CN106817049A

CN106817049A - 一种基于soc技术的卫星用直流无刷电机控制器

Info

Publication number: CN106817049A
Application number: CN201710109727.7A
Authority: CN
Inventors: 周华俊; 魏新生; 孙丹; 孙丹峰; 申友涛
Original assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Current assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2017-06-09
Anticipated expiration: 2037-02-24
Also published as: CN106817049B

Abstract

一种基于SOC技术的卫星用直流无刷电机控制器，光电编码器信号处理模块根据光电编码器a相信号、b相信号得到电机转向、倍频脉冲，PWM脉宽调制模块产生PWM调制波，直流无刷电机换相控制模块根据电机霍尔信号、转向控制信号生成得到电机换向逻辑信号，进而得到电机驱动信号并送至电机驱动电路，完成电机换相及驱动，速度采样模块根据倍频脉冲得到电机转速并送至外部。本发明与现有技术相比，解决了现有宇航用芯片中没有集成专用直流无刷电机控制器的问题，具有集成度高、可靠性高的优点。

Description

一种基于SOC技术的卫星用直流无刷电机控制器

技术领域

本发明涉及卫星姿轨控系统的惯性执行机构领域，特别是一种基于SOC技术的卫星用直流无刷电机控制器。

背景技术

NASA在制订未来空间飞行器发展规划时，将微小型化设计技术列为其首要关键技术，中国也将微小型化设计技术作为未来优先发展的技术，航天器控制系统的高功能密度集成是航天器微小型化的核心和基础。

采用SOC技术，一方面能够显著提高星载或弹载电子系统的功能密度，从而降低系统质量、体积与功耗，满足对重量、功耗等指标敏感的新型飞行器需求；另一方面，在SOC设计中可以充分考虑系统防护性能与自恢复性能，有利于提高系统可靠性，因此SOC技术成为解决此关键技术的首选之一；惯性执行机构以往均选用进口处理器，采用SOC技术可以完全实现国产化，因此有着比较好的应用前景，在选用SOC芯片应用过程中重点需要解决的是直流无刷电机控制器设计与实现。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于SOC技术的卫星用直流无刷电机控制器，解决了现有宇航用SOC芯片中无集成的直流无刷控制器的问题，从而提高执行机构控制器的集成度和可靠性。

本发明的技术解决方案是：一种基于SOC技术的卫星用直流无刷电机控制器，包括光电编码器信号处理模块、PWM脉宽调制模块、直流无刷电机换相控制模块、速度采样模块，其中

光电编码器信号处理模块，获取光电编码器的a相信号、b相信号后进行可靠性判断，如果光电编码器的a相信号、b相信号可靠，则根据光电编码器的a相信号、b相信号得到电机转向，同时在光电编码器的a相信号或者b相信号的电平发生变化时，令倍频脉冲为高电平，在光电编码器的a相信号或者b相信号的电平未发生变化时，令倍频脉冲为低电平，进而得到倍频脉冲并送至速度采样模块；如果光电编码器的a相信号、b相信号不可靠，则不进行操作；所述的光电编码器对电机转速进行测量，产生代表电机转速的光电编码器信号a相信号、b相信号；

PWM脉宽调制模块，产生PWM调制波并送至直流无刷电机换相控制模块；

直流无刷电机换相控制模块，获取电机的霍尔信号、转向控制信号后，生成得到电机换向逻辑信号；将PWM调制波、电机换向逻辑信号相与后得到电机驱动信号并送至电机驱动电路，完成电机驱动；所述的转向控制信号为外部根据当前电机转向得到的控制电机转向的信号；

速度采样模块，接收倍频脉冲，根据倍频脉冲得到电机转速并送至外部。

所述的光电编码器信号处理模块对光电编码器的a相信号、b相信号进行可靠性判断的方法包括如下步骤：

(1)连续采集光电编码器a相信号、b相信号，得到多个光电编码器a相信号采样值、b相信号采样值；

(2)如果步骤(1)得到的多个光电编码器a相信号采样值均相等且b相信号采样值均相等，则当前光电编码器a相信号、b相信号可靠，否则当前光电编码器a相信号、b相信号不可靠。

所述的光电编码器信号处理模块根据光电编码器的a相信号、b相信号得到电机转向的方法包括如下步骤：

(1)在采样时钟的上升沿采集光电编码器信号a相信号、b相信号，并记为state；其中，当光电编码器信号a相信号或者b相信号为高电平时，记为1，当光电编码器信号a相信号或者b相信号为低电平时，记为0；

(2)将采样时钟的上升沿之前且最靠近当前上升沿时刻的光电编码器信号a相信号、b相信号状态记为prestate；

(3)如果光电编码器信号a相信号、b相信号的状态转换prestate->state为01->00、00->10、10->11、11->01，则电机为正向转动，如果光电编码器信号a相信号、b相信号的状态转换prestate->state为10->00、00->01、01->11、11->10，则电机为逆向转动。

