稀土永磁無刷直流電動機伺服作動系統(tǒng)
馬瑞卿 劉衛(wèi)國 李鐘明（西北工業(yè)大學西安710072）
摘 要 介紹了一種簡單實用的滑模變結構控制技術，給出了系統(tǒng)直線位移閉環(huán)控制結構框圖及各環(huán)節(jié)的傳遞
函數(shù)和硬件實現(xiàn)電路。
敘 詞 永磁電機無刷直流電動機伺服控制
l 引 言
稀土永磁無刷直流電動機由稀土永磁同步電機、逆變控制器及轉(zhuǎn)子位置檢測器構成，它具有體積小、重量輕、效率高、慣量小和響應快的特點，同時還保留有類似直流電動機優(yōu)良的控制特性。由于這種電機采用電子換向器代替了機械換向裝置，因而克服了電刷和換向器所帶來的一系列缺點，如噪聲、電磁干擾、換向火花、電刷磨損和可靠性差等。近幾年，隨著稀土永磁材料和電力電子器件性能價格比的不
斷提高，稀土永磁無刷直流電動機作為中小功率高性能調(diào)速電機和軍民用伺服控制電機應用越來越廣泛，大有逐步取代普通直流有刷伺服電動機的趨勢。為此，本文針對某直線伺服作動系統(tǒng)，采用稀土永磁無刷直流電動機，介紹了一種簡單實用的滑模變結構控制技術，文中給出了系統(tǒng)直線位移閉環(huán)控制結構框圖，介紹了系統(tǒng)控制方法，給出了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和硬件實現(xiàn)電路。
2 系統(tǒng)控制原理
2.1系統(tǒng)構成
本系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)構成如圖1所示，其中電機本體足一臺三相稀土永磁同步電動機，定子采用整距繞組，其反電勢具有梯形波，轉(zhuǎn)子勵磁采用釹鐵硼
(NdFeB)稀土永磁材料，在轉(zhuǎn)子一側端部鋁盤上嵌有兩個1806的瓦片磁鋼，并由鋁盤與主磁場隔開.
基金項目：航空預研項目資助后與轉(zhuǎn)子本體固定成一體，作為轉(zhuǎn)子位置的敏感磁場。轉(zhuǎn)子位置傳感器采用三個磁敏式霍爾開關檢測器件UGN3119U，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時，三個傳感器輸出相差1206、占空比為o．5的周期脈沖A、B、C。電機轉(zhuǎn)子軸經(jīng)多級齒輪減速器驅(qū)動直線作動器的蝸輪蝸桿機構，而直線位移檢測采用精密滑線變阻器，變阻器中心點接地，兩端接士5V穩(wěn)壓直流電源，移動觸頭由蝸桿帶動，從而使觸頭上可輸出正比于位移量的電壓信號，用于系統(tǒng)位移反饋。電機功率逆變電路采用三相橋式逆變器，并由直流48V經(jīng)濾波電容供電，其6個功率開關采用高頻MOSFET器件IRF530，逆變器直流回路電流經(jīng)敏感器件LEM模塊LA-25NP來實現(xiàn)電流檢測，用于電流限幅和過流保護。功率逆變器開關器件采用6路集成芯片IR2130來驅(qū)動，PWM產(chǎn)生電路采用單極性定頻調(diào)寬集成電路SG3525，其輸出脈沖寬度正比于加在電機定子繞組上的電壓平均值，并由此來實現(xiàn)靳波調(diào)壓調(diào)速控制。電機正反轉(zhuǎn)控制通過給定位移參考電壓和反饋值比較來完成，綜合電路是一片GAL16V8，用于開關器件柵極控制邏輯處理和換向信號的脈沖分配，而速度指令產(chǎn)生電路是由滑模變結構控制器來實現(xiàn)。
2.2系統(tǒng)控制原理
作為機電一體化的無刷直流電動機，位置閉環(huán)是其一大特色，它是電機實現(xiàn)自電子換向的前提，所以本直線作動系統(tǒng)的控制主要表現(xiàn)為直線位移的閉環(huán)控制，如圖2所示，P(S)是PWM功率放大電路，它根據(jù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)指令Uaj產(chǎn)生PWM脈沖，從而對電機施加一個正比于速度指令的電壓調(diào)節(jié)值，是一個比例放大系數(shù)Ki，而Gi (S)是無刷直流伺服電機的傳遞函數(shù)，其一般式是：
一般機電時間常數(shù)取決于電機電參數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量，且TD>Tl。當忽略電磁時間常數(shù)時，電機傳遞函數(shù)可近似為慣性環(huán)節(jié)。
G2 (S)是直線作動器和減速器傳遞函數(shù)，由于輸入是電機速度，輸出是位移，其形式為：
H (S)是位移量反饋環(huán)節(jié)，一般是一個比例環(huán)節(jié)，即H(S)=K3。系統(tǒng)廣義對象為Go(S)一P(S)．Gi(S)．G2(S)，即
