一种应用在装甲车枪塔的电机控制器的制作方法

本实用新型涉及电机控制技术领域，尤其是一种应用在装甲车枪塔的电机控制器。

背景技术：

目前应用在装甲车枪塔上的电机控制器以直流电机为主，直流电机在应用时，电机本身存在转矩脉动，控制上又缺少电流环闭环控制，转矩响应较差，直流电机控制理论比较简单，电机在低转速大负载时，所表现的转速精度较低，影响调枪和稳瞄时速度精度和射击效果；枪塔控制系统内方位和俯仰两个电机，需要安装两台电机控制器；在系统集成度、小型化、重量等方面存在不足。

综上所述，研发一种能够解决电机本身转矩脉动引起的控制精度不足的问题，且能提高电机带载时转矩和转速响应速度，并且能控制方位、俯仰两个电机的控制器，成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种应用在装甲车枪塔的电机控制器，能够解决电机本身转矩脉动引起的控制精度不足的问题，且能提高电机带载时转矩和转速响应速度，并且能控制方位、俯仰两个电机。

本实用新型解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种应用在装甲车枪塔的电机控制器，包括电机，还包括双通道电机控制器，所述电机包括方位电机和俯仰电机，且方位电机和俯仰电机均采用永磁同步电机，所述双通道电机控制器包括控制板、功率板和散热器，所述控制板位于功率板的上方，所述散热器位于功率板的下方，且紧贴功率板背面的功率器件；

所述双通道电机控制器还包括电源电路、运动控制电路、驱动电路、功率电路、采样和反馈电路、通信电路。

优选的，所述电源电路包括控制电源和驱动电源，所述采样和反馈电路包括速度反馈采样电路和电流反馈采样电路。

优选的，所述控制板上包括控制电源、运动控制电路、速度反馈采样电路和通信电路；所述功率板上包括驱动电路、功率电路、驱动电源和电流反馈采样电路。

优选的，所述电源电路与上位机相连，用于将上位机所供给的28V电源，转换成各个电路的工作电源，包括+15V、+5V、+3.3V、+2.5V和+1.8V五种工作电压，分别为其他功能电路提供相应的控制电源或驱动电源。

优选的，所述运动控制电路包括DSP数字信号处理器、FPGA现场可编程门阵列和CPU辅助电路，用于接收上位机发出的电机运动指令，以及反馈控制器和电机的实时状态。

优选的，所述驱动电路包括光电隔离器件及其辅助器件，用于实现对运动控制电路发出的PWM波形到驱动电路中间的光电隔离和信号功率放大。

优选的，所述方位电机和俯仰电机均通过电流传感器与电流反馈采样电路相连，所述电流反馈采样电路与DSP数字信号处理器相连，所述电流传感器采用霍尔传感器。

优选的，所述所述方位电机和俯仰电机均通过速度传感器与速度反馈采样电路相连，所述速度反馈采样电路与FPGA现场可编程门阵列相连，所述速度传感器采用速度编码器。

优选的，所述控制板、功率板和散热器的各层之间采用六角铜柱相互连接。

优选的，所述运动控制电路中的DSP数字信号处理器上设有人机接口，用于对控制器进行参数配置和测试维修。

与现有技术相比，本实用新型实施例带来了以下有益效果：

1、设计双通道电机控制器，可以实现单个控制器同时控制方位、俯仰两个电机的功能，该双通道电机控制器具备双电机控制能力，提高了系统集成度的同时，也减小了控制器体积和枪塔系统的重量；另一方面，该双通道电机控制器在结构上与上位机一体化设计安装，缩小随动控制系统的体积，有效减少了总体重量，简化了内部布线，优化了总体结构布局。

2、方位电机和俯仰电机均采用永磁同步电机，永磁同步电机相比直流电机转矩响应特性和转速精度控制方面具有明显的优势，同时结合永磁同步电机矢量控制技术和电流、速度双闭环控制方式，使枪塔在快速调枪和稳定射击时，响应速度更快，稳定精度更高，解决了直流电机本身转矩脉动引起的控制精度不足的问题。

