基于三轴转台的无刷直流电机控制系统设计

刘冠达　莫波　曾龙　祝海文　林劲

摘 要：在三轴转台的半实物仿真系统中，通常利用无刷直流电机（BLDCM）控制系统来模拟或复现飞行器在滚转、俯仰、偏航三个自由度上的姿态运动。文章设计了一种附带保护功能的三闭环控制方式的无刷直流电机控制系统，尤其适用于三轴转台各框架电机高速运行时的精确控制。

关键词：三轴转台；BLDCM控制系统；ADSP21363

三轴转台一般用于验证制导控制系统技术性能，评估制导控制系统仪器误差，补充制导控制系统数学模型，改进现有制导控制系统设计方案。而三轴转台的控制系统多采用附带保护功能的三闭环无刷直流电机控制系统，外环为位置环，中环为速度环，内环为电流环。位置环反馈由高相对精度的光电编码器和高绝对精度旋转变压器组合获得，能验证系统的跟踪性能，调节周期实时架构需求。速度环反馈由位置环编码器四倍频值进行滑动微分后得到，调节周期与位置环相同，用于抑制负载扰动和转速波动，保证系统动态和静态特性。电流环设计多选用PI、滞环、参考电流估计等智能控制方式，调节周期50～100us。图1为基于三轴转台的单轴无刷直流电机控制系统结构框图。

1 硬件功能模块

基于三轴转台的无刷直流电机控制系统硬件模块主要包括：CPU控制模块、总线通讯模块、BLDCM驱动模块、反馈信号调理模块等。

1.1 CPU核心控制模块

本系统中设计采用一片DSP加双CPLD作为BLDCM控制系统的核心，将主要的逻辑功能与时序控制交由两片CPLD完成，实时控制、智能算法等计算功能交由DSP处理。DSP控制模块，采用3.3V供电的ADSP21363作为主控制器，32位/40位浮点处理器，时钟频率可达333MHz，可进行复杂数字信号处理；CPLD1、CPLD2均为Altera 的可编程逻辑器件 EPM1270T144C5，分别控制总线通信、电机PWM驱动，AD采集、编码器计数等，图2为BLDCM控制系统原理图。

图2 BLDCM控制系统结构框图

1.2 高速同步AD转换模块

本系统中，电流环最小调节周期设计为50us，频率20kHz，而ADS8365的采样频率为250kHz，足以胜任无刷直流电机电流环采样需求[1]。通过仿真及实验找到合适的采样点后，采样周期仅需等同于电流环最小调节周期即可，相电流采集属于对AD采样频率及精度要求较为苛刻的子系统之一。

1.3 保护模块

保护模块则包括：直流侧电源的欠压、过压检测，母线及三相桥路的过流检测，PTC热敏电阻的温度检测，绝对位置及超速监测。

1.4 BLDCM驱动模块

功率驱动模块：主要由三相无刷直流控制集成电路UCC2626、功率器件驱动芯片IR2130、大功率开关器件MOSFET组成的三相逆变桥，以及相应的传感器和光耦隔离器件构成[2]。

2 信号调理反馈系统

反馈系统设计是BLDCM控制系统的关键部分，因为高速精准可靠的反馈信号采集转换能力是保障实现BLDCM实时控制的核心。BLDCM反馈系统主要包含：基于编码器和旋转变压器的双闭环反馈、等效相电压反馈、三相及母线电流反馈等。

2.1 双闭环位置反馈

位置反馈系统包含旋转变压器与光电编码器。其中，旋转变压器经角位变送处理拥有16位分辨率，用于驱动相应电机上电后回归绝对零位、位置监测；光电编码器固连于电机尾部，结合复杂的DSP及CPLD四倍频逻辑，用于高速精准测量相对增量式位置，得出32位有符号整型的位置信息数字量。旋转变压器安装在框架端，经过角位变送器处理后的输出信号表征各轴框架的单圈（0°～360°）绝对位置，兼备数字量（RS422差分接口）和模拟量（0～10V）。数字量可以设置成按指定频率连续输出，选择一路串口完成通信即可；模拟量需在自研驱动板中将0～10V信号精确转换为0～5V，经AD采集提取后使用。

