某履帶式全方位平臺的電機控制器設計

，， ，

(1.陸軍裝甲兵學院 兵器與控制系，北京 100072; 2.大連理工大學 盤錦校區，遼寧 盤錦 124000)

0 引言

履帶式全方位平臺采用特殊的全方位履帶設計，在兼顧全方位平臺靈活性的同時利用履帶式設計增大了行動裝置接地面積，解決了通過性不高的問題，具備了較高的越野能力，具有很高的軍事、民用前景。同時為滿足履帶式全方位平臺的特殊運行工況對電機控制系統提出更高的要求：1)為實現全方位移動，多電機獨立協調控制；2)爬坡時具有低轉速高轉矩特性；3)高功率密度；4)較大的調速范圍；5)具有較快的轉矩響應速度以適應復雜的越野環境[1-2]。無刷直流電機(brushless DC motor,BLDC)具有運行效率高、調速性能好的優點，同時結構簡單、運行可靠，越來越多的應用于地面平臺的研制[3-4]。本文設計了一種以DSP28335為主控芯片的無刷直流電機控制器。并對控制器進行了調試試驗，結果表明該控制器運行穩定，響應快速，基本滿足平臺要求。

1 總體設計及電機控制方案

1.1 平臺總體設計方案

平臺包括控制子系統、驅動子系統、電源子系統、移動機構4個部分[5]，平臺的總體結構如圖1所示。

圖1 平臺的總體方案結構圖

平臺采用獨特的履帶設計與電機控制策略。通過綜合控制器解算運動軌跡，并控制信號分配給4個電機控制器進行多電機協調控制，實現平臺特定的運動軌跡[6]。

1.2 控制原理及方案

本文以該履帶式全方位平臺所用的直流無刷電機為控制對象，平臺選用AMETEK公司的IB340006電機，其具體參數如表1所示。

表1 直流無刷電機主要參數

該電機主電路采用星形連接的三相橋式電路，導通方式為二二導通。

電機控制總體設計方案如圖2所示。

圖2 電機控制總體方案

該電機控制系統采用DSP28335為主控芯片，通過CAN總線實現與中央控制通信，將控制指令解算為PWM信號，經過驅動電路實現對無刷直流電機的控制，同時主控芯片通過I/O口以及ADC模塊采集電機位置、電流信號實現轉速、電流雙閉環控制[7]。

2 控制器硬件電路設計

2.1 通信電路設計

電機控制器通過CAN總線實現與中央控制器的通信，實現多電機協調控制。CAN是一種多主式現場總線，傳輸實時性較高、ECU節點較少，抗干擾性能較強，在分布式控制系統方面具有明顯優勢。TMS320F28335 內部集成兩路CAN總線控制器，可以方便的實現CAN總線通信，CAN信號的準確性是電機控制器正常運行的前提，為減少復雜電磁環境對CAN信號的干擾，采用光耦隔離芯片6N137對CAN收發芯片82C250接收到的信號進行電氣隔離以提高系統可靠性，其具體電路如圖3所示。

圖3 CAN通信電路

2.2 驅動電路設計

功率驅動電路多用全控型器件IGBT或MOSFET搭建，IGBT耐壓值較高，一般適用于低頻高壓大功率電機，MOSFET開關速度快，高頻特性較好，多用于高頻低壓小功率電機。針對本平臺所用75 V/1 KW電機，選用MOSFET器件IRF3415。

為滿足平臺復雜越野環境要求，尤其是爬坡時持續過載運行，在實現電機額定功率平穩運行的基礎上，對電機的過載性能提出了更高的要求。為減少不同功率開關器件之間的熱干擾情況，上下橋臂均采用IRF3415。MOSFET器件IRF3415耐壓值為100 V，最大工作電流45A，當平臺復雜路面行駛尤其是工作在爬坡工況時，驅動電機電流較大，為保證電機具有較大的過載能力，同時由于MOSFET并聯使用時具有電流自動均衡能力，故采用兩組MOSFET器件并聯使用，增大功率電路過流能力的同時增強了功率器件的散熱性能。驅動電路直流側采用470 uf/100 V電解電容與104/100 V高頻陶瓷電容并聯使用以提高直流側高頻濾波能力。柵極串連100歐姆電阻為MOSFET提供足夠的驅動電流的同時抑制了開關毛刺，柵源極之間并聯47 K電阻用于抬升驅動電壓的能起到一定的泄流作用[8]。

為保證IRF3415充分穩定導通，柵極驅動電壓應在10到20 V之間，采用專用的功率驅動芯片IR2181對PWM信號進行放大，IR2181采用獨立高低端輸入通道，高端通道采用自舉電路，最高耐壓600 V，兼具光耦及電隔離功能[9]，其具體電路如圖4所示。

