1、控制力矩陀螺用高速高精度无刷直流电机控制系统*姚嘉，刘刚，房建成 （北京航空航天大学，北京， 100083） 摘要 ：本文分析了大型航天器对控制力矩陀螺电机的性能要求，提出了一种基于 MC33035和硬件锁相环电路的无刷直流电机控制系统，介绍了系统构成，分析了不同模式下的控制方法。通过该系统实现了 CMG 电机的高速高精度稳速控制，并给出了实验结果和波形。 关键词： 无刷直流电机； MC33035；锁相环；稳速控制 High precision speed digital control system of BLDCM for CMG Yao Jia, Fang Jiancheng, Liu
2、Gang (BUAA, Beijing, 100083) Abstract: This paper analyses the need of large spacecraft for Control Moment Gyro(CMG) motor. A control system of BLDCM is presented based on MC33035 and PLL circuit. The structure of system is introduced. The strategies of two different control modes are analyzed. Usin
3、g this system the high precision speed control for high speed BLDCM is realized. In the end, the result and waveform of experiment are given. 1 引言 对于空间站等长期运行的大型航天器，其姿态控制系统是非常重要的子系统。控制力矩陀螺（ CMG）作为姿态控制系统的主要执行机构直接决定了航天器的姿态控制性能和寿命1。 多年来， CMG 动量飞轮多采用机械轴承，由于存在机械摩擦，大大限制了 CMG 的寿命和转速。为了提高 CMG 的转速，延长其寿命，降低功耗，
4、本项目中的 CMG 使用主动磁轴承系统（ AMB）和无铁心结构的高速永磁无刷直流电机驱动系统。永磁无刷直流电机及其控制系统作为 CMG 的驱动系统，对 CMG 的各项性能指标起着至关重要的作用。下文提出的基于 MC33035 和硬件锁相环电路的无刷直流电机数字控制系统实现了对 CMG 电机的高速高精度稳速控制。 2 控制系统构成 CMG 电机的控制系统构成如图 1 所示，主要由控制器、功率驱动电路、锁相环电路、转子位置传感器和电流检测环节构成。 图 1. CMG 电机控制系统组成框图 *863 2 国家高技术领域项目 863-2-2-4-9B“控制力矩陀螺研制”支持 2.1 控制器 控制器主要
5、由集成芯片 MC33035 和电流控制电路构成。 MC33035 是第二代的无刷直流电动机控制器专用集成电路，外接功率开关器件后，可用来控制三相（全波或半波） 、两相和四相无刷直流电动机。其内部集成了转子位置传感器译码器电路，只需将位置传感器信号直接与 MC33035 连接就可方便的检测转子位置并对绕组进行换相。该芯片同时具有脉宽调制比较器、输出驱动电路、欠压封锁保护和限流电路，可进行 PWM 开环速度控制、使能控制、正反转控制和能耗制动控制。 电流控制电路的功能是借助 MC33035 完成对电机本体的电流控制。其输入信号包括电流反馈信号和电流设定信号，控制电路对其进行 PID 运算后将结果送
6、至 MC33035 的误差放大器同相输入端，从而控制 PWM 占空比使电机绕组中的电流跟随设定值变化。 2.2 功率驱动电路 功率驱动电路原理如图 2 所示。 图 2 功率驱动电路原理图 由于 CMG 用无刷直流电机绕组为三相 Y 形连接采用两相导通 6 状态的工作方式， 故采用三相桥式逆变电路，其中主功率开关器件采用 12 脚塑封的三相逆变桥功率模块MPM3003。在电源的母线上串接入一个霍尔效应磁场补偿式电流传感器对电机的工作电流进行实时检测。 传感器的输出信号经过比例放大和限幅后输出给控制器作为电流反馈信号进行电流控制。同时，将该信号分压后接入 MC33035 的电流检测输入端作为过电流
7、的保护动作信号。 为避免正常的电流冲击引起的保护误动作， 可在电流检测输入端加入延时吸收电路。 2.3 锁相环电路 由于航天器姿态控制系统对 CMG 的稳速精度要求很高（ 0.1%以上） ，如果采用普通的电机速度闭环控制很难达到指标要求，必须借助锁相环（ PLL）技术进行电机的稳速控制。 锁相环应用于电机稳速时，压控振荡器一般由功率放大器和电机本体所取代，反馈回路为霍尔速度信号。由于相位是频率的积分，锁相环是进行相位比较的，因此能使电机速度控制达到很高的精度。本系统采用电动机控制专用 PLL 集成电路 TC9242。它采用两个8bitDAC(数字 /模拟转换器 )分别作为 F/V 和 P/V
8、变换。当 FGIN端反馈频率变化时 ,即电机转速不稳定时， AFC（自动频率控制端）和 APC（自动相位控制端）输出变化如下： （ 1） FGIN在锁相范围以下时， AFC 和 APC 为高电平（ H） ； （ 2） FGIN在锁相范围以上时， AFC 和 APC 为低电平（ L） ； （ 3） FGIN在锁相范围之内时， AFC 线性输出， AFC 随着转速信号 FGIN的增大而减小。APC 输出锯齿波形，若反馈转速信号 FGIN小于设定频率信号 f0， APC 输出斜率为正的锯齿波；若反馈转速信号 FGIN大于设定频率信号 f0， APC 输出斜率为负的锯齿波。如图 3 所示。 图 3.
