基于DSP的高速陀螺轉子控制系統

韓文波，孟超，程子珍

（1.長春理工大學　光電工程學院，長春　130022；2.長春理工大學　理學院，長春　130022）

基于DSP的高速陀螺轉子控制系統

韓文波1，孟超1，程子珍2

（1.長春理工大學光電工程學院，長春130022；2.長春理工大學理學院，長春130022）

為控制力矩陀螺高速轉子系統壽命試驗設計伺服系統，實現對高速轉子的穩速控制，選用無刷直流電機作為伺服系統執行結構。從電機結構出發，分析工作原理，建立數學模型。對控制系統進行建模仿真，驗證系統可行性。硬件平臺以DSPF2812為核心設計控制模塊，采用橋式驅動電路和功率驅動作為逆變器驅動電機。軟件則采用C語言在CCS環境下實現PID控制算法完成對電機轉速的控制實現。實驗結果表明，本系統穩定性好、控制精度高、響應迅速，滿足高速轉子壽命試驗測試要求。

陀螺高速轉子；無刷直流電機；DSP（數字信號處理器）；PID控制器

姿態控制系統由姿態傳感器、控制系統和執行機構三部分組成。控制力矩陀螺控制精度高、轉矩大、穩定性高、功耗小，可以滿足大型航天飛行器需要。在控制力矩陀螺中，轉子的特性對整個控制力矩陀螺有顯著影響。本文選用無刷直流電機作為執行元件，設計電機控制系統，為陀螺轉子提供穩定轉速。

本文主要介紹無刷直流電機的工作原理，通過Matlab對控制系統進行仿真，驗證系統可行性。以DSP2812為核心設計控制系統的硬件電路，在系統硬件平臺的基礎上設計軟件，調節電機轉速。最后對控制系統進行測試，分析系統響應結果。

1　無刷直流電機控制系統仿真

無刷直流電機本體結構由兩部分組成，繞組線圈和鐵芯組成的電機定子以及永磁體組成的電機轉子，通過控制繞組線圈電流方向產生與永磁體轉子磁場正交的磁場使電機運行。在內部裝有位置傳感器，其輸出信號可解析轉子位置和換向，并計算轉子轉速。

根據電機工作特性可知，電機的機械運動方程為：

式中TL為負載轉矩，J為轉動慣量，B為粘滯摩擦系數。

電機的轉矩方程為：

轉速方程為：

式中uab為電樞供電電壓，Ia為電樞電流，Φ為勵磁磁通，Ra為電樞回路總電阻，Ce為電動勢系數：

式中p為電磁對數，a為電樞并聯支路數，N為導體數。

根據無刷電機的數學模型，結合電機的工作原理，確定控制系統的控制策略，控制策略框圖如圖1所示。

圖1　無刷電機控制系統控制策略

依照控制系統的控制策略，利用Matlab建立無刷直流電機控制系統的仿真系統，檢驗控制策略的合理性，仿真系統如圖2所示。

圖2　無刷電機控制系統仿真

對電機控制系統進行仿真，得到空載下的目標轉速為10000r/min的仿真結果。從系統轉速響應結果可以看出，超調小、響應快、精度高，可以滿足電機的控制要求。該控制策略可以對電機轉速起到良好的調節作用。圖3為仿真系統空載時轉速響應曲線。

圖3　仿真系統轉速響應曲線

2　控制系統硬件設計

控制系統由控制模塊和驅動模塊構成。控制模塊選用TMS320F2812控制芯片，完成電機運行過程中轉子位置檢測和換向、轉速計算、電流環PID和速度環PID控制器的實現、PWM波形生成以及A/ D轉換等。驅動模塊由電源模塊、逆變器、采樣電路和過流檢測電路組成。逆變器由MOSFET大功率開關和功率管驅動電路組成，通過接收控制電路的信號對電機進行驅動。采樣模塊由母線電流采樣電路組成，實現對無刷直流電機的母線電流采樣。過流檢測電路主要在系統工作時檢測電路的狀態，避免硬件結構被破壞，保護硬件。硬件結構如圖4所示。