2.2 相电压反馈

图3为BLDCM相电压检测原理图，无刷直流电机等效电路如左上方的Y接等效电路部分所示，无刷电机定子绕组大多为Y接且中性点N不引出。基于线电压的采集电路易于与实际的物理系统衔接，在逆变桥驱动下，当相应的功率管开通时，相间电压近似等于逆变桥直流侧电压。基于相电压的采集电路比较复杂，但对电机进行数学建模的推导过程中，基于相电压的数学模型比线电压运算更为简便，且曲线直观易观测，便于理解，因此本系统中设计了基于电阻分压法的等效相电压采集调理电路。

2.3 相电流反馈

获取主电路中三相电流信号采样反馈的方式采用电隔离检测的霍尔元件法，采样点选择PWM脉宽中点[3]。霍尔电流传感器量程宽、功耗小、寿命长、安装方便。本系统设计中选用ACS712x30A，其输出线性度66mV/A，可测瞬时过载大电流。ACS712x30A的模拟信号路径噪声低，芯片带宽50kHz，可通过滤波引脚调整。阶跃电流输出响应上升时间5us，输出误差小于1.5%，温漂误差小于4%，内部导通电阻1.2mΩ，隔离性能好，5V单电源供电，输出电压与交流或直流电流成正比例，2.5V为零点，有效线性输出范围为0.5～4.5V。图4中（a）/（b）分别代表采样频率为20kHz时的三相电压与三相电流曲线，图中下方粉色曲线表示测试时PWM占空比为40%。

3 结束语

文章针对三轴飞行仿真转台展开了基于自主研发的配套BLDCM控制系统设计，主要从低功耗的CPU控制架构、高效率BLDCM驱动模块、实时反馈信号采集调理三方面进行了设计。本设计利用BLDCM控制系统较好的实现了飞行器在滚转、俯仰、偏航三个自由度上的姿态运动。在三轴转台的半实物仿真系统中，自主研发的基于DSP+CPLD架构的四路BLDCM驱动板LZ1308A，能独立或辅助NI RT实时仿真计算机完成三轴电机的实时控制功能。LZ1308A适用于控制各种附带光电编码器等位置反馈系统的BLDCM，驱动板控制步长可达1ms，电流负载的能力可达到30A，广泛适用于类似的BLDCM控制场合，有较高实用价值。

参考文献

[1]Datasheet of ADS8365， Information on http：//www.ti.com/product/ads8365[Z].

[2]谭建成.新编电机控制专用集成电路与应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]李峰.直流无刷电机高精度电流采样系统设计[J].电力电子技术，2010，44（5）.endprint

摘 要：在三轴转台的半实物仿真系统中，通常利用无刷直流电机（BLDCM）控制系统来模拟或复现飞行器在滚转、俯仰、偏航三个自由度上的姿态运动。文章设计了一种附带保护功能的三闭环控制方式的无刷直流电机控制系统，尤其适用于三轴转台各框架电机高速运行时的精确控制。

关键词：三轴转台；BLDCM控制系统；ADSP21363

三轴转台一般用于验证制导控制系统技术性能，评估制导控制系统仪器误差，补充制导控制系统数学模型，改进现有制导控制系统设计方案。而三轴转台的控制系统多采用附带保护功能的三闭环无刷直流电机控制系统，外环为位置环，中环为速度环，内环为电流环。位置环反馈由高相对精度的光电编码器和高绝对精度旋转变压器组合获得，能验证系统的跟踪性能，调节周期实时架构需求。速度环反馈由位置环编码器四倍频值进行滑动微分后得到，调节周期与位置环相同，用于抑制负载扰动和转速波动，保证系统动态和静态特性。电流环设计多选用PI、滞环、参考电流估计等智能控制方式，调节周期50～100us。图1为基于三轴转台的单轴无刷直流电机控制系统结构框图。