3、考虑到双通道电机控制器内存在大功率MOSFET器件，需要良好的散热要求，故将散热板贴近枪塔控制箱体底面，且散热器紧贴功率板背面的功率器件，利用其金属底面协助散热，这样不仅能达到很好的散热效果，同时也减小了电机控制器本身的散热器尺寸。

附图说明

图1为本实用新型一种应用在装甲车枪塔的电机控制器的外形结构图；

图2为本实用新型一种应用在装甲车枪塔的电机控制器的硬件设计架构图；

图3为本实用新型一种应用在装甲车枪塔的电机控制器中双闭环控制原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-3，本实用新型提供的一种实施例：一种应用在装甲车枪塔的电机控制器，包括电机，还包括双通道电机控制器，所述电机包括方位电机和俯仰电机，且方位电机和俯仰电机均采用永磁同步电机，所述双通道电机控制器包括控制板、功率板和散热器，所述控制板位于功率板的上方，所述散热器位于功率板的下方，且紧贴功率板背面的功率器件；所述双通道电机控制器还包括电源电路、运动控制电路、驱动电路、功率电路、采样和反馈电路、通信电路；所述电源电路包括控制电源和驱动电源，所述采样和反馈电路包括速度反馈采样电路和电流反馈采样电路；所述控制板上包括控制电源、运动控制电路、速度反馈采样电路和通信电路；所述功率板上包括驱动电路、功率电路、驱动电源和电流反馈采样电路；所述电源电路与上位机相连，用于将上位机所供给的28V电源，转换成各个电路的工作电源，包括+15V、+5V、+3.3V、+2.5V和+1.8V五种工作电压，分别为其他功能电路提供相应的控制电源或驱动电源；所述运动控制电路包括DSP数字信号处理器、FPGA现场可编程门阵列和CPU辅助电路，用于接收上位机发出的电机运动指令，以及反馈控制器和电机的实时状态；所述驱动电路包括光电隔离器件及其辅助器件，用于实现对运动控制电路发出的PWM波形到驱动电路中间的光电隔离和信号功率放大；所述方位电机和俯仰电机均通过电流传感器与电流反馈采样电路相连，所述电流反馈采样电路与DSP数字信号处理器相连，所述电流传感器采用霍尔传感器；所述所述方位电机和俯仰电机均通过速度传感器与速度反馈采样电路相连，所述速度反馈采样电路与FPGA现场可编程门阵列相连，所述速度传感器采用速度编码器；所述控制板、功率板和散热器的各层之间采用六角铜柱相互连接；所述DSP数字信号处理器上设有人机接口，用于对控制器进行参数配置和测试维修。

工作原理：设计双通道电机控制器，可以实现单个控制器同时控制方位、俯仰两个电机的功能，该双通道电机控制器具备双电机控制能力，提高了系统集成度的同时，也减小了控制器体积和枪塔系统的重量；另一方面，该双通道电机控制器在结构上与上位机一体化设计安装，缩小随动控制系统的体积，有效减少了总体重量，简化了内部布线，优化了总体结构布局；方位电机和俯仰电机均采用永磁同步电机，永磁同步电机相比直流电机转矩响应特性和转速精度控制方面具有明显的优势，同时结合永磁同步电机矢量控制技术和电流、速度双闭环控制方式，使枪塔在快速调枪和稳定射击时，响应速度更快，稳定精度更高，解决了直流电机本身转矩脉动引起的控制精度不足的问题；考虑到双通道电机控制器内存在大功率MOSFET器件，需要良好的散热要求，故将散热板贴近枪塔控制箱体底面，且散热器紧贴功率板背面的功率器件，利用其金属底面协助散热，这样不仅能达到很好的散热效果，同时也减小了电机控制器本身的散热器尺寸。

