第13卷第4期 中国惯性技术学报 2005年8月 文章编号：1005-6734(2005)04-0043-04
一种高精度无刷直流陀螺电机锁相稳速系统 马 隽，孙纯祥 (航天时代电子公司第十六研究所，西安 710100)
摘要：设计了一种两相无位置传感器无刷直流陀螺电机锁相稳速系统，单片机与可编程逻辑器的结合使系统以简单的电路实现了各种数字信号的处理。锁定时，电机反电势频率脉冲跟踪基准脉冲，电机稳速运行。试验表明：该系统稳速精度高，实用性强，可靠性高。 关 键 词：无刷直流陀螺电机；逻辑编程；锁相环；高精度 中图分类号：U666.1 文献标识码：A
Phase-locked Constant-speed System of a High-accuracy Brushless DC Gyro Motor
MA Juan, SUN Chun-xiang （The 16th Institute, China Aerospace Times Electronics Corporation, Xi’an 710100, China）
Abstract: A phase-locked steady-speed system of two-phase sensorless brushless DC gyro motor is designed. It can combine with single-chip microcomputer and programmable logic controller to realize the processing of digital signals using simple electronics. In phase-locked state, the phase pulse of motor tracks the basis pulse and the motor runs at steady-speed. Experiment shows that the system is practical, reliable and high accuracy. Key word: brushless DC gyro motor; logic program; phase-locked loop; high accuracy
0 引 言 近年来，采用电子换相原理工作的无刷直流电动机（BLDC motor）越来越广泛地应用于高精度陀螺仪的驱动。传统的BLDC中转子位置传感器使电机的结构变得复杂，因此，在无刷直流陀螺电机中，应用了无转子位置传感器控制的技术，利用反电势检测电路取代传感器，以提高电路和控制复杂性来降低电机的复杂性[1][2]。同时，为满足陀螺电机对转速稳定度的特殊要求，需要应用锁相环技术。锁相环技术本来用于通信系统，它是一种能够实现跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。数字信号同步功能使锁相环（PLL）技术在其它一些需要高精度频率信号的领域得到了推广应用，PLL在电机高精度速度控制中的应用就是一个成功的例子。 本文以两相无刷直流陀螺电机为样机，设计了一种简单实用的无位置传感器BLDCM锁相稳速控制系统，解决了反电势信号检测、起动及系统保护等问题。单片机和可编程逻辑器件的合理配合使用简化了系统结构，提高了系统实用性。实验表明，该控制系统起动迅速，可靠性好，稳速精度高。
收稿日期：2005-05-14 作者简介：马隽（1978—），男，硕士，专业为精密仪器及机械，研究方向为电机及其控制。 44 中国惯性技术学报 2005年8月 1 系统硬件结构及原理 1.1 系统总体结构及原理 考虑到无刷直流陀螺电机体积小、转动惯量大、运行速度高的特点，本文设计了一种线路简单、可靠性高的锁相稳速电路。陀螺电机转子采用钐钴永磁作磁极，定子绕组采用两相绕组形式，按两相四状态的控制方式工作，逆变器采用带起动限流的双H桥形式[3]。系统结构如图1所示。 电机起动时，转子位置检测电路输出无效，由单片机提供频率逐渐递增的外同步信号，经逻辑处理控制逆变器开关管的导通与截至。同时，频相比较电路处于鉴频工作状态，使电机获得较大的激磁电流，以便顺利起动。当转子达到预定转速时，系统由外同步起动状态切换到内同步反电势控制运行状态，然后加速转子至同步转速，并锁定在同步转速下运行。系统闭环稳速时的调节过程是：当电机转速发生改变时，利用单片机及可编程逻辑器将转子位置信号生成四倍频信号FV(4fv)作为转速（频率）反馈信号。把这一信号与晶振分频产生的基准频率信号FR（4fr）在频相比较器中进行比较，输出一个反映两者相位差的脉冲信号作为脉宽调制信号。此信号经与转子位置信号进行逻辑合成，生成逆变器开关信号，控制电机加速或减速，使电机转速频率严格跟踪基准频率。
1.2 转子位置检测电路 由于无刷直流陀螺电机没有安装转子位置传感器，为获得准确的位置信号，可通过检测电机端电压中包含的反电势得到。位置检测一相原理电路图如图2所示，其中运放及电阻、电容组成二阶有源低通滤波器；电压比较器与电阻组成过零检测电路，将反电势波形变成方波，从而实现转子位置检测。