1 硬件功能模块

基于三轴转台的无刷直流电机控制系统硬件模块主要包括：CPU控制模块、总线通讯模块、BLDCM驱动模块、反馈信号调理模块等。

1.1 CPU核心控制模块

本系统中设计采用一片DSP加双CPLD作为BLDCM控制系统的核心，将主要的逻辑功能与时序控制交由两片CPLD完成，实时控制、智能算法等计算功能交由DSP处理。DSP控制模块，采用3.3V供电的ADSP21363作为主控制器，32位/40位浮点处理器，时钟频率可达333MHz，可进行复杂数字信号处理；CPLD1、CPLD2均为Altera 的可编程逻辑器件 EPM1270T144C5，分别控制总线通信、电机PWM驱动，AD采集、编码器计数等，图2为BLDCM控制系统原理图。

图2 BLDCM控制系统结构框图

1.2 高速同步AD转换模块

本系统中，电流环最小调节周期设计为50us，频率20kHz，而ADS8365的采样频率为250kHz，足以胜任无刷直流电机电流环采样需求[1]。通过仿真及实验找到合适的采样点后，采样周期仅需等同于电流环最小调节周期即可，相电流采集属于对AD采样频率及精度要求较为苛刻的子系统之一。

1.3 保护模块

保护模块则包括：直流侧电源的欠压、过压检测，母线及三相桥路的过流检测，PTC热敏电阻的温度检测，绝对位置及超速监测。

1.4 BLDCM驱动模块

功率驱动模块：主要由三相无刷直流控制集成电路UCC2626、功率器件驱动芯片IR2130、大功率开关器件MOSFET组成的三相逆变桥，以及相应的传感器和光耦隔离器件构成[2]。

2 信号调理反馈系统

反馈系统设计是BLDCM控制系统的关键部分，因为高速精准可靠的反馈信号采集转换能力是保障实现BLDCM实时控制的核心。BLDCM反馈系统主要包含：基于编码器和旋转变压器的双闭环反馈、等效相电压反馈、三相及母线电流反馈等。

2.1 双闭环位置反馈

位置反馈系统包含旋转变压器与光电编码器。其中，旋转变压器经角位变送处理拥有16位分辨率，用于驱动相应电机上电后回归绝对零位、位置监测；光电编码器固连于电机尾部，结合复杂的DSP及CPLD四倍频逻辑，用于高速精准测量相对增量式位置，得出32位有符号整型的位置信息数字量。旋转变压器安装在框架端，经过角位变送器处理后的输出信号表征各轴框架的单圈（0°～360°）绝对位置，兼备数字量（RS422差分接口）和模拟量（0～10V）。数字量可以设置成按指定频率连续输出，选择一路串口完成通信即可；模拟量需在自研驱动板中将0～10V信号精确转换为0～5V，经AD采集提取后使用。

2.2 相电压反馈

图3为BLDCM相电压检测原理图，无刷直流电机等效电路如左上方的Y接等效电路部分所示，无刷电机定子绕组大多为Y接且中性点N不引出。基于线电压的采集电路易于与实际的物理系统衔接，在逆变桥驱动下，当相应的功率管开通时，相间电压近似等于逆变桥直流侧电压。基于相电压的采集电路比较复杂，但对电机进行数学建模的推导过程中，基于相电压的数学模型比线电压运算更为简便，且曲线直观易观测，便于理解，因此本系统中设计了基于电阻分压法的等效相电压采集调理电路。

2.3 相电流反馈

获取主电路中三相电流信号采样反馈的方式采用电隔离检测的霍尔元件法，采样点选择PWM脉宽中点[3]。霍尔电流传感器量程宽、功耗小、寿命长、安装方便。本系统设计中选用ACS712x30A，其输出线性度66mV/A，可测瞬时过载大电流。ACS712x30A的模拟信号路径噪声低，芯片带宽50kHz，可通过滤波引脚调整。阶跃电流输出响应上升时间5us，输出误差小于1.5%，温漂误差小于4%，内部导通电阻1.2mΩ，隔离性能好，5V单电源供电，输出电压与交流或直流电流成正比例，2.5V为零点，有效线性输出范围为0.5～4.5V。图4中（a）/（b）分别代表采样频率为20kHz时的三相电压与三相电流曲线，图中下方粉色曲线表示测试时PWM占空比为40%。

