低轉(zhuǎn)速小負(fù)載無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)速控制
周士兵，楊曉宇，崔維鑫，劉學(xué)明
(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083)
摘要：根據(jù)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理，針對(duì)圓錐掃描式紅外地平儀對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的特殊要求，建立了電機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)研究、分析、仿真和測(cè)試，得出電機(jī)****控制方法，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速的高穩(wěn)定性，為衛(wèi)星姿態(tài)測(cè)量與控制的高精度提供了技術(shù)保證。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；鎖相環(huán)；紅外地平儀
中圖分類(lèi)號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)06—0048—03
0引言
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗及調(diào)速性能好等諸多特點(diǎn)，其應(yīng)用已遍及各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。
圓錐掃描式紅外地平儀的性能主要由衛(wèi)星姿態(tài)角的測(cè)量精度來(lái)標(biāo)定。影響紅外地平儀測(cè)量精度的因素很多，電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性對(duì)于紅外地平儀姿態(tài)測(cè)量精度來(lái)說(shuō)極為重要�？紤]到低轉(zhuǎn)速、小負(fù)載、轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)及控制靈活的特性，圓錐掃描式紅外地乎儀上一般使用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為負(fù)載驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
本文以轉(zhuǎn)速為1 r／s、負(fù)載約70 g、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約250 g·cm的電機(jī)為例，根據(jù)其低轉(zhuǎn)速小負(fù)載的特點(diǎn)，對(duì)其穩(wěn)速控制進(jìn)行研究。
1電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型的建立
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成的電機(jī)本體以外，還要有由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開(kāi)關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通電后，在位置傳感器的信號(hào)控制下，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置定子繞組不斷換流，產(chǎn)生一個(gè)步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，永磁轉(zhuǎn)子就連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)起來(lái)。
對(duì)于文中研究的目標(biāo)電機(jī)，電機(jī)繞組為三相，有六個(gè)通電狀態(tài)，定子繞組為星形聯(lián)接。電機(jī)轉(zhuǎn)矩系數(shù)KT=2 N·m／A，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ke。=100 V·s／rad，電機(jī)時(shí)間常數(shù)Te=0.1 s，電機(jī)內(nèi)阻R=155Ω。
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
式中：n(S)為電機(jī)轉(zhuǎn)速(r／s)，U(S)為電源電壓(V)，T1(S)為電機(jī)負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩(N·m)，Te為電機(jī)時(shí)間常數(shù)(s)，K為電動(dòng)勢(shì)系數(shù)(V·s／tad)，KT為轉(zhuǎn)矩系數(shù)(N·m／A)，R為電機(jī)內(nèi)阻(Ω)。
根據(jù)已知的電機(jī)參數(shù)，由式(1)可得：
2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理
電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用鎖相環(huán)電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行頻率和相位鎖定，反饋信號(hào)由安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子上的光柵編碼器電路給出。電機(jī)光柵碼盤(pán)一周有4096刻線(xiàn)細(xì)碼、6刻線(xiàn)粗碼，電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，光柵編碼電路輸出4 096個(gè)時(shí)鐘脈沖和6個(gè)時(shí)鐘脈沖兩路信號(hào)。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)由鑒相器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋路和電機(jī)組件組成。電機(jī)組件包括電機(jī)、光柵編碼器，代替了鎖相環(huán)壓控振蕩器的作用。文中設(shè)計(jì)的鎖相環(huán)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理如圖2所示。
2．2分頻器設(shè)計(jì)
根據(jù)電機(jī)光柵編碼器電路的設(shè)計(jì)及電機(jī)1 r／s的轉(zhuǎn)動(dòng)速度可知，其輸出高頻信號(hào)頻率為4 096 Hz，考慮到電機(jī)電感及機(jī)械系統(tǒng)慣量的存在、響應(yīng)時(shí)間常數(shù)、負(fù)載轉(zhuǎn)矩的影響，如果直接用4 096 Hz作為鑒相器的反饋信號(hào)，電機(jī)響應(yīng)必然跟不上驅(qū)動(dòng)輸入量4 096 Hz頻率的高頻變化，但當(dāng)頻率降低到一定程度后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)又會(huì)變得不穩(wěn)定，因此有必要把電機(jī)輸出頻率進(jìn)行一定的分頻之后再輸入到鑒相器，作為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度反饋信號(hào)。
