低转速小负载无刷直流电动机稳速控制

维普资讯 http://www.cqvip.com ……　／　　若．日　暑弓　……亭　●…………鹫略●瓣盎　盆…………………＿　４壬　培对睡　．．触批……＿．．……………墩　……－．－！．’　．　棚－　２－ＶｕⅡ牛，ｆｏｏ８年第６期　……．Ｖ州　低转速小负载无刷直流电动机稳速控制　周士兵，杨晓宇，崔维鑫，刘学明　（中国科学院上海技术物理研究所，上海２０００８３）　摘要：根据无刷直流电动机的工作原理，针对圆锥扫描式红外地平仪对电机转速稳定性的特殊要求，建立了　电机转速的数学模型，对电机驱动系统各环节进行设计，通过研究、分析、仿真和测试，得出电机最优控制方法，实现　了电机转速的高稳定性，为卫星姿态测量与控制的高精度提供了技术保证。　关键词：无刷直流电动机；锁相环；红外地平仪　中图分类号：ＴＭ３３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—７０１８（２００８）０６—００４８—０３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　Ｍｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｌｏｗ　Ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　Ｓｍａｌｌ　Ｌｏａｄ　ＺＨＯＵ　Ｓｈｉ—ｂｉｎｇ，ＹＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｙｕ，ＣＵＩ　Ｗｅｉ—ｘｉｎ，ＬＩＵ　Ｘｕｅ—ｍｉｎｇ　（Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ，ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒｇ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ａｔｔｉｔｕｄｅ　ｂｙ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｅａｒｔｈ　ｓｅｎｓｏｒ，ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｄｅｖｅ１．　ｏｐｅｄ．Ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｅ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｍｏｔｏｒ　ｗａｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｆｒｏｍ　ａ．　ｂｏｖｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｓｓｕｒｅ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｆｏｒ　ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　ａｔｔｉｔｕｄｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ；ｐｈａｓｅ—ｌｏｃｋｅｄ　ｌｏｏｐ；ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｅａｒｔｈ　ｓｅｎｓｏｒ　０引　言　对于文中研究的目标电机，电机绕组为三相，有　六个通电状态，定子绕组为星形联接。电机转矩系　无刷直流电动机既具有交流电动机的结构简　数Ｋｒ＝２　Ｎ・ｍ／Ａ，电动势系数　＝１００　Ｖ・ｓ／ｒａｄ，　单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流　电机时间常数Ｔｏ＝０．１　Ｓ，电机内阻Ｒ＝１５５　Ｑ。　；电动机的运行效率高、无励磁损耗及调速性能好等　无刷直流电动机系统结构图如图１所示。　诸多特点，其应用已遍及各个技术领域。　圆锥扫描式红外地平仪的性能主要由卫星姿态　角的测量精度来标定。