所述的PWM脉宽调制模块产生PWM调制波的方法包括如下步骤：

(1)产生在循环周期T内从0开始加1直至最大值H、再由最大值H减1直至为0的三角波；所述的T、H为正数；

(2)当步骤(1)产生的三角波数值大于判断阈值H1时，将PWM调制波pwm_i置为低电平，当步骤(1)产生的三角波数值不大于判断阈值H1时，PWM调制波置为高电平，进而得到PWM调制波。

所述的光电编码器信号处理模块、PWM脉宽调制模块、直流无刷电机换相控制模块、速度采样模块通过APB总线互联。

所述的步骤(1)中连续采集光电编码器a相信号、b相信号的频率大于光电编码器工作频率。

所述的光电编码器信号处理模块、PWM脉宽调制模块、直流无刷电机换相控制模块、速度采样模块通过SOC技术实现。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明控制器通过采用SOC技术，与现有技术相比具有集成程度高、体积和功耗小、空间抗辐照和抗单粒子能力强的优点；

(2)本发明控制器通过集成在SOC芯片中，可以有效满足卫星用执行机构的控制需求，且能大大降低执行机构控制器的尺寸、质量和功耗，适应航天器微小型化的需求；

(3)本发明通过提出一种基于SOC技术的直流无刷电机控制器，解决了现有宇航用芯片中没有集成专用直流无刷电机控制器的问题，具有集成度高、可靠性高的优点。

附图说明

图1为一种基于卫星SOC芯片的直流无刷电机控制器功能结构图；

图2为本发明控制器中光电编码器a相信号、b相信号及取沿运算图；

图3为本发明控制器中的PWM调制示意图；

图4为直流无刷电机等效控制电路图；

图5为死区补偿时序图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种基于卫星SOC芯片的直流无刷电机控制器，包括光电编码器信号处理模块、PWM脉宽调制模块、直流无刷电机换相控制模块、速度采样模块，其中，

光电编码器信号处理模块，对光电编码器的两相输入a相信号、b相信号进行滤波(即对光电编码器信号中的a相信号、b相信号进行可靠性判断)，然后进行电机转向提取，生成倍频脉冲cp，并将计算得到的倍频脉冲cp送至速度采样模块。

PWM脉宽调制模块，产生用于电机调速的PWM调制波pwm_i。

直流无刷电机换相控制模块，由外部电机的霍尔信号hall[2:0]和转向控制信号(可由用户写寄存器实现)生成六路电机换向逻辑信号sig_i[5:0]，通过死区发生器得到sig_i[5:0]，和PWM调制波pwm_i进行相与，得到六路电机驱动信号pwm_o[5:0]并送至外部电机驱动电路，完成电机驱动。

速度采样模块，用于电机实时转速的采集；接收光电编码器信号处理模块的倍频脉冲，采样读取倍频脉冲信号值，求取当前倍频脉冲信号值和上次倍频脉冲信号值之差，进而计算得到当前电机转速，并将电机转速存储于相应寄存器中，供用户读取。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述，如图1所示为一种基于卫星SOC芯片的直流无刷电机控制器功能结构图，本发明的总体架构由四大模块组成，每个模块通过AMBA总线体系中的APB片内互联总线互联，可通过修改寄存器的方式对四个功能模块的参数进行修改。光电编码器a相信号、b相信号经光电编码器信号处理模块滤波，并根据滤波后的光电编码器a相信号、光电编码器b相信号生成得到倍频脉冲，输出倍频脉冲cp供速度采样模块计算电机的转速。

PWM脉宽调制模块产生用于调速的PWM控制信号pwm_i供直流无刷电机换相控制模块使用。

如图2所示为本发明控制器中光电编码器a相信号、b相信号及取沿运算图，本发明控制器中光电编码器信号处理模块的滤波过程为进行采样比对，即光电编码器信号处理模块对光电编码器信号a相信号、b相信号进行连续四次采样(本发明方法中的采样时钟频率(芯片系统时钟)远大于光电编码器频率)并判断，若连续四次采样值均相等，则可认为光电编码器信号为可靠信号，能够进行转向信号提取及生成倍频脉冲，否则认为该信号值为干扰信号。当该光电编码器信号为可靠信号时，在采样时钟的上升沿对a相信号、b相信号状态进行检测，进而实现电机转向信号提取并生成倍频脉冲cp。假设a相信号、b相信号在时钟上升沿到来前状态为prestate(a相信号、b相信号的高电平表示1、低电平表示0)，采样时钟的上升沿为state，则由a相信号、b相信号组成的8种状态转换(prestate->state)包括01->00、00->10、10->11、11->01、10->00、00->01、01->11、11->10，根据上述8种状态转换可以判断当前电机的转向，当前四种状态变化时，电机的转向为正，用“1”表示，并将电机转向信号存储于转向检测寄存器中，当后四种状态变化时，电机的转向为负，用“0”表示，并将电机转向信号存储于转向检测寄存器中。本发明方法在每个a相信号、b相信号状态转换时刻产生cp脉冲，即发生上述8种a相信号、b相信号状态转换时，cp脉冲为高电平，其余时刻为低电平，进而得到cp脉冲，存储于寄存器中。

