信號(hào)解算出實(shí)際的位置值和轉(zhuǎn)速值，實(shí)際的轉(zhuǎn)速值輸出至上位機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。期望轉(zhuǎn)速和實(shí)際的位置值、轉(zhuǎn)速值作為FPGA系統(tǒng)1基于硬件編程實(shí)現(xiàn)的軟件鎖相環(huán)算法的輸入信號(hào)；位置環(huán)、速度環(huán)控制算法根據(jù)軟件鎖相環(huán)的輸出判斷當(dāng)前電動(dòng)機(jī)需要加速，或減速還是已經(jīng)進(jìn)入鎖相階段，并生成需要的電流參考值。FPGA系統(tǒng)1根據(jù)采得的電動(dòng)機(jī)的電流信號(hào)作為反饋值，該反饋值和電流參考值經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)算法之后生成所需的電流輸出值，該電流輸出值輸出至PWM脈沖發(fā)生與同步算法，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)需要的PWM脈沖，即PWM1至PWM6。該三環(huán)控制算法使得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制精度大大提高，通過(guò)軟件鎖相環(huán)使得電動(dòng)機(jī)能夠以較高精度穩(wěn)定在任意期望轉(zhuǎn)速下。FPGA系統(tǒng)采樣反電勢(shì)峰值電壓信號(hào)，結(jié)合降壓斬波器的輸出電壓值，和參考電壓依次經(jīng)過(guò)斬波調(diào)壓控制算法、電壓PI控制算法和PWM脈沖發(fā)生與同步算法，輸出降壓斬波用PWM脈沖，即B-PWM1、B-PWM2，該脈沖通過(guò)降壓斬波模塊后改變加在三相逆變橋功率管上的電壓值，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)用電流PWM脈沖幅值。
如圖3所示，給出了本發(fā)明的FPGA系統(tǒng)的硬件電路部分框圖。XC3S50代表本系統(tǒng)采用的FPGA芯片(部分管腳沒(méi)有列出)；X2為有源晶振，給出頻率為50MHz的方波信號(hào)，為整個(gè)FPGA提供時(shí)間基準(zhǔn)；LM317和TPS767D325為電源芯片，分別給FPGA芯片提供1.25V和2.5V、3.3V的基準(zhǔn)電壓；XCF01S為PROM芯片，通過(guò)FPGA_JTAG接口和下載線纜下載并存儲(chǔ)在FPGA中的執(zhí)行程序；MODE為一個(gè)四位撥碼開關(guān)，通過(guò)將相應(yīng)的設(shè)定位置高電平或低電平，來(lái)配置FPGA的工作模式。
如圖4所示，給出了本發(fā)明的鎖相環(huán)算法流程框圖?；谲浖?shí)現(xiàn)的鎖相環(huán)其數(shù)學(xué)模型主要有三部分構(gòu)成比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、重積分環(huán)節(jié)，反饋則是包含有相位信息的速度反饋，其中比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)構(gòu)成鎖頻部分，加上重積分環(huán)節(jié)后構(gòu)成鎖相環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)從上位機(jī)(3)獲得的期望轉(zhuǎn)速和當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速作差后乘以一定的比例系數(shù)，構(gòu)成比例環(huán)節(jié)，采用數(shù)字積分器構(gòu)成比例環(huán)節(jié)，完成對(duì)速度誤差的積分，控制電動(dòng)機(jī)加速或減速運(yùn)轉(zhuǎn)，并判斷是否進(jìn)入鎖相階段，當(dāng)進(jìn)入鎖相階段后重積分環(huán)節(jié)開始作用，進(jìn)行相位鎖定，調(diào)節(jié)PWM脈沖占空比。
如圖5所示，給出了本發(fā)明的降壓斬波PWM脈沖產(chǎn)生算法原理框圖。在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)升速過(guò)程中，利用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)裝置檢測(cè)某相定子反電勢(shì)峰值電壓信號(hào)，將該值加上一個(gè)適當(dāng)?shù)膮⒖茧妷?一般為直流電源電壓的20％)作為降壓斬波器的參考輸入電壓，即使得降壓斬波器的輸出電壓跟隨無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相電動(dòng)勢(shì)的峰值而變化，并將檢測(cè)到降壓斬波器的實(shí)際輸出電壓作為反饋值，之后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生電壓輸出值，該輸出值經(jīng)過(guò)PWM脈沖調(diào)制，輸出B-PWM1和B-PWM2兩路脈沖至降壓斬波模塊，經(jīng)降壓斬波模塊驅(qū)動(dòng)后的脈沖可以改變加在三相逆變橋功率管的端電壓。這種結(jié)構(gòu)減小了電流PWM的幅值，從而有效地降低了由PWM引起的永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的渦流損耗如圖6所示，給出了本發(fā)明的功率模塊部分電路框圖。FPGA系統(tǒng)輸出的PWM1-6脈沖經(jīng)過(guò)高速光耦隔離電路TLP2630后產(chǎn)生脈沖DRPWM1-6傳至IR2130驅(qū)動(dòng)芯片。三相逆變橋電路采用三相全控橋兩兩通電方式，六支IRF3710功率管接在IR2130相應(yīng)的引腳，六支功率管以一定的順序通斷，提供電動(dòng)機(jī)所需的PWM電流脈沖，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高精度控制。