3 结束语

文章针对三轴飞行仿真转台展开了基于自主研发的配套BLDCM控制系统设计，主要从低功耗的CPU控制架构、高效率BLDCM驱动模块、实时反馈信号采集调理三方面进行了设计。本设计利用BLDCM控制系统较好的实现了飞行器在滚转、俯仰、偏航三个自由度上的姿态运动。在三轴转台的半实物仿真系统中，自主研发的基于DSP+CPLD架构的四路BLDCM驱动板LZ1308A，能独立或辅助NI RT实时仿真计算机完成三轴电机的实时控制功能。LZ1308A适用于控制各种附带光电编码器等位置反馈系统的BLDCM，驱动板控制步长可达1ms，电流负载的能力可达到30A，广泛适用于类似的BLDCM控制场合，有较高实用价值。

参考文献

[1]Datasheet of ADS8365， Information on http：//www.ti.com/product/ads8365[Z].

[2]谭建成.新编电机控制专用集成电路与应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]李峰.直流无刷电机高精度电流采样系统设计[J].电力电子技术，2010，44（5）.endprint

摘 要：在三轴转台的半实物仿真系统中，通常利用无刷直流电机（BLDCM）控制系统来模拟或复现飞行器在滚转、俯仰、偏航三个自由度上的姿态运动。文章设计了一种附带保护功能的三闭环控制方式的无刷直流电机控制系统，尤其适用于三轴转台各框架电机高速运行时的精确控制。

关键词：三轴转台；BLDCM控制系统；ADSP21363

三轴转台一般用于验证制导控制系统技术性能，评估制导控制系统仪器误差，补充制导控制系统数学模型，改进现有制导控制系统设计方案。而三轴转台的控制系统多采用附带保护功能的三闭环无刷直流电机控制系统，外环为位置环，中环为速度环，内环为电流环。位置环反馈由高相对精度的光电编码器和高绝对精度旋转变压器组合获得，能验证系统的跟踪性能，调节周期实时架构需求。速度环反馈由位置环编码器四倍频值进行滑动微分后得到，调节周期与位置环相同，用于抑制负载扰动和转速波动，保证系统动态和静态特性。电流环设计多选用PI、滞环、参考电流估计等智能控制方式，调节周期50～100us。图1为基于三轴转台的单轴无刷直流电机控制系统结构框图。

1 硬件功能模块

基于三轴转台的无刷直流电机控制系统硬件模块主要包括：CPU控制模块、总线通讯模块、BLDCM驱动模块、反馈信号调理模块等。

1.1 CPU核心控制模块

本系统中设计采用一片DSP加双CPLD作为BLDCM控制系统的核心，将主要的逻辑功能与时序控制交由两片CPLD完成，实时控制、智能算法等计算功能交由DSP处理。DSP控制模块，采用3.3V供电的ADSP21363作为主控制器，32位/40位浮点处理器，时钟频率可达333MHz，可进行复杂数字信号处理；CPLD1、CPLD2均为Altera 的可编程逻辑器件 EPM1270T144C5，分别控制总线通信、电机PWM驱动，AD采集、编码器计数等，图2为BLDCM控制系统原理图。

图2 BLDCM控制系统结构框图

1.2 高速同步AD转换模块

本系统中，电流环最小调节周期设计为50us，频率20kHz，而ADS8365的采样频率为250kHz，足以胜任无刷直流电机电流环采样需求[1]。通过仿真及实验找到合适的采样点后，采样周期仅需等同于电流环最小调节周期即可，相电流采集属于对AD采样频率及精度要求较为苛刻的子系统之一。