圖4　控制系統硬件框圖

2.1控制模塊設計

DSP作為控制模塊的核心，應參考TI官方的技術手冊，恰當選擇芯片組成最小系統。主要包括電源復位、異步通信、晶振電路和信號輸出。

2.2驅動模塊設計

逆變器是驅動模塊的核心，控制模塊輸出的PWM控制信號經逆變器后可以驅動無刷直流電機正常運行。逆變器主要有兩部分組成，一是由大功率開關管組成的全橋驅動電路，完成對電機繞組線圈的通斷和電流換向，并可通過調節開關管的導通時間改變電機繞組端電壓，控制電機轉速。另一部分是功率驅動集成電路，由于控制信號輸出的信號為邏輯電平，驅動能力較差，無法驅動開關管正常工作。另外，由于硬件本身限制，控制模塊輸出的PWM波形直接用于驅動時難以做到波形同步，會對系統控制精度造成影響。而功率驅動集成電路可以提高控制信號的驅動能力，由硬件完成控制信號的波形同步，提高控制精度和系統穩定性。逆變器電路原理圖如圖5所示。

圖5　逆變器驅動電路

2.3控制系統軟件設計

控制系統的軟件主要由主程序模塊和中斷服務子程序模塊兩大部分組成。其中主程序主要完成系統的初始化、中斷向量的配置和系統開啟工作等。中斷服務子程序主要有AD采樣、轉子位置捕捉及轉速解算中斷、硬件保護等。圖6為控制系統軟件結構圖。

圖6　系統軟件結構

主程序模塊為程序建立一個穩定的運行框架，完成DSP時鐘樹的配置，中斷向量配置和中斷標志位置位，外設狀態復原以及通用接口引腳初始化。并進入循環等待中斷觸發。

中斷服務程序完成對電機的控制作用，包括轉子位置檢測與換向、轉速計算，雙閉環PID控制器、相電流檢測與過流保護功能。編寫軟件中斷服務程序時，合理安排程序結構，正確配置中斷標志，考慮中斷觸發的優先級和響應時間，改善系統的響應速度。程序流程圖如圖7所示。

圖7　中斷服務程序流程圖

3　實驗結果與分析

無刷直流電機控制系統組成如圖8所示，主要包括由TMS320F2812芯片搭建的DSP最小系統部分，由 IR2130芯片搭建的電機功率驅動部分，光耦隔離部分，DSP與PC機串行通信部分及電機電流檢測部分。電機采用帶負載阻尼器的直流無刷電機。PC機采用LabVIEW編寫電機控制程序，發送相應的控制命令和監測電機的轉速、電流、電壓等參數。對系統軟、硬件進行聯調，分析系統輸出響應，不斷改進系統參數，提高控制精度。

對無刷直流電機控制系統進行帶載實驗，圖9為目標轉速為9000rpm/min時電機拖動負載的轉速曲線。通過系統帶載測試的響應曲線可以看出，忽略外界干擾和電機的系統誤差，控制系統在6s達到穩態值，此時穩態誤差小于30rpm/min，滿足系統在轉速為1000～10000rpm/min之間時，響應時間小于8s，控制精度小于0.5%的要求。取得了較好的控制效果。

圖8　無刷直流電機控制系統組成實物圖

圖9　無刷直流電機控制系統轉速響應曲線

4　結論

依托DSP高性能的運算能力和合理的程序設計，獲得了較高的控制精度和響應速度。實驗結果可以看出，控制系統響應迅速，超調小，穩定性強，控制精度高，調速范圍寬。可以滿足控制力矩陀螺轉子系統壽命測試實驗的性能要求。

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本系統以DSP為控制核心，簡化了硬件結構；

Gyroflywheel High Speed State Control System Using DSP

HAN Wenbo1，MENG Chao1，CHENG Zizhen2
（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.School of Science，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

It is designed for gyroflywheel module high speed test experiment that the system can guarantee servo system run well.Brushless DC Motor（BLDCM）has been selected as gyroflywheel servo.This paper starts from the structure of the brushless DC motor，dwells on its working principle and establishes a mathematical model.The control system using TI Chips called TMS320F2812DSP as controller.In the part of hardware design which includes peripheral circuits of DSP，signal processing circuit.And the software of control system is given by using C language based on the intergraded development environment CCS.The control system is verified validity，correctness and feasibility by debugging and analyzing the experimental result，and stable hardware platform and smooth software operation meet the design requirements.

gyroflywheel high speed；BLDCM；DSP；PID controller

TP273

A

1672-9870（2015）06-0047-04

2015-10-22

韓文波（1970-），女，副教授，E-mail：hanwenbo@cust.edu.cn