如圖7所示，給出了本發(fā)明的降壓斬波模塊框圖。FPGA系統(tǒng)輸出的B-PWM1和B-PWM2兩路B-PWM脈沖經(jīng)過(guò)高速光耦隔離電路TLP2630后產(chǎn)生脈沖DRB-PWM1和DRB-PWM12傳至IR2118驅(qū)動(dòng)芯片。兩支IRF540功率管接在IR2118相應(yīng)的管腳，該B-PWM脈沖控制兩支功率管的開斷，通過(guò)調(diào)制B-PWM脈沖的占空比可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓+Vo的可調(diào)。該電壓通過(guò)一支型號(hào)為L(zhǎng)A_28NP電流傳感器之后接至三相逆變橋電路8的功率管的+Vo_M端，用來(lái)控制最后輸出的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)用PWM電流脈沖。
如圖8所示，給出了本發(fā)明的電流檢測(cè)反饋模塊12框圖。斬波調(diào)壓輸出電壓+Vo接入至電流傳感器LA_28NP，流經(jīng)傳感器之后接至三相逆變橋功率管+Vo_M端。該傳感器可檢測(cè)電動(dòng)機(jī)繞組中流過(guò)的電流的大小。傳感器檢測(cè)的電流值current經(jīng)比例變換、電平偏移之后輸入至AD芯片，在FPGA的控制下被采樣并輸入至FPGA系統(tǒng)。傳感器檢測(cè)的電流值current經(jīng)調(diào)理之后產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)信號(hào)Itrip，反饋至IR2130，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。
如圖9所示，為本發(fā)明的電流調(diào)節(jié)算法流程框圖。串入電動(dòng)機(jī)母線的霍爾電流傳感器檢測(cè)并輸出一個(gè)與母線電流成正比的微小電流，通過(guò)精密電阻后得到與母線電流成正比的電壓值，該電壓值通過(guò)AD采樣作為電流調(diào)節(jié)算法所需的反饋值。由位置環(huán)、速度環(huán)算法得出電流參考值，由上述參考值和反饋值作差得出偏差量，該偏差量經(jīng)過(guò)PI比例積分算法構(gòu)成閉環(huán)控制算法，最終得出電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)際所需的電流值，該電流值輸出至PWM脈沖產(chǎn)生同步算法，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需的PWM脈沖。
如圖10為本發(fā)明的PWM脈沖產(chǎn)生算法流程框圖。電流調(diào)節(jié)算法生成控制電動(dòng)機(jī)所需的控制量，由FPGA系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)20K的鋸齒波作為載波，通過(guò)信號(hào)調(diào)制，計(jì)算PWM脈沖的占空比，生成電流值PWM脈沖。從位置傳感器接口電路輸出的三路脈沖信號(hào)可以得知當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的位置值，并查換相表求得下一時(shí)刻電動(dòng)機(jī)所要到達(dá)的位置生成對(duì)應(yīng)的換相信號(hào)，換相信號(hào)結(jié)合生成的電流值PWM脈沖則可以輸出六路驅(qū)動(dòng)三相全橋電路用PWM脈沖。
如圖11為本發(fā)明的位置、速度計(jì)算算法流程圖。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)置于電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)部的三個(gè)霍爾傳感器輸出脈沖信號(hào)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)檢測(cè)經(jīng)位置傳感器接口電路變換之后的三路霍爾信號(hào)輸出的脈沖信號(hào)的上升沿和下降沿。當(dāng)電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)霍爾傳感器輸出脈沖信號(hào)，當(dāng)任何一路的霍爾傳感器輸出脈沖信號(hào)產(chǎn)生跳變時(shí)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)讀取該時(shí)刻三路霍爾信號(hào)的電平狀態(tài)，經(jīng)邏輯運(yùn)算后得到電動(dòng)機(jī)此時(shí)的位置值。速度計(jì)算是通過(guò)檢測(cè)某一路霍爾傳感器輸出的脈沖信號(hào)的脈寬周期來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在FPGA系統(tǒng)內(nèi)部建立一個(gè)計(jì)數(shù)器，當(dāng)脈沖信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí)開始給計(jì)數(shù)器清零，并在下一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí)讀取計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值，該計(jì)數(shù)值則包含有速度信息，再將其折算成頻率就可以得到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速值。
如圖12為本發(fā)明的AD控制算法原理框圖。其中ADS7861表示AD采樣芯片，F(xiàn)PGA表示Xilinx公司的XCS350型號(hào)的FPGA芯片，只標(biāo)出主要相關(guān)引腳和主要連接關(guān)系。CLOCK為時(shí)鐘信號(hào)，該信號(hào)在整個(gè)采樣過(guò)程中為采樣系統(tǒng)提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。CS、A0、M0、M1為AD芯片配置信號(hào)，在本AD采樣系統(tǒng)中FPGA系統(tǒng)輸出相應(yīng)電平將該四位配置信號(hào)配置為0000。一次采樣周期過(guò)程中，CONVST信號(hào)為采樣開始信號(hào)，當(dāng)該信號(hào)電平由低變高，開始進(jìn)行一次采樣，采樣結(jié)束后，該信號(hào)電平變低；在采樣轉(zhuǎn)換進(jìn)行時(shí)，BUSY信號(hào)為高，轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，該信號(hào)變低；采樣結(jié)束之后RD信號(hào)由低變高通知FPGA系統(tǒng)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA開始從AD芯片的DATAA口連續(xù)讀取16位數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的3至14位為采樣結(jié)果，該采樣結(jié)果即為當(dāng)前對(duì)應(yīng)的電流反饋值，反饋至電流調(diào)節(jié)算法，以構(gòu)成閉環(huán)控制。