9、FGIN在锁定范围内时的 APC 输出 晶体振荡器频率 fx的计算公式为： fx=128Kn0aN/60 式中： K分频系数可选 20 或 27； N分频系数可选 3、 4 或 5； a每转脉冲数； n0锁定转速（ rpm） 。 对于本文中的电机来说，若 n0 20000rpm，取 K 20， N 3， a 4，晶体振荡器频率为： fx=128 20 20000 3 4/60 10.24（ MHz） ，其速度反馈输入信号（即位置传感器信号）最大频率为 20000 4/60 1.33（ kHz） ，满 足 TC9242 的工作条件。因此，可直接把 CMG电机的转子位置霍尔传感器信号输入给 TC9
10、242 的速度反馈端 FGIN。 3 控制方法 为了满足高精度稳速的要求，本系统采用锁相环路进行电机转速的高精度控制。锁相环控制电路虽然具有稳速精度高的优点，但也存在锁相速度缓慢、电机转速必须在锁相范围内才可锁相等不足。为克服该缺点本系统对 CMG 电机采取两种不同的控制模式：当电机转速不在锁相范围以内时，由控制器对电机进行恒流升速或降速控制，把电机转速带入锁相范围内；当电机转速处于锁相范围时，由锁相环电路和控制器对电机进行锁相稳速控制。 3.1 锁相范围外的升降速控制 由于 CMG 工作特性的要求，希望当电机转速由于干扰出锁或者处于升速阶段时控制系统能够较快地将电机转速带入锁相范围以内。因此
11、，在锁相范围以下时，本系统对电机进行恒流升速，驱动电流不会因为转速的升高而下降，避免升速效率降低；在锁相范围以上时，切断电流使电机降速，直至转速返回锁相范围。 该控制模式可通过控制器的电流控制电路进行电流闭环控制来实现。 电流闭环控制原理如图 4 所示。当电机转速低于锁相范围时，将设定值置为一个常值（该常值的大小代表了恒流值的大小） ， 电流控制电路的输出来控制 MC33035 的 PWM 脉冲占空比使绕组中的电流跟随电流设定值；当电机转速高于锁相范围时，将电流设定值置零切断电流。 图 4. 无刷直流电机电流闭环控制原理框图 由上文对锁相环电路原理和特性的阐述可知，当 FGIN在锁相范围以下时
12、， AFC 和 APC为高电平； FGIN在锁相范围以上时， AFC 和 APC 为低电平。因此，把转速信号（即一路转子位置信号）接入 FGIN后，便可用 AFC 或 APC 作为电流控制信号对电机进行恒流升速或降速控制。 实际应用中为便于系统在锁相环模式下工作和避免使用切换电路以提高系统可靠性，此处将 TC9242 的 AFC 和 APC 两路信号进行比例和相加运算后输出给电流控制电路的(a) INFG0f时 APC 输出 电流设定端的。显而易见，这同样可以达到以上的控制目的。 3.2 锁相范围内的锁相环稳速控制 当 CMG 电机的转速进入到锁相环电路的锁相范围以内时，系统进入锁相环控制模式
13、，锁相环电路开始工作。图 5 所示为锁相环控制模式下的原理框图。 图 5. 无刷直流电机锁相环控制原理框图 此时，系统是一个以锁相环为外环，电流环为内环的双闭环控制系统。锁相环电路的输出 AFC 和 APC 经过比例和相加运算后输出到电流控制电路的电流设定端作为电流环的参考给定，再由电流控制电路对电机的电流进行控制达到稳速的目的。与一般的双闭环控制系统不同的是外环为对相位进行控制的锁相环，其控制精度要远高于普通的转速外环。 4 实验结果 使用文中提出的基于 MC33035 和硬件锁相环电路的无刷直流电机控制系统对 CMG 电机进行 20000rpm 稳速实验。升速曲线和锁相稳速曲线如图 6 和
14、图 7 所示。 图 8.升速曲线（目标转速 20000rpm） 图 9. 锁相环控制模式下的电机稳速曲线 图 9 为进入锁相范围后在锁相环控制模式下的稳速曲线。由稳速曲线可见，锁相环控制模式下 CMG 电机的稳速精度达到了 0.01%以上。 5 结论 以上实验结果和波形表明，基于 MC33035 和硬件锁相环电路的无刷直流电机控制系统能够稳定可靠地驱动 CMG 电机，并将其转速带入锁相范围以内；在锁相环控制模式下能够利用锁相环电路对转速进行高精度控制。由该系统控制驱动的 CMG 电机有较好的瞬态和稳态性能，能够满足航天器姿态控制系统对控制力矩陀螺的性能要求。 参考文献 1 房建成 . 民用航天
15、科技预研方案论证报告 . 北京航空航天大学 ,2001. 2 谭建成 . 电机控制专用集成电路 . 北京 :机械工业出版社 ,1997. 3 Guan Chyun Hsieh, James C. Hung. Phase Lock Loop Techniques. IEEE Transaction on Industry Electrionics， 1996， 43（ 6） ： 609 615. 4 D F Geiger. Phaselock Loops for DC Motor Speed Control M. John Wiley & Sons, 1981. 作者简介：姚嘉，北京航空航天大学仪器与光电工程学院硕士研究生，主要研究方向为控制力矩陀螺用无刷直流电机的高精度稳速控制、低功耗控制和数字控制。 联系方式：北京航空航天大学 第五研究室 邮编： 100083