為了提高系統(tǒng)快速響應性，本系統(tǒng)采用變結構控制，即控制器是一個比例與常值切換的簡單滑模變結構控制。令位移誤差量eL為給定值L。與反饋值L之差，若eL經(jīng)圖2中****值函數(shù)后，系統(tǒng)為常值K�？刂�，這時PWM占空比為1，電機加全壓輸入，高速運行，以使leLI迅速減小。電機采用比例調(diào)節(jié)，PWM占空比成比例K減小，電機端電壓和轉(zhuǎn)速也成比例減小，以利于電機無超調(diào)地逼近k I=o，這里取誤差量****值是因為系統(tǒng)另設有正反轉(zhuǎn)判別電路，一旦正反轉(zhuǎn)確定以后，電機調(diào)節(jié)僅為斬波調(diào)速，速度調(diào)節(jié)指令只跟誤差大小有關，與其正負無關。由于系統(tǒng)根據(jù)eL所處不同范圍采用不同控制結構，所以只要選擇合適的參數(shù)Ko、K、K1、K2、K3和KD值就可實現(xiàn)滑模變結構控制，從而產(chǎn)生不同的速度調(diào)節(jié)指令Udj。
3 系統(tǒng)各環(huán)節(jié)電路實現(xiàn)
3.1 電機正反轉(zhuǎn)判別及速度指令生成電路
普通直流電動機正反轉(zhuǎn)控制是依靠改變定子端電壓的極性來實現(xiàn)，而無刷直流電動機則依靠改變換相順序來改變正反轉(zhuǎn)向，為此本文采用圖3電路來實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制和速度指令生成，當位移設定值大于反饋值時，eL>O，比較器Ai輸出為高電平，電機應正轉(zhuǎn)，這時綜合電路GAL16V8將三相霍爾位置傳感器輸出信號進行處理，并按如下邏輯關系和先后順序循環(huán)換相。
AB一AC—BC—BA一CA一CB
這6個換相邏輯信號經(jīng)驅(qū)動電路被分別分配到三相橋式逆變器6個功率開關器件的柵極Sl～S6．就可實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)；反之eL
圖3中F1和F2為由LM358構成的單電源反相器，M1和M2為非門，Ai和A2為LM311構成的單電源比較器，T1～T4為三極管9013，RF為正反轉(zhuǎn)信號輸出(RF=1為正轉(zhuǎn)，RF=O為反轉(zhuǎn))，Uaj為輸出的速度指令。電路在工作時，Al的同相端B點電壓為UB=Ug ，代表誤差eL，若UB>O，電機正轉(zhuǎn)，RF為高電平，Tz導通，Ti載止，C點電位為KUB，反之RF為低電平，Tz截止，Ti導通，C點電位為K IUB I，從而實現(xiàn)了誤差的****值函數(shù)，其中K由電位器Wl調(diào)節(jié)。電機按誤差成比例減速。調(diào)節(jié)電位器Wo，作動器即可實現(xiàn)快速直線位移跟蹤。
3.2 PWM生成電路
PWM生成電路采用SG3525芯片，外圍電路如圖4所示，該電路內(nèi)部自帶振蕩器，振蕩頻率決定于CT和Rr，當電容CT和電阻Rr固定以后，其輸出PWM為定頻信號，芯片1、2兩腳為內(nèi)部誤差放大器的反相和同相端，PWM的占空比取決于1、2兩端的電位差，所以SG3525為定頻調(diào)寬PWM生成電路。其中死區(qū)設置由7腳電阻R13決定，而8腳電容Cs用于實現(xiàn)軟起動，SG3525的15腳為芯片的+15V電源，16腳為參考電壓，13腳為輸出PWM高電平電壓．14腳和11腳為兩相互差180。、占空比小于o．5的PWM信號，R16Rn為上拉電阻。為了擴大PWM占空比調(diào)節(jié)，其兩相輸出經(jīng)一或門Mo合為一種PWM，這樣占空比可達0～0. 98，將PWM信號送GAL16V8中與換相邏輯分別相與，即可得到綜合的斬波控制信號。
該電路設置了電流限幅控制，一旦電流超過某值（不大于過流保護值），SG3525的1腳因IP為高電平使電位抬高，這樣1、2兩腳電位差值減小，PWM占空比會自動降低，達到限流的目的。若限流電路失效，產(chǎn)生過流，則過流電路會發(fā)出一信號送入10腳，SG3525會快速封鎖PWM輸出，實現(xiàn)過流保護。
考慮到無刷直流電機靜差率的限制，一般電機轉(zhuǎn)速不可能在某一****轉(zhuǎn)速下還能帶動負載，所以當eL
4結語
本文采用全硬件實現(xiàn)了稀土永磁無刷直流電動機直線作動系統(tǒng)位移閉環(huán)控制，其實時性好、電路簡單、易于調(diào)試和工程實現(xiàn)。由于控制器采用了滑棋變結構控制，系統(tǒng)快速響應大大提高，同時可作到無超調(diào)和抗負載擾動，但滑模變結構控制存在著模態(tài)抖動，所以系統(tǒng)靜差不可能為零，而采用低速勻速運轉(zhuǎn)逼近，效果較為理想，所以本系統(tǒng)較能適應軍民用直線作動系統(tǒng)強調(diào)快速響應的要求。另外，本系統(tǒng)設有短時軟起動、電流限幅控制和過流保護等功能，可確保系統(tǒng)安全運行。
馬瑞卿：男，1963年10月出生，副教授，主要從事電機控制的科研與教學工作。
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