具体实施：双通道电机控制器的结构外形如图1所示，共分为三层结构，分别是控制板、功率板、散热器，安装方式上采用控制板在上、功率板在中间，散热器在底层并紧贴功率板背面的功率器件，各层之间采用六角铜柱相互连接。控制器整体作为模块，安装在枪塔随动控制箱底面上，此种设计集成度高、结构节凑、重量轻、模块化设计，有利于枪塔随动系统在结构布局、安装、布线等方面采用更优良的设计方式；

硬件设计上，根据电路功能和作用的不同，分为电源电路、运动控制电路、驱动电路、功率电路、采样和反馈电路、通信电路。其中，控制板包括电源电路中的控制电转换电路、运动控制电路、采样和反馈电路中的速度采样电路、上位机通信电路。功率板上包括驱动电路、功率电路、驱动用电源电路、电流采样电路。硬件设计架构图如图2所示，其中，电源电路的主要作用是将上位机所供给的28V电源，转换成电路中各个模块的工作电源，有+15V、+5V、+3.3V、+2.5V、+1.8V，分别为其他功能电路供电。运动控制模块(CPU)，主要由DSP(数字信号处理器，TMS320FXXX)和FPGA(现场可编程门阵列—EPCS4)及其辅助电路组成，主要任务包括：接收上位机电机运动指令、反馈控制器及电机实时状态；在DSP内部实现电机的矢量控制算法，产生用于电机控制的PWM(脉宽调制波形)；接收电机电流、速度反馈信号，并用与矢量控制算法中，实现闭环控制；完成控制器系统初始化、实现总体控制策略、处理自检、保护等功能。

驱动电路利用光电隔离器件以及辅助器件，实现运动控制电路发出的PWM波形到驱动电路中间光电隔离和信号功率放大，具体是将低压3.3V电平PWM信号经光电隔离后，转换成15V的高电压PWM信号。功率电路由12个功率MOSFET场效应管组成，其中每2只MOSFET管组成一个桥臂，每3路桥臂分别接永磁同步电机的三根动力线，利用驱动电路的PWM信号的脉宽调制方式，将直流28V电压转换成电机运转需要的三相交流电压，实现电机转速和转矩的控制。采样和反馈电路包括速度反馈采样电路和电流反馈采样电路，电流反馈采样电路通过电机动力线电流采样，通过霍尔传感器实现，电路中采集电动机U和W两相动力线电流，而V相电流通过计算即可得知，采样值经过放大器整形和电平平移送给DSP处理器内置的模拟信号接口进行电流闭环控制以及过流保护使用；电机速度采样通过安装在电机尾端的绝对位置编码器，可以通过SSI通信的方式输出电机实时运行转速，电路中通过差分接口电路和FPGA芯片进行速度数据解码，得到转速数据，再由PFGA通过总线的方式送给DSP处理器，实现对速度的采样和电机速度闭环控制。通信电路采用CAN总线方式，使用通用CAN总线收发器，用来接收上位机动作指令，以及反馈控制器实时状态。

双通道电机控制器在软件上的双闭环控制原理图如图3所示，在软件设计上，整个双通道电机的控制算法由一块DSP处理器完成，由FPGA完成速度编码器速度信号的解码处理，再利用串行总线传递给DSP处理器进行速度控制；双通道电机控制器与上位机的通信、电机控制算法、故障处理、电流采样、由DSP处理器本身完成，电机控制软件设计采用三相永磁同步电机经典伺服控制方案：速度环+电流环双闭环控制。速度环，是控制的外环，也是主导调节器，采用经典PI控制闭环处理，它能使转速及时响应电压的变化，使速度控制平稳，同时对负载变化起到抗扰作用。电流环，作为内环的调节器，能保证电流紧紧跟随速度环的输出，及时抵抗电网电压的波动，在转速动态过程中保证获得电机允许的最大电流，加快动态过程。电流环输出按照SVPWM(电压空间矢量变换)方式转换为PWM脉冲信号以驱动电机旋转。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。