CN107592056A - 用于磁悬浮定向仪的陀螺电机转速检测电路及补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于磁悬浮定向仪的陀螺电机转速检测电路及补偿系统，包括直流电源、SPWM控制电路、三相MOSFET集成驱动模块、电流采样转换电路、转速采样处理电路和数字锁相环；电流采样转换电路的输出端连接SPWM控制电路的电流输入端；转速采样处理电路的输出端连接数字锁相环的输入端，数字锁相环的输出端连接SPWM控制电路的转速输入端，SPWM控制电路的输出端连接三相MOSFET集成驱动模块的控制端，三相MOSFET集成驱动模块的直流输入端连接直流电源的输出端。应用本发明可减小陀螺漂移，降低加速时间，提高稳速精度，能够较好地完成陀螺电机加速及稳速控制，同时还能满足陀螺定向仪快速定向的需求。

Description

用于磁悬浮定向仪的陀螺电机转速检测电路及补偿系统

技术领域

本发明涉及磁悬浮定向仪技术领域，特别是涉及一种用于磁悬浮定向仪的陀螺电机转速检测电路及补偿系统。

背景技术

磁悬浮定向仪是一种高精度的摆式陀螺寻北仪。陀螺电机是为磁悬浮定向仪提供动量矩并使之具有陀螺效应的重要元件和敏感元件，转速的大小变化直接影响陀螺电机的角动量，影响寻北定向精度。

电机转速的控制是磁悬浮定向仪精度的重要因素。很多因素会导致无刷直流电机转速波动，引入寻北测量误差，包括电机自身结构引起的齿槽转矩影响、控制电流的非理想方波变化、电源的稳定性，都会导致电磁转矩的随机波动，从而引起转速的随机波动，因此陀螺电机的极高转速(稳速23800RPM)和转速的极高稳定性(+/-0.5RPM)是保证寻北精度的必要条件。

发明内容

为了克服上述现有技术的迫切技术需求，本发明提供了一种用于磁悬浮定向仪的陀螺电机转速检测电路及补偿系统，减小陀螺漂移，降低加速时间，提高稳速精度，能够较好地完成陀螺电机加速及稳速控制，同时还能满足陀螺定向仪快速定向的需求。

用于磁悬浮定向仪的陀螺电机转速检测电路及补偿系统，其特征在于，包括直流电源、SPWM控制电路、三相MOSFET集成驱动模块、电流采样转换电路、转速采样处理电路和数字锁相环；

电流采样转换电路的输入端连接陀螺电机的电流输出端，电流采样转换电路的输出端连接SPWM控制电路的电流输入端；转速采样处理电路的输入端连接陀螺电机转速的输出端，转速采样处理电路的输出端连接数字锁相环的输入端，数字锁相环的输出端连接SPWM控制电路的转速输入端，SPWM控制电路的输出端连接三相MOSFET集成驱动模块的控制端，三相MOSFET集成驱动模块的直流输入端连接直流电源的输出端。

进一步地，所述转速采样处理电路包括依次连接的传感驱动电路、光电传感器、放大整型电路、加速与稳定电路和隔离器；传感驱动电路用于启动光电传感器工作，光电传感器用于采集陀螺电机的转速信号，加速与稳定电路用于对转速信号进行滤波处理后，输出有效信号至放大整型电路，放大整型电路用于对转速信号进行放大和整型后输出给SPWM控制电路；所述传感驱动电路和放大整型电路设置在陀螺电机执行装置中。

进一步地，所述光电传感器包括红外发光二极管、光敏三极管及其驱动电路、编码图，编码图刻印在电机的转动组件上；电机转动时，发光二极管发出的红外光照射在电机侧面上，当侧面为黑色时，光被吸收，没有光反射到光敏三极管上，光敏三极管处于截至状态，通过微处理器进行计数得到电机的转速。

进一步地，所述加速与稳定电路包括转速采集电路、三相电流采集电路、转速与电流采集量处理模块以及速度补偿模块，转速采集电路和三相电流采集电路的输出端连接转速与电流采集量处理模块的输入端，转速与电流采集量处理模块的输出端连接速度补偿模块的输入端。