如图3所示为本发明控制器中的PWM调制示意图，PWM调制采用加减计数比较法实现。加减循环计数器从零开始加1计数直到最大值H，然后再减1计数直到零，循环产生周期为T的三角波。设定一个数值H1，与循环计数器的计数值比较，当循环计数器的计数值大于H1时OUT1输出低电平，计数值小于H1时OUT1输出高电平，反复循环，OUT1输出与H1相关的PWM调制信号。通过寄存器设定最大值H，可以改变调制载波的周期，一般调制载波的周期为20kHz～30kHz；通过寄存器设定加减计数器的比较值H1，产生占空比为H1/H的PWM调制波pwm_i，最后将PWM调制波pwm_i、由外部电机的霍尔信号hall[2:0]、转向控制信号(可由用户写寄存器实现)和死区发生器生成的六路电机换向逻辑信号sig_o[5:0]相与，得到六路电机驱动信号pwm_o[5:0]并送至外部电机驱动电路，完成电机驱动控制。

如图4所示为直流无刷电机等效控制电路图，直流无刷电机的转动是由六路电机驱动信号pwm_o[5:0]驱动三相全桥逆变电路实现的，使电流依次流经电机线圈绕组产生顺时针(逆时针)旋转磁场，并与转子磁铁发生电磁效应，驱动电机正转或者反转实现的。

MOS管开通与关闭响应时间存在差异，一般是开通时间小于关闭时间，即MOS管从截止到导通的时间小于晶体管从导通到截止的时间，为了避免上臂(或下臂)MOS管还没完全截止，下臂(或上臂)MOS管就已导通引起上下臂MOS管发生短路，烧坏MOS管的现象，必须对换相控制信号的上升沿进行必要的死区时间延迟，以协调下降沿的实现时间。

如图5所示为死区补偿时序图，为一路死区补偿信号对应的时序图，死区发生器的设计采用饱和计数器的方式，类似于电容的充放电过程，其中UP_IN为逻辑换相模块输出的6路换相信号的其中一路信号，T为延迟计数器，设定最大值为deadtime值，δ为deadtime值(可通过寄存器进行设置)，UP为换相信号UP_IN经过死区补偿后的输出。由于换相控制信号频率远低于PWM调制信号频率，本设计对电机的调速通过把PWM控制信号pwm_i与进行死区时间延迟后的换相逻辑信号sig_o[5:0]相与，调节PWM信号占空比，以调节电机的定子电枢电压来实现。

速度采样模块用于实时采样电机转速值，设计方法是每隔100ms读取一次倍频脉冲cp，求取当前倍频脉冲信号值和上一次倍频脉冲信号值之差delta_cp，则当前电机转速为150*delta_cp/M，M为光码盘信号的刻度，电机转速存储于相应寄存器中，可由用户读取。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims

1.一种基于SOC技术的卫星用直流无刷电机控制器，其特征在于包括光电编码器信号处理模块、PWM脉宽调制模块、直流无刷电机换相控制模块、速度采样模块，其中

2.根据权利要求1所述的一种基于SOC技术的卫星用直流无刷电机控制器，其特征在于：所述的光电编码器信号处理模块对光电编码器的a相信号、b相信号进行可靠性判断的方法包括如下步骤：

3.根据权利要求1或2所述的一种基于SOC技术的卫星用直流无刷电机控制器，其特征在于：所述的光电编码器信号处理模块根据光电编码器的a相信号、b相信号得到电机转向的方法包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种基于SOC技术的卫星用直流无刷电机控制器，其特征在于：所述的PWM脉宽调制模块产生PWM调制波的方法包括如下步骤：

5.根据权利要求1或2所述的一种基于SOC技术的卫星用直流无刷电机控制器，其特征在于：所述的光电编码器信号处理模块、PWM脉宽调制模块、直流无刷电机换相控制模块、速度采样模块通过APB总线互联。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于SOC技术的卫星用直流无刷电机控制器，其特征在于：所述的步骤(1)中连续采集光电编码器a相信号、b相信号的频率大于光电编码器工作频率。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于SOC技术的卫星用直流无刷电机控制器，其特征在于：所述的光电编码器信号处理模块、PWM脉宽调制模块、直流无刷电机换相控制模块、速度采样模块通过SOC技术实现。