1.3 保护模块

保护模块则包括：直流侧电源的欠压、过压检测，母线及三相桥路的过流检测，PTC热敏电阻的温度检测，绝对位置及超速监测。

1.4 BLDCM驱动模块

功率驱动模块：主要由三相无刷直流控制集成电路UCC2626、功率器件驱动芯片IR2130、大功率开关器件MOSFET组成的三相逆变桥，以及相应的传感器和光耦隔离器件构成[2]。

2 信号调理反馈系统

反馈系统设计是BLDCM控制系统的关键部分，因为高速精准可靠的反馈信号采集转换能力是保障实现BLDCM实时控制的核心。BLDCM反馈系统主要包含：基于编码器和旋转变压器的双闭环反馈、等效相电压反馈、三相及母线电流反馈等。

2.1 双闭环位置反馈

位置反馈系统包含旋转变压器与光电编码器。其中，旋转变压器经角位变送处理拥有16位分辨率，用于驱动相应电机上电后回归绝对零位、位置监测；光电编码器固连于电机尾部，结合复杂的DSP及CPLD四倍频逻辑，用于高速精准测量相对增量式位置，得出32位有符号整型的位置信息数字量。旋转变压器安装在框架端，经过角位变送器处理后的输出信号表征各轴框架的单圈（0°～360°）绝对位置，兼备数字量（RS422差分接口）和模拟量（0～10V）。数字量可以设置成按指定频率连续输出，选择一路串口完成通信即可；模拟量需在自研驱动板中将0～10V信号精确转换为0～5V，经AD采集提取后使用。

2.2 相电压反馈

图3为BLDCM相电压检测原理图，无刷直流电机等效电路如左上方的Y接等效电路部分所示，无刷电机定子绕组大多为Y接且中性点N不引出。基于线电压的采集电路易于与实际的物理系统衔接，在逆变桥驱动下，当相应的功率管开通时，相间电压近似等于逆变桥直流侧电压。基于相电压的采集电路比较复杂，但对电机进行数学建模的推导过程中，基于相电压的数学模型比线电压运算更为简便，且曲线直观易观测，便于理解，因此本系统中设计了基于电阻分压法的等效相电压采集调理电路。

2.3 相电流反馈

获取主电路中三相电流信号采样反馈的方式采用电隔离检测的霍尔元件法，采样点选择PWM脉宽中点[3]。霍尔电流传感器量程宽、功耗小、寿命长、安装方便。本系统设计中选用ACS712x30A，其输出线性度66mV/A，可测瞬时过载大电流。ACS712x30A的模拟信号路径噪声低，芯片带宽50kHz，可通过滤波引脚调整。阶跃电流输出响应上升时间5us，输出误差小于1.5%，温漂误差小于4%，内部导通电阻1.2mΩ，隔离性能好，5V单电源供电，输出电压与交流或直流电流成正比例，2.5V为零点，有效线性输出范围为0.5～4.5V。图4中（a）/（b）分别代表采样频率为20kHz时的三相电压与三相电流曲线，图中下方粉色曲线表示测试时PWM占空比为40%。

3 结束语

文章针对三轴飞行仿真转台展开了基于自主研发的配套BLDCM控制系统设计，主要从低功耗的CPU控制架构、高效率BLDCM驱动模块、实时反馈信号采集调理三方面进行了设计。本设计利用BLDCM控制系统较好的实现了飞行器在滚转、俯仰、偏航三个自由度上的姿态运动。在三轴转台的半实物仿真系统中，自主研发的基于DSP+CPLD架构的四路BLDCM驱动板LZ1308A，能独立或辅助NI RT实时仿真计算机完成三轴电机的实时控制功能。LZ1308A适用于控制各种附带光电编码器等位置反馈系统的BLDCM，驱动板控制步长可达1ms，电流负载的能力可达到30A，广泛适用于类似的BLDCM控制场合，有较高实用价值。

参考文献

[1]Datasheet of ADS8365， Information on http：//www.ti.com/product/ads8365[Z].

[2]谭建成.新编电机控制专用集成电路与应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3]李峰.直流无刷电机高精度电流采样系统设计[J].电力电子技术，2010，44（5）.endprint