进一步地，，所述驱动电路模块输入前段采用高速双向缓冲器对PWM信号进行整形，再经高速隔离器进行隔离处理，使SPWM控制电路的PWM信号输出端与陀螺电机供电回路完全隔离。

进一步地，所述三相MOSFET集成驱动模块中的驱动电路采用MSK4300芯片，驱动电路在设计时满足以下要求：

(1)将48V直流电源接至V+(16和15引脚)和RSENSE(12和13引脚)之间；

(2)六路SPWM控制信号分别加到AH、AL、BH、BL、CH、CL六个控制引脚；

(3)给驱动控制保护电路提供的电源为15V，该电压接至VBIAS和GND两端；

(4)按要求在48V电压的正负之间和15V电压的正负之间接入电容器，且两路电压是共负端的即RSENSE和GND引脚接通；

(5)删端是MSK4300的使能端，当被置为“低”时，使模块工作；当其为“高”时则关断模块，信号由CPLD提供；

(5)三相交流电压从A、B和C三个管脚输出。

进一步地，所述SPWM控制电路包括DSP芯片和外围电路；硬件电路需要三种供电电压：1.8V、3.3V和5V；其中1.8V和3.3V分别为DSP内核和IO电压，选用DC-DC转换芯片把5V电压转变为3.3V，3.3V电压再经电阻分压得到1.8V；DSP的时钟选用30MHz晶振，通过内部5倍频，从而得到内部稳定时钟。

本发明所采用的技术方案是：DSP芯片按照一定的算法给出SPWM逻辑控制信号，经过驱动电路后驱动开关管把直流电压转换为一系列高频脉冲方波，通过控制方波脉冲宽度达到模拟正弦电压。为达到系统所要求的精度以及控制的实时性，加反馈电路，把转速、相电流等关心的一些参数测量出来送入控制核心中，从而达到通过实时调整SPWM逻辑控制信号来相应改变输出交流电压的各个参数，使之适应系统的变化。控制部分主要通过DSP芯片及相应外围电路来完成，它的主要作用是结合相应的反馈量(相电流、转速)来给出SPWM逻辑控制信号。LC低通滤波电路的作用是尽可能滤掉各次谐波，输出波形性能良好的正弦波。它的主要任务是根据系统中所存在的谐波情况，设计出合适的电感值和电容值。反馈电路的作用是测量出陀螺电机的实时转速。使用锁相环实时测量转速与预定转速偏差。为了提高设计的模块化水平，变换主电路直接选用三相MOSFET桥集成驱动模块。经过分析和比较最终选取的是MSK公司生产的集成器件MSK4300，使得逆变主电路设计的非常简洁。SPWM控制信号由DSP电路产生，并对DSP输出的控制信号进行整形驱动、隔离处理后，提供给MSK4300。为满足对电机转速进行精确控制的要求，设置了电机三相电流的采样电路，采样信号经A/D转换后提供给DSP。还采用了锁相环(CPLD器件实现)接收来自陀螺电机转速的取样信号，并将该转速信号与由DSP输出的一路转速信号参考值进行比较运算后，产生控制信号给DSP电路使用。这样在SPWM控制波形的控制下，对48V电压进行逆变变换，就能输出所需的三相交流电压驱动陀螺电机。构成了一个完整的测速加补偿的闭环反馈控制系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：是能够完成陀螺电机加速及稳速控制，还能满足陀螺定向仪快速定向的需求。同时所设计的陀螺电机电源，使陀螺能够稳定发挥其良好性能，减小漂移，降低加速时间，提高了控制的精度和灵活性。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为MSK4300驱动模块等效电路结构图；

图3为光电传感器结构图

图4为加速与稳定电路结构图

图5为DSP时钟及仿真器接口电路结构图；

图6为外扩SRAM存储器接口电路结构图；

图7为整形、隔离电路结构图；

图8为数字锁相环原理图；

图9为电流采样框图；

图10为电流采样电路结构图；

图11为DSP与AD7864接口电路结构图；

图12为DSP控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明三相异步陀螺电机转速检测及补偿系统的结构图，包括直流电源、SPWM控制电路、三相MOSFET集成驱动模块、电流采样转换电路、转速采样处理电路和数字锁相环。

