一种一拖二直流电机控制器
【摘 要】一种新型永磁直流电机控制器，能够驱动两台永磁直流电机，具备通信、调速、保护等功能，根据实际需要适当增加控制器部件能够实现驱动永磁多台直流电机。具有效率高、使用寿命长、可靠性高等诸多优点。
【关键词】控制器；一拖二；永磁直流电机
1.背景
随着稀土永磁材料、电力电子、微电子、微机、新型控制理论及电机理论的进步，稀土永磁电机的技术发展十分迅速，在航空领域显示出广泛的应用前景和强大的生命力。
目前航空航天上大量使用有刷直流电动机，寿命只几百小时。随着航空技术的不断发展，各航空电机生产厂都面临延长产品寿命的技术压力。当寿命要求提高到 1000 至 2000 小时，有刷直流电动机的自身特点已无法满足要求。无刷直流电动机无电刷和换向器，可以大幅度提高寿命指标。适宜于高速运行。转速越高，电机体积重量可以做得越小。但有刷直流电机由于机械换向的限制，转速很难在现有基础上进一步提高。永磁直流无刷电机在轴承允许的条件下，转速可成倍增加。
高空换向火化加大，影响可靠性，不利于电磁兼容；高空电刷磨损加剧，碳粉影响绝缘性能，减少电机寿命。无刷直流电机则不存在这些问题。无刷直流电机的主要发热源在定子上，自然散热条件好。同时可以方便地在定子壳体中进行油冷或水冷，特别是循油或喷油冷却可以极大地提高电机的功率密度。这对于有刷直流电动机是十分危险的。
直流无刷（BLDC）电机成为了诸如油泵、水泵、冷却风扇和步进电机等需要持续旋转等应用的理想选择，此类电机需求专门的驱动器来驱动。目前，直流无刷电机控制器普遍只能驱动一台直流电机，要驱动两台或多台电机，就需要两台电机控制器。在一些需求驱动两台直流无刷电机且对重量、体积要求比较严格的场合，如航空航天的液压能源系统、方向舵的直驱直流电机控制等，采用传统的方式不能满足要求。因此，需要实现一种能够驱动两台或多台无刷直流电机的控制器。
2.设计方案
小型一拖多永磁直流无刷电机控制器主要有外壳体和内置电路板组成。该电机控制器主要由内置电路有处理板、检测板、主电源滤波板、功率驱动板。主电源输入板、电机驱动输出板组成，具有驱动2台永磁直流电机的能力，通过扩展驱动板可以实现驱动3台以上永磁直流电机。用在航空领域取代传统的有刷电机方案及单输出能力的控制器方案。对于需要多台电机协调进行控制的场合，可以
控制电机实时进行同步，避免了单台控制器之间的通讯协调工作，减小设计难度。
本技术方案是：内层电路设计采用多层板叠加的设计，可以有效的减小控制器尺寸。控制器的处理器采用DSP+FPGA的控制方式，驱动板设计为能同时驱动2台电机永磁直流电机。驱动板需要很好的散热，采用低电压铝基板工艺，具有良好的散热效果，在内置板的结构设计中，其紧贴外壳体底面，这样可以通过整个外壳进行散热。电机的位置检测方式采用旋转编码器，用以取代传统的霍尔位置传感器，旋转编码器需要进行解码计算，通过FPGA的并行处理数据的特点、同时处理2台电机的位置换算。对电机的控制是通过通讯指令进行的，通讯指令采用CAN通讯指令和I/O通讯指令相结合的方式，为避免干扰或错误指令，必须接受到的两个指令相同时，才能进行动作，否则将不执行此命令，并返回错误接受指令信息，提高系统的可靠性。
3.方案实施
小型一拖多永磁直流电机控制器主要是应用在舵机驱动上，对控制器的体积和重量有很高的要求。必须在有限的空间内，从电气、结构上充分地考虑了资源的利用率和共享率，采用叠成PCB板、航空插头引线方式处理，其结构示意图如下图所示。
控制器由信号处理板（2-1-0）、检测板（2-2-0）、主电源滤波板（2-3-0）、功率驱动板（2-4-0）、主电源输入板（2-5-0）、电机驱动输出板（2-6-0）、航空插座和控制器外壳等组成。其中功率驱动板是有MOSFET阵列组成，用于电机功率的输出，需要具有良好的散热功能。在设计时，采用双层铝基板工艺，将铝基板紧贴壳体底部，壳体底部的散热板设计为锯齿状的导热槽，增加散热面积，这样可以将热量通过整个壳体进行散热。为方便安装方便，对外连接采用将通讯接口、2台永磁直流电机三相电机线接口、位置信号接口及电源接口的航空插座焊接在主电源输入板和电机驱动输出板上，然后固定在外壳上。使整个控制器形成一个整体在本发明中无刷直流电动机的位置信号检测采用旋转变压器，旋转变压器的信号处理器采用解码芯片，输出12位绝对位置编码信号，最大检测速率60000rpm，用以取代传统的霍尔传感器。电机旋转一周，解码芯片输出12位2进制数，其变化范围为0～4096。在电机控制方式上采用三相六状态方式，即60o电角度换向一次，因此电机旋转一周需要有P*6次换向控制，其中P表示电机的极对数。旋转变压器的输出信号经过解码芯片解码后，输入到FPGA中，通过实时计算得出换向区间，其计算方式为N=C*P*64096（取整数部分），其中N表示换向区间，范围为0～5，C为解码芯片实时输出的数据。如同时对2台电机控制，利用FPGA并行处理的特点，可以做到并行处理，使电机的位置检测不存在延时处理。
在本发明中处理器采用DSP数字信号处理器+FPGA组合，输出12路PWM信号驱动高速光耦驱动两组三相MOSFET桥，以实现一个驱动器驱动两台电机的功能。两组旋转变压器信号通过解码芯片处理成12位绝对位置编码信号输出，再通过FPGA的数字电路实现换向控制、12路PWM调制和输出速度信号；DSP内部集成的CAN控制器实现CAN总线通信协议，反馈电源电压、两台电机的
速度和电流等信号，接收和执行伺服控制器的命令，I/O口的指令通过DSP的I/O端口读取。DSP与FPGA通过数据总线进行实时数据交换，功能图如下图所示。
其中DSP处理CAN通信协议控制、电压/电流数据采集、电机速度测量和电机驱动控制管理。DSP在通过CAN通讯接口后，进行指令的判断，同时对I/O通讯口进行判断，当两者的命令一致时，确认接受到运行指令，如接受到的信息不一致，则通过CAN通讯返回错误信息，等待新的命令。如接受指令成功，然后根据检测到的速度信号，进行调节PWM占空比的大小后，发出单个PWM信号和电机选择控制信号给FPGA，根据实际检测到的位置信号，FPGA将此PWM信号分配给12路PWM信号驱动中的一路，控制电机转动。控制每台电机，需要一路PWM发生器，DSP内部具有12路PWM产生器，因此可以扩展为多台电机的控制。
4.结论
本小型一拖二直流电机控制器不仅提高了驱动电机的准确性和可靠性，而且实现了对多电机的动态实时监控，从而有效保护电机，提高生产安全性。本产品应用于某舵机上，取代原有的有刷直流电机系统，具有良好的应用效果，满足各种苛刻要求。得到用户的好评。 [科]
【参考文献】
[1]吴守箴，臧英杰.电气传动的脉宽调制控制技术.机械工业出版社.
[2]胡崇岳.现代交流调速技术.机械工业出版社.
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