圖4 驅動電路

2.3 信號采集電路設計

為實現電機實時控制，信號采集電路在電路設計中是必不可少的，該控制器信號采集電路主要由位置檢測、電流及電壓檢測電路等三部分組成。位置檢測電路通過上拉電阻將5 V霍爾信號轉化為3.3 V邏輯電平，同時RC濾波電路進行濾波，并將位置信號輸入主控芯片，完成換向動作與電機轉速計算，其具體電路如圖5所示。

由電機參數及平臺運行匹配計算得電機最大過載3倍運行時電流43.5 A，故采用霍爾電流傳感器ACS756作為電流檢測元件，該元件最大可測電流50 A，測量精度8%，5 V供電，輸出電壓：

VIout=0.5VCC+I*50 mV/A

(1)

采用LM358設計電壓調理電路，將輸出電壓轉化為穩定0～3 V電壓，輸入主控芯片AD模塊，其具體電路如圖6所示。

圖6 電流檢測電路

電壓檢測電路采用電阻分壓法測量，電路設計較為簡單，即在直流側并聯大電阻進行電壓信號采集。

3 控制器軟件設計

3.1 主控程序設計

主程序采用順序結構配置，主要完成系統初始化、外設模塊的配置、開中斷以及進入主循環，等待中斷請求信號等功能，具體流程如圖7所示。

圖7 主中斷流程圖

3.2 中斷子程序

該控制器軟件部分主要包括主中斷服務子程序、CAN接受中斷子程序以及過電流保護中斷子程序等3個服務子程序。

3.2.1 主中斷程序設計

主中斷子程序是本軟件設計的核心部分，也是實現電機控制算法的主要部分，主要完成電機啟動、速度以及正反轉信號的處理、轉子位置檢測、以及轉速、電流雙閉環PI控制等功能。主中斷服務子程序入口指針指向PWM1，中斷周期80μs。程序流程如圖8所示。

圖8 主中斷流程圖

3個霍爾傳感器相隔120°安裝，當位于霍爾傳感器位置處的磁場極性發生變化時，傳感器的輸出寬度為180度的電平信號，可知每個周期霍爾信號有六個不同的信號狀態，當霍爾信號發生改變時，進行計時，假設兩次計時時間間隔為T(μs)，則電機的轉速約為：

(2)

這樣就完成了電機速度的計算。

主中斷中電機控制采用速度、電流雙閉環控制，每進行25次電流閉環運算，對轉速換進行一次運算，即當計時參數PWMISR等于25時，進行速度環計算，速度環運算周期為2 ms。

3.2.2 CAN通信中斷

CAN接受中斷設置為CAN0模式，當接收到一組CAN信號時，進入中斷子程序，子函數主要實現對中央控制器與驅動器的通信，用于接收來自中央控制器的電機旋轉方向、轉速等控制信號，并為相應的變量賦值，進入主中斷進行運算實現對電機的控制，程序流程如圖9所示。

圖9 CAN接受中斷子程序

3.2.3 保護中斷

電機母線電流經采樣后，經過比較器電路與DSP外部中斷引腳XINT相連，一旦產生過流信號，比較器發送高電平信號，控制器進入外部中斷，封鎖六路PWM信號，禁止PWM輸出，實現控制器的過流保護。

3.3 模糊PID控制

為滿足平臺越野工況下非線性以及強耦合的特點。設計了模糊自適應PID控制器，即提高了平臺的調速性能，消除了靜態誤差，同時又發揮了模糊控制適應能力強的優勢[10-11]，其軟件流程如圖10所示。

圖10 模糊PID計算

4 實驗驗證

采用上述電機與控制器進行了實驗驗證，利用上位機CAN調試軟件通過CAN卡發送控制指令，當給定轉速為3 000 rpm時，中途施加一定負載，利用示波器測得實驗結果如下：圖11為相電流，圖12為相電壓，圖13為電流響應。

圖11 A相電流波形

圖12 A相電壓波形

由上述實驗結果可知，該控制器電流、電壓波形平穩，較為理想，當負載變化時，電流波形響應迅速，初步滿足平臺需求。

圖13 電流響應波形

5 結論

本文立足某履帶式全方位平臺，完成了電機控制系統的硬件電路與軟件設計利用上位機軟件對電機控制器進行了實驗測試，結果表明電機運行穩定，電壓電流波形較為理想，說明控制器設計正確合理，初步滿足平臺需求，為下步整車實驗與今后的控制策略設計實驗奠定了基礎。