电流采样转换电路的输出端连接SPWM控制电路的电流输入端，转速采样处理电路的输出端连接数字锁相环的输入端，数字锁相环的输出端连接SPWM控制电路的转速输入端，SPWM控制电路的输出端连接三相MOSFET集成驱动模块的控制端，三相MOSFET集成驱动模块的直流输入端连接直流电源的输出端。

电流采样转换电路采集三相异步陀螺电机的电流，转速采样处理电路采集三相异步陀螺电机的转速，数字锁相环将采集的转速信号调整为给定频率信号后输出给SPWM控制电路。SPWM控制电路根据反馈的电机电流和转速进行转速闭环控制，输出SPWM控制信号，在SPWM控制信号控制下三相MOSFET集成驱动模块实施对电机供电交流电压的变频变压控制。

图2给出了本发明转速采样处理电路结构图，转速采样处理电路包括依次连接的传感驱动电路、光电传感器和放大整型电路、加速与稳定电路和隔离器。传感驱动电路启动光电传感器工作，光电传感器采集转速信号，加速与稳定电路对转速信号进行滤波处理后，输出有效信号至放大整型电路，放大整型电路对转速信号进行放大和整型后输出给SPWM控制电路。为减小光电转速传感器感应信号受干扰，在最接近传感器的位置对信号整形放大，将传感驱动电路和放大整型电路设置在陀螺电机执行装置中。

图3给出了本发明光电传感器的一种较佳实施方式，为非接触式光电式转速传感器，包括红外发光二极管、光敏三极管及其驱动电路、编码图，编码图刻印在电机的转动组件上，其工作原理是采用红外探测法，利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点进行转速测量。电机转动时，发光二极管发出的红外光照射在电机侧面上，当侧面为黑色时，光被吸收，没有光反射到光敏三极管上，光敏三极管处于截至状态，通过微处理器按特定的算法进行计数，得出电机的时时转速。该传感器的编码图刻印在电机的转动机构上，不干扰电机的平稳性，驱动电路简略可靠，极大的节省了转速采集电路的体积。

图4给出了本发明加速与稳定电路的一种较佳实施方式，包括转速采集电路、三相电流采集电路、转速与电流采集量处理模块以及速度补偿模块，采用了电流反馈、电压反馈、转速反馈控制。缩短了电机加速时间，减少了电机加速所消耗的功率及温升、提高了转速稳定性。按照磁悬浮定向仪的定向公式，推导出定向精度与陀螺电机转速的关系式，根据所检测到的实际转速值进行角动量补偿，借此提高寻北定向精度。

图5给出了本发明SPWM控制电路结构图。SPWM控制电路包括DSP芯片和外围电路。外围电路包括DC-DC转换芯片、30MHz晶振、电复位电路和人工复位电路、TAG仿真接口、外扩SRAM存储器接口，DC/DC转换芯片为控制电路提供有效的各类电源，晶振为DSP处理器工作提供稳定的时钟，复位电路提供随时复位DSP功能，外扩SRAM为DSP处理器工作提供额外的运行空间。

三相MOSFET集成驱动模块包括驱动电路、开关电路和LC低通滤波电路。驱动电路将DSP发出的控制信号按照设定的速度控制电机运转，LC低通滤波电路对控制信号做初步处理，去掉无用干扰信号。

