航天用永磁同步電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)
解淵，王真，王洪武
中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海，200233
中圖分類(lèi)號(hào)：tm341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：e
文章編號(hào)：1004-7018{2010)07-0069-01
o引言
紅外地球敏感器作為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的光學(xué)姿態(tài)敏感器，已廣泛用于三軸穩(wěn)定衛(wèi)星平臺(tái)中。它主要由紅外熱敏探測(cè)器、精密光學(xué)和轉(zhuǎn)動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)、電子信息處理系統(tǒng)等部分組成。轉(zhuǎn)動(dòng)掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的永磁同步電動(dòng)機(jī)是其關(guān)鍵部件，用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)反射鏡，將地球紅外輻射反射到熱敏探測(cè)器，它的穩(wěn)定性、可靠性和轉(zhuǎn)動(dòng)精度將直接影響到紅外地球敏感器的姿態(tài)測(cè)量精度。此外衛(wèi)星的在軌使用要求越來(lái)越高，對(duì)紅外地球敏感器的轉(zhuǎn)動(dòng)掃描機(jī)構(gòu)一并提出了更高的要求。
1基本結(jié)構(gòu)和原理
1 1新型永磁同步電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)
應(yīng)敏感器的要求，為充分利用空間、減小體積，采用分裝式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。永磁同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。
為了滿(mǎn)足系統(tǒng)的光學(xué)光路要求，將電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成中空轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)形式，保證電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)不會(huì)遮擋系統(tǒng)的光路。同時(shí)在結(jié)構(gòu)中增加了迷宮設(shè)計(jì)，保證電動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油在運(yùn)行過(guò)程中不易流失，確保了系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速比較低，因此設(shè)計(jì)成鄉(xiāng)極盤(pán)式結(jié)構(gòu)，使其運(yùn)行在低速大力矩情況下。
電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，采用高精度光學(xué)編碼器作為位置傳感器，因此具有可靠性高、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。
1 2工作原理
永磁同步電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生恒定的電磁場(chǎng)，當(dāng)定子通以三相對(duì)稱(chēng)的正弦波交流電時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。兩種磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。若改變通人定子三相電源的頻率和相位，就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置。因此，對(duì)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制也與異步電動(dòng)機(jī)控制相似，可直接采用矢量控制。
在三相水磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上同軸安裝一個(gè)位置傳感器，可用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子的位置。通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置也即得到轉(zhuǎn)子的磁通位置，從而使三相永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制較為簡(jiǎn)單。控制原理框圖如圖2所示。
2設(shè)計(jì)特點(diǎn)
2 1低脈動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)極槽配合設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)
針對(duì)低速高穩(wěn)速精度的要求，我們采用低速大力矩的直驅(qū)式承磁同步電動(dòng)機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)的要求，該電動(dòng)機(jī)采用了分?jǐn)?shù)槽繞組結(jié)構(gòu)形式。與整數(shù)槽繞組相比，定子槽與轉(zhuǎn)子磁極之間的相對(duì)位置在相鄰的極對(duì)卜是不同的，故各次齒諧波電勢(shì)在各極下屬于同一相昀各槽導(dǎo)線中也是不同相的，因此齒諧波電勢(shì)合成為·相的總電勢(shì)時(shí)會(huì)被大大削弱。電動(dòng)機(jī)采用了6列極45槽的分?jǐn)?shù)槽繞組設(shè)計(jì)．繞組星形電勢(shì)圖如圖3所示。同時(shí)進(jìn)行有限元優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，在保證運(yùn)行轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩系數(shù)的條件下，降低電動(dòng)機(jī)的定位力矩同時(shí)，使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)，性能有所改善？電動(dòng)機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩仿真波形如圖4所示。
該電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了體積小、重量輕、精度高和可靠性高的特點(diǎn)。針對(duì)其負(fù)載是光學(xué)元件，為了實(shí)現(xiàn)高控制精度的要求，采用直接驅(qū)動(dòng)方式，省去了減速機(jī)構(gòu)，具有體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)滿(mǎn)足單位電流大出力、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)系數(shù)小以及壽命長(zhǎng)等要求。
2 2高精度調(diào)速的鎖相控制技術(shù)
永磁同步電動(dòng)機(jī)同軸安裝高精度位置檢測(cè)元件，以提高抗干擾能力和調(diào)速精度一采用高精度調(diào)速的鎖相技術(shù)，控制器實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)速精度驅(qū)動(dòng)要求，以簡(jiǎn)單的電路形式達(dá)到陜速起動(dòng)并進(jìn)入鎖定狀態(tài)。在額定狀態(tài)長(zhǎng)期工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)速度不受溫度及磨損等影響，有效抑制轉(zhuǎn)速漂移，從而達(dá)到穩(wěn)速。
3測(cè)試結(jié)果
我們對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器并進(jìn)行r測(cè)試。電動(dòng)機(jī)額定功率5w、額定轉(zhuǎn)速為60 r/min、輸入電壓為24 v (dc)、調(diào)速范圍為10~ 60 r/min。電動(dòng)機(jī)能夠平穩(wěn)起動(dòng)，并在額定轉(zhuǎn)速和額定功率內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。測(cè)試結(jié)果如表1所示。目前該電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器已成功應(yīng)用在航天器的紅外地球敏感器中。
| 