按圖2所示的單環(huán)電機(jī)鎖相環(huán)穩(wěn)速系統(tǒng)，根據(jù)低速限制與環(huán)路的關(guān)系，電機(jī)****鎖相工作轉(zhuǎn)速nmin：
式中：nmin為****鎖相工作轉(zhuǎn)速(r／s)，Nmin為最小分頻系數(shù)，丘為放大器和電機(jī)聯(lián)合增益[rad／(s·V)]，Vs為電機(jī)繞組通電****電壓(V)，m為編碼器刻線(xiàn)數(shù)。
由式(3)可得：
對(duì)于文中研究的目標(biāo)電機(jī)，nmin=1 r／s，Vs=24 V，K=4 rad／(s.V)，m=4 096，Te=O 1 s，可計(jì)算出最小分頻系數(shù)Nmin：
考慮到分頻器件一般以2為冪底，并兼顧電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性及電機(jī)的響應(yīng)速度，可取Nmin為16，則電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)4 096 Hz脈沖經(jīng)16分頻后得到256 Hz脈沖信號(hào)，作為鎖相環(huán)的反饋信號(hào)，而鎖相環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)可由此確定為256 Hz，由晶體振蕩電路產(chǎn)生。文中設(shè)計(jì)電路選用的分頻器為12位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器CD4040，鎖相環(huán)為cD4046。
2．3電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋路的設(shè)計(jì)
電機(jī)繞組換相設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的橋式電路加譯碼電路的形式，上下橋臂分別為P溝道和N溝道MOs場(chǎng)效應(yīng)管。電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋路電路原理圖如圖3所示。
圖3中，H1、H2和H3為電機(jī)光柵碼盤(pán)粗碼產(chǎn)生的信號(hào)，頻率為6 Hz，相位差120。，ENABLE為鎖相環(huán)輸出信號(hào)，作為3—8譯碼器的使能端控制信號(hào)。
根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋路電路原理可得電機(jī)繞組換相順序，如表1所示。
2．4電機(jī)線(xiàn)圈繞組濾波電路的設(shè)計(jì)
電機(jī)在換相時(shí)，由于繞組上的電壓高頻通斷，因此會(huì)產(chǎn)生尖峰脈沖干擾，這種干擾反過(guò)來(lái)又會(huì)影響電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性。為了濾除干擾，在電機(jī)繞組的兩端設(shè)計(jì)濾波電路，通過(guò)對(duì)濾波電路的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的****化。電機(jī)繞組濾波電路原理如圖4所示。  通過(guò)軟件彷真，濾波電路參數(shù)Gf的變化對(duì)其中一組繞組MA上工作電壓的影響，如圖5所示。
根據(jù)分析和仿真可知，繞組MB、Mc上電壓波形與MA繞組相同。通過(guò)對(duì)軟件仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，濾波電路電容Cf取值O．47μF時(shí)，電機(jī)定子繞組上電壓受干擾最小，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)最平穩(wěn)。
3試驗(yàn)結(jié)果分析
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)后，通過(guò)用示波器測(cè)試電機(jī)光柵編碼電路輸出信號(hào)周期的穩(wěn)定性以對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
在電機(jī)一周上均勻選取16個(gè)固定點(diǎn)，用示波器測(cè)試電機(jī)光柵編碼電路在該點(diǎn)輸出的細(xì)碼脈沖的信號(hào)周期，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)試時(shí)間為10 min，分別記錄各測(cè)試點(diǎn)脈沖周期的****值和最小值，并由****值和最小值計(jì)算出該點(diǎn)的電機(jī)穩(wěn)定度。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)各測(cè)試點(diǎn)細(xì)碼脈沖周期****值、最小值及穩(wěn)定度曲線(xiàn)如圖6所示。
電機(jī)光柵編碼電路的輸出信號(hào)理論上周期為244．140 625μs，通過(guò)測(cè)試和計(jì)算，電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定
度****值為6.627/1000，數(shù)量級(jí)達(dá)到了10-3，完全滿(mǎn)足航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和使用要求。
4結(jié)語(yǔ)
本文對(duì)航天用低轉(zhuǎn)速小負(fù)載無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用鎖相環(huán)技術(shù)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的高平穩(wěn)性，測(cè)試結(jié)果表明電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可行。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是采用速度信號(hào)反饋的單環(huán)系統(tǒng)，因此，如果能在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中增加電機(jī)位置反饋，形成內(nèi)環(huán)和外環(huán)的雙環(huán)反饋，可望進(jìn)一步提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度。
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