在本发明的一种较佳实施方式中，三相MOSFET集成驱动模块中的驱动电路采用MSK4300芯片。结合图7和图8，驱动电路在设计时注意以下几方面：

(1)将48V直流电源接至V+(16和15引脚)和RSENSE(12和13引脚)之间；

(6)六路SPWM控制信号分别加到AH(4)、AL(3)、BH(1)、BL(2)、CH(9)、CL(8)六个控制引脚；

(7)给“驱动控制保护电路”提供的电源为15V，该电压接至VBIAS(6)和GND(10)两端；

(4)按要求在48V电压的正负之间和15V电压的正负之间接入一定容量的电容器，且两路电压是共负端的(即RSENSE和GND引脚接通)；

(5)删端是MSK4300的使能端，当被置为“低”时，使模块工作；当其为“高”时则关断模块。本设计中，信号由CPLD提供；

(6)三相交流电压从A、B和C三个管脚输出。

在本发明的一种较佳实施方式中DSP芯片采用TMS320LF2407A芯片，DC-DC转换芯片采用TPS75733芯片。DSP芯片必须加上必要的外围辅助电路后才能完成一定的控制功能，系统硬件电路需要三种供电电压：1.8V、3.3V和5V。其中1.8V和3.3V分别为DSP内核和IO电压，选用型号为TPS75733的DC-DC转换芯片把5V电压转变为3.3V，3.3V电压再经电阻分压得到1.8V。DSP的时钟选用30MHz晶振，通过内部5倍频，从而得到非常稳定的内部时钟。在DSP系统中同时设计上电复位电路和人工复位电路，以便于当系统运行中出现故障时可方便地实现人工复位。对于复位电路，一方面应确保复位低电平时间足够长，保证DSP可靠复位；另一方面应保证稳定性良好，防止DSP误复位。

驱动电路模块输入前段采用高速双向缓冲器SN54LVTH245A对PWM信号进行整形，再经高速隔离器HCPL0630进行隔离处理，使DSP的PWM信号输出端与陀螺电机供电回路完全隔离，避免了电机对控制信号可能产生的干扰。另外，4300使能控制端(第7管脚)接收的信号是来自CPLD器件的，也采取与SPWM控制信号相同的整形、隔离处理。

结合图9，数字锁相环采用CPLD实现，按照本发明的一种较佳实施方式，CPLD器件选用EPM1270T14415，与DSPI/0同样采用3.3V逻辑电平，CPLD用来实现数字锁相环和DSPI/O扩展。光电式转速传感器感应转速信号，对转速进行整型后，送入数字锁相环与DSP送出的给定速度频率进行比较，将锁相环输出送入DSP，根据电机稳速要使磁通量保持近似恒定的要求，产生SPWM信号控制电机电源的频率和电压控制电机转速。

结合图10和11，电流采样转换电路包括依次连接的电流传感器、隔离电路和A/D转换电路。以三相交流电压的A相为例，通过电流传感器得到反映A相电流的电压信号，经过隔离后送至A/D转换电路，进行模数转换，再提供给DSP电路，DSP软件对三相信号进行处理，可以实现过流、短路保护等。其中，隔离电路采用AD620隔离器，A/D转换电路采用AD公司的AD7864。

结合图12，DSP与AD7864具体逻辑控制关系由CPLD来完成，通过对CPLD编程实现对AD7864控制端电平状态的置位。逻辑控制的对应关系见表。

AD7864控制信号	对应的DSP信号或状态设置
		CS	A13、A14、A15、IS
RD	STRB、R/W
		WR	STRB、R/W
CONVST	IOPA3
		SL1	置“1”
SL2	置“1”
		SL3	置“1”
SL4	置“1”

DSP的通用I/O引脚IOPA3通过CPLD逻辑变换后用于控制AD7864的引脚，实现由软件控制来启动AD7864的模数转换。DSP的I/O空间选择信号引脚和地址线A13、A14、A15的逻辑组合作为AD7864的片选信号。当有效，即为低电平时，如果地址线A13、A14、A15均为低，则AD7864被片选。此时可以对AD7864进行读写操作，AD7864的地址为#7FFF。DSP读写信号R/W和的组合作为AD7864的读信号，其写信号也由R/W和的组合来控制。当AD7864被片选，且R/w为高时，就可以从AD7864读取数据，此时AD7864的使能信号，分别控制DSP外部程序和A/D转换数据从缓存中送到DSP的数据总线E去写信号必须为高电平。DSP的存储器选通信号和读信号经过逻辑与后作为缓存的使能信号，分别控制DSP外部程序和A/D转换数据从缓存中送到DSP的数据总线上去。