1.3 信号处理电路 系统中，单片机控制电路、逻辑合成电路、频相比较电路的功能是对各种控制信号、位置信号进行处理以生成功率管开关控制信号，在本系统中总称为信号处理电路。电路原理图如图3所示，信号处理电路与系统其它电路的接口经光耦隔离以提高系统的可靠性。
反电势检测单片机控制电路 逻辑合成 电 路 频相比较电路双H桥逆变器 光电隔离陀螺电机光电隔离晶振分频器保护/隔离电 路
图1 控制系统原理框图
R1R2C1R3C2R4R6C3R51KC4+15 V542312U2A1/4 LM139+15VR7R8OPT1R9+5VHAXUaUx32
1
4
11
U1A
1/4 LM148
567
U1B
1/4 LM148
图2 转子位置检测原理电路图
PAXNCPBYC11RST1P3.0(RXD)2P3.1((TXD)3XTAL24XTAL15P3.2(INT0)6P3.3(INT1)7P3.4(T0)8P3.5(T1)9GND10P3.711P1.012P1.113P1.214P1.315P1.416P1.517P1.618P1.719VCC20U3AT89C2051PMC10CRLR19INT0INT14FVC9HAXHBYOCNCNCHAXHBYPWMR1D12V3Pu4Uf5U26GND7c8b9Df10Pd11D212U113Vcc14U5MC40444fR+5SASXSBSYSASXSBSYVCC20IO719IO618IO416IO517IO315IO214IO113IO012IN9/OE11GND10IN89IN78IN67IN56IN45IN34IN23IN12IN0/CLK1U4
GAL16V8
图3 信号处理电路原理图 第4期 马隽等：一种高精度无刷直流陀螺电机锁相稳速系统 45 信号处理电路是本控制系统的核心，主要控制器件包括AT89C2051PM单片机、可编程逻辑器GAL16V8和频相比较器MC4044。 AT89C2051PM单片机是一种带有2KBFlash可编程、可擦除只读存储器（EEPROM）的低压、高性能8位微型计算机。系统中，单片机为上电复位方式，时钟采用11.0592 MHz石英晶振。通过编程实现电机工作状态判别、电机初始定位、电机外同步变频起动、外同步起动向内同步闭环运行切换、相位判别以及相位延时等工作。单片机的应用使控制电路与由分离元件构成的电路相比大为简化。 逻辑合成电路应用可编程逻辑器GAL16V8对位置信号（HA、HB）、位置延时信号（PA、PB）、脉宽调制信号（PWM）、过流信号（OC）等进行逻辑合成，生成单片机外部中断信号(INT0、INT1) 、四倍频位置信号（4fv）及四路功率开关管动作信号（SA、SX、SB、SY）。 频相比较电路利用了鉴频鉴相器MC4044的九门比较器。由于电机转速的反馈信号总是滞后基准时钟信号，故输出只用U1端即可。频相比较器能获得良好的相位捕捉性能，其工作方式为：四倍频转速（频率）反馈信号4fv与晶振分频后得到的基准信号4fr在九门比较器进行比较，从U1端输出与fv和fr频率差、相位差相关的脉宽调制信号[4]。
2 可编程逻辑器编程及控制波形 本文从实用性的角度出发，充分利用单片机和可编程逻辑器件的功能，实现了对各种信号的综合处理。其中，可编程逻辑器GAL16V8使用ABEL-HDL语言进行编程如下： module bldcm10 title 'basic logic gate Juan.Ma 2004.10' name device 'p16v8s'; HAX,HBY,PAX,PBY,PWM,OC Pin 3,4,5,6,8,9; OE,FV,INT0,INT1,SY,SB,SX,SA Pin 11,12,13,14,15,16,17,18,19; X=.X.; equations NT0=HAX&!HBY#!HAX&HBY; INT1=HAX&HBY#HAX&HBY; FV=!HAX&HBY&PAX&PBY#!HAX&!HBY&!PAX&PBY# HAX&!HBY&!PAX&!PBY#HAX&HBY&PAX&!PBY; SA=PAX&!PBY&OC&!PWM; SX=!PAX&PBY&OC&!PWM; SB=PAX&PBY&OC&!PWM; SY=!PAX&!PBY&OC&!PWM; end bldcm10 锁相稳速控制，保护不动作（OC=1）时，信号处理电路各点波形如图4所示，其中HAX、HBY为转子位置信号，PA、PB为位置延时信号，PWM为脉宽调制信号，INT0、INT1为单片机外部中断信号，FV（4fv）为四倍频位置信号，SA、SX、SB、SY为功率开关管动作信号。
HAXHBYPAXPBYINT0INT1FV(4fv)
PWMSASBSXSY
090180270360450540630720FR(4fr)0 90 180 270 360 450 540 630 720
HAXHBYPAXPBYINT0INT1FV(4fv)FR(4fr)PWMSASBSXSY
图4 控制波形图