本發(fā)明雖為磁懸浮飛輪電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)，但是其應(yīng)用不失一般性，可以作為一種通用的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)，應(yīng)用者可以根據(jù)其自身的應(yīng)用要求通過(guò)修改軟件算法來(lái)靈活的實(shí)現(xiàn)其算法功能。實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的集成化、低功耗、高可靠性，和對(duì)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的高精度控制。
權(quán)利要求
1.一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于包括FPGA系統(tǒng)(1)、上位機(jī)接口電路(4)、位置傳感器接口電路(5)、功率模塊(8)、電流檢測(cè)反饋模塊(12)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)(1)通過(guò)上位機(jī)接口電路(4)從上位機(jī)獲得期望轉(zhuǎn)速，該期望轉(zhuǎn)速作為電動(dòng)機(jī)控制算法中的轉(zhuǎn)速參考值；由位置傳感器輸出的數(shù)字化位置信號(hào)經(jīng)位置傳感器接口電路(5)直接輸入至FPGA系統(tǒng)(1)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)(1)解算出電動(dòng)機(jī)當(dāng)前的位置值和速度值，同時(shí)電流檢測(cè)反饋模塊(12)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流值，該電流信號(hào)一路產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)信號(hào)反饋至功率模塊(8)，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，另一路在FPGA(1)的控制下對(duì)該電流值進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換后反饋至FPGA系統(tǒng)(1)，在FPGA系統(tǒng)(1)內(nèi)進(jìn)行位置、速度、電流三環(huán)控制，產(chǎn)生PWM脈沖，該脈沖經(jīng)功率模塊(8)后生成電機(jī)所需的控制電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的高精度控制；同時(shí)FPGA(1)產(chǎn)生降壓斬波B-PWM脈沖，用以調(diào)整加在功率模塊(8)中的三相逆變橋電路功率管的端電壓，從而控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制用電流PWM脈沖的幅值，以降低電流PWM脈沖引起的電動(dòng)機(jī)的渦流損耗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的FPGA系統(tǒng)(1)包括硬件電路部分和在FPGA片內(nèi)基于硬件編程實(shí)現(xiàn)的控制算法部分構(gòu)成，硬件電路部分由一片F(xiàn)PGA芯片和相應(yīng)的電源配置芯片構(gòu)成，在FPGA片內(nèi)基于硬件編程實(shí)現(xiàn)的控制算法包括位置、速度計(jì)算算法(2)、軟件鎖相環(huán)算法(17)、電流調(diào)節(jié)算法(16)、PWM脈沖產(chǎn)生算法(15)、降壓斬波PWM脈沖產(chǎn)生算法(18)、AD控制算法(14)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)(1)從位置傳感器接口電路(5)獲得包含位置值和速度值的脈沖信號(hào)，并解算出該位置值和速度值，該值和從上位機(jī)(3)獲得的期望轉(zhuǎn)速作差生成軟件鎖相環(huán)算法(17)的輸入信號(hào)，軟件鎖相環(huán)算法(17)輸出控制量作為電流參考值，由AD控制算法(14)控制的電流傳感器接口電路(13)獲得的電流反饋值，該參考值和反饋值作差經(jīng)電流調(diào)節(jié)算法(16)，得到電流輸出值，并由PWM脈沖產(chǎn)生算法(15)生成驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的PWM脈沖，結(jié)合降壓斬波PWM脈沖產(chǎn)生算法(18)生成的降壓斬波用PWM脈沖輸出至功率模塊，最終驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的功率模塊(8)包括高速光耦隔離電路(19)、驅(qū)動(dòng)電路(20)、三相逆變橋電路(9)、反電勢(shì)峰值電壓反饋接口電路(6)、降壓斬波模塊(7)，F(xiàn)PGA系統(tǒng)(1)將經(jīng)過(guò)降壓斬波PWM脈沖產(chǎn)生算法調(diào)制完成的兩路降壓斬波PWM脈沖B-PWM1、B-PWM2經(jīng)降壓斬波模塊(7)驅(qū)動(dòng)后用來(lái)改變加在三相逆變橋上的電壓值；同時(shí)FPGA系統(tǒng)(1)通過(guò)PWM脈沖產(chǎn)生算法產(chǎn)生六路PWM1至PWM6驅(qū)動(dòng)脈沖直接經(jīng)過(guò)高速光耦隔離電路(19)、驅(qū)動(dòng)電路(20)傳送給三相逆變橋電路(9)，生成直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)電流，從而實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的高精度控制。