图12给出了本发明DSP芯片的闭环控制方法流程，包括以下步骤：

DSP处理器接收转速反馈量和电流反馈量，进行速度环和电流环的闭环控制，不断对误差量进行评估和修正，使电机在短时间内达到设定转速并稳定在设定转速上。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.用于磁悬浮定向仪的陀螺电机转速检测电路及补偿系统，其特征在于，包括直流电源、SPWM控制电路、三相MOSFET集成驱动模块、电流采样转换电路、转速采样处理电路和数字锁相环；

电流采样转换电路的输入端连接陀螺电机的电流输出端，电流采样转换电路的输出端连接SPWM控制电路的电流输入端；转速采样处理电路的输入端连接陀螺电机转速的输出端，转速采样处理电路的输出端连接数字锁相环的输入端，数字锁相环的输出端连接SPWM控制电路的转速输入端，SPWM控制电路的输出端连接三相MOSFET集成驱动模块的控制端，三相MOSFET集成驱动模块的直流输入端连接直流电源的输出端。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮定向仪的陀螺电机转速检测电路及补偿系统，其特征在于，所述转速采样处理电路包括依次连接的传感驱动电路、光电传感器、放大整型电路、加速与稳定电路和隔离器；传感驱动电路用于启动光电传感器工作，光电传感器用于采集陀螺电机的转速信号，加速与稳定电路用于对转速信号进行滤波处理后，输出有效信号至放大整型电路，放大整型电路用于对转速信号进行放大和整型后输出给SPWM控制电路；所述传感驱动电路和放大整型电路设置在陀螺电机执行装置中。

3.根据权利要求1或2所述的磁悬浮定向仪的陀螺电机转速检测电路及补偿系统，其特征在于，所述光电传感器包括红外发光二极管、光敏三极管及其驱动电路、编码图，编码图刻印在电机的转动组件上；电机转动时，发光二极管发出的红外光照射在电机侧面上，当侧面为黑色时，光被吸收，没有光反射到光敏三极管上，光敏三极管处于截至状态，通过微处理器进行计数得到电机的转速。

4.根据权利要求1或2所述的磁悬浮定向仪的陀螺电机转速检测电路及补偿系统，其特征在于，所述加速与稳定电路包括转速采集电路、三相电流采集电路、转速与电流采集量处理模块以及速度补偿模块，转速采集电路和三相电流采集电路的输出端连接转速与电流采集量处理模块的输入端，转速与电流采集量处理模块的输出端连接速度补偿模块的输入端。

5.根据权利要求1或2所述的磁悬浮定向仪的陀螺电机转速检测电路及补偿系统，其特征在于，所述驱动电路模块输入前段采用高速双向缓冲器对PWM信号进行整形，再经高速隔离器进行隔离处理，使SPWM控制电路的PWM信号输出端与陀螺电机供电回路完全隔离。

6.根据权利要求1或2所述的磁悬浮定向仪的陀螺电机转速检测电路及补偿系统，其特征在于，所述三相MOSFET集成驱动模块中的驱动电路采用MSK4300芯片，驱动电路在设计时满足以下要求：

(1)将48V直流电源接至V+(16和15引脚)和RSENSE(12和13引脚)之间；

(2)六路SPWM控制信号分别加到AH、AL、BH、BL、CH、CL六个控制引脚；

(3)给驱动控制保护电路提供的电源为15V，该电压接至VBIAS和GND两端；

(4)按要求在48V电压的正负之间和15V电压的正负之间接入电容器，且两路电压是共负端的即RSENSE和GND引脚接通；

(5)删端是MSK4300的使能端，当被置为“低”时，使模块工作；当其为“高”时则关断模块，信号由CPLD提供；

(5)三相交流电压从A、B和C三个管脚输出。

7.根据权利要求1或2所述的磁悬浮定向仪的陀螺电机转速检测电路及补偿系统，其特征在于，所述SPWM控制电路包括DSP芯片和外围电路；硬件电路需要三种供电电压：1.8V、3.3V和5V；其中1.8V和3.3V分别为DSP内核和IO电压，选用DC-DC转换芯片把5V电压转变为3.3V，3.3V电压再经电阻分压得到1.8V；DSP的时钟选用30MHz晶振，通过内部5倍频，从而得到内部稳定时钟。