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的電流檢測(cè)反饋模塊(12)由電流傳感器(10)、過(guò)流保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生電路(11)及電流傳感器接口電路(13)組成，電流傳感器(10)與三相逆變橋電路(9)的輸出相接，用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的電流值，該電流值經(jīng)過(guò)過(guò)流保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生電路(11)產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)信號(hào)，送入功率模塊(8)中的驅(qū)動(dòng)電路20，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)；同時(shí)電流傳感器(10)的檢測(cè)到的電流值輸入至電流傳感器接口電路(13)，在FPGA(1)中的AD控制算法(14)的控制下，電流傳感器接口電路(13)對(duì)電流值進(jìn)行采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入至FPGA系統(tǒng)(1)，構(gòu)成電流調(diào)節(jié)算法(16)中所需的電流反饋值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的軟件鎖相環(huán)算法(17)如下在FPGA片內(nèi)基于硬件編程實(shí)現(xiàn)了鎖相環(huán)數(shù)學(xué)模型中的比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、重積分環(huán)節(jié)，通過(guò)從上位機(jī)(3)獲得的期望轉(zhuǎn)速和當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)速作差后乘以一定的比例系數(shù)，構(gòu)成比例環(huán)節(jié)，采用數(shù)字積分器構(gòu)成比例環(huán)節(jié)，完成對(duì)速度誤差的積分，控制電動(dòng)機(jī)加速或減速運(yùn)轉(zhuǎn)，并判斷是否進(jìn)入鎖相階段，當(dāng)進(jìn)入鎖相階段后重積分環(huán)節(jié)開始作用，進(jìn)行相位鎖定，調(diào)節(jié)PWM脈沖占空比。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的降壓斬波PWM脈沖產(chǎn)生算法如下在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)升速過(guò)程中，利用反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)裝置檢測(cè)某相定子反電勢(shì)峰值電壓信號(hào)，將該值加上一個(gè)參考電壓作為降壓斬波器的參考輸入電壓，即使得降壓斬波器的輸出電壓跟隨無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相電動(dòng)勢(shì)的峰值而變化，并將檢測(cè)到降壓斬波器的實(shí)際輸出電壓作為反饋值，之后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生電壓輸出值，經(jīng)過(guò)PWM脈沖電壓與同步輸出兩路B-PWM脈沖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的FPGA(1)的芯片采用Xilinx公司XCS350系列。
全文摘要
一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，是一種能夠?qū)Υ艖腋★w輪用直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高精度控制的數(shù)字裝置，其主要包括FPGA系統(tǒng)、電流檢測(cè)反饋模塊、位置傳感器接口電路和功率模塊。FPGA模塊從上位機(jī)獲得期望轉(zhuǎn)速，通過(guò)位置傳感器接口電路、電流檢測(cè)反饋模塊獲取位置信號(hào)、電流信號(hào)，按照在FPGA片內(nèi)基于硬件編程實(shí)現(xiàn)的控制算法進(jìn)行運(yùn)算生成控制量并進(jìn)行降壓斬波PWM調(diào)制和PWM調(diào)制，再將調(diào)制后的PWM脈沖經(jīng)功率放大模塊后生成電機(jī)所需的控制電流，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的高精度控制。本發(fā)明通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)了直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制器的集成化、低功耗、高可靠性等特性；通過(guò)先進(jìn)的控制算法實(shí)現(xiàn)了直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的高精度控制。
文檔編號(hào)H02P6/16GK1968003SQ20061011398
公開日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2006年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月24日
發(fā)明者房建成, 文通, 劉剛, 王志強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)