影响红外地平仪测量精度的　；因素很多，电机转速的稳定性对于红外地平仪姿态　图１无刷直流电动机系统结构图　测量精度来说极为重要。考虑到低转速、小负载、转　由无刷直流电动机系统结构图可得其传递函数：　动平稳及控制灵活的特性，圆锥扫描式红外地平仪　低；上一般使用无刷直流电动机作为负载驱动机构。　）＝　）一　ＴＬ（Ｓ）　警　本文以转速为１　ｒ／ｓ、负载约７０　ｇ、转动惯量约　（１）　尘；２５０　ｇ・ｃａ的电机为例，根据其低转速小负载的特　式中：ｎ（．ｓ）为电机转速（ｒ／ｓ），　（．ｓ）为电源电压　蕺；点，对其稳速控制进行研究。　（Ｖ），７’Ｌ（．Ｓ）为电机负载阻转矩（Ｎ・ｍ），　。为电机　刷　１电机转速数学模型的建立　时间常数（ｓ），　为电动势系数（Ｖ・ｓ／ｒａｄ），　为　直　流　转矩系数（Ｎ・ｍ／Ａ），Ｒ为电机内阻（Ｑ）。　电　动　无刷直流电动机除了由定子和转子组成的电机　根据已知的电机参数，由式（１）可得：　机　本体以外，还要有由位置传感器、控制电路以及功率　稳　速　逻辑开关共同构成的换向装置。无刷直流电动机通　）＝而　面　（．ｓ）一　面　（．ｓ）　控　制　电后，在位置传感器的信号控制下，根据转子的位置　（２）　定子绕组不断换流，产生一个步进式的旋转磁场，在该　旋转磁场的作用下，永磁转子就连续不断地旋转起来。　２驱动系统设计　２．１电机驱动系统原理　一　收稿日期：２００７—１０—１２　电机驱动系统采用锁相环电路对电机进行频率　维普资讯 http://www.cqvip.com

…蔓　熏＿棚…２…ＯＯ８量兰　……………………………………～　和相位锁定，反馈信号由安装在电机转子和定子上　的光栅编码器电路给出。电机光栅码盘一周有　４　０９６刻线细码、６刻线粗码，电机每转动一周，光栅　编码电路输出４　０９６个时钟脉冲和６个时钟脉冲两　路信号。　电机驱动系统的主要环节由鉴相器、电机驱动　２．３电机驱动桥路的设计　…．　位二进制串行计数器ＣＤ４０４０，锁相环为ＣＤ４０４６。　电机绕组换相设计采用传统的桥式电路加译码　电路的形式，上下桥臂分别为Ｐ沟道和Ｎ沟道ＭＯＳ　场效应管。电机驱动桥路电路原理图如图３所示。　桥路和电机组件组成。电机组件包括电机、光栅编　码器，代替了锁相环压控振荡器的作用。文中设计　的锁相环电机驱动系统原理如图２所示。　图２锁相环电机驱动系统原理框图　２．２分频器设计　根据电机光栅编码器电路的设计及电机１　ｒ／ｓ　的转动速度可知，其输出高频信号频率为４　０９６　Ｈｚ，　考虑到电机电感及机械系统惯量的存在、响应时间　常数、负载转矩的影响，如果直接用４　０９６　Ｈｚ作为　鉴相器的反馈信号，电机响应必然跟不上驱动输入　量４　０９６　Ｈｚ频率的高频变化，但当频率降低到一定　程度后，电机转动又会变得不稳定，因此有必要把电　机输出频率进行一定的分频之后再输入到鉴相器，　作为电机转动的速度反馈信号。　按图２所示的单环电机锁相环稳速系统，根据　低速限制与环路的关系，电机最低锁相工作转速ｎ　（３）　式中：ｎｍｉｎ为最低锁相工作转速（ｒ／ｓ），Ⅳ　ｉ　为最小分　频系数，　为放大器和电机联合增益［ｔａｄ／（ｓ・、　箩草　电．．自　　Ｖ）］，　为电机绕组通电最大电压（Ｖ），ｍ为编码器　刻线数。　由式（３）可得：　Ｎ／８叮Ｔｍ　ｍｉ　＝　√面■　（４）　对于文中研究的目标电机，ｎ　ｉ　＝１　ｒ／ｓ，　＝２４　Ｖ，Ｋ　＝４　ｔａｄ／（ｓ。Ｖ），ｍ＝４　０９６，　＝０．１　ｓ，可计算出最　小分频系数Ⅳｍ　＝１×√　＝１０．４（５）　考虑到分频器件一般以２为幂底，并兼顾电机　转动的平稳性及电机的响应速度，可取Ⅳｍｉ　为ｌ６，　则电机转速反馈信号４　０９６　Ｈｚ脉冲经１６分频后得　到２５６　Ｈｚ脉冲信号，作为锁相环的反馈信号，而锁　相环的标准时钟信号可由此确定为２５６　Ｈｚ，由晶体　振荡电路产生。文中设计电路选用的分频器为１２　图３　电机驱动桥路电路原理图　图３中，　、　和　为电机光栅码盘粗码产生　的信号，频率为６　Ｈｚ，相位差１２０。，ＥＮＡＢＬＥ为锁相　环输出信号，作为３—８译码器的使能端控制信号。　根据电机驱动桥路电路原理可得电机绕组换相　顺序，如表１所示。　表１电机换相顺序表（逆时针转动）　导通的管子　日１　Ｍｌ　Ｍ５　ｌ　０　ｌ　Ｍｌ　Ｍ６　ｌ　０　０　Ｍ２　Ｍ６　ｌ　ｌ　０　Ｍ２　Ｍ４　０　ｌ　０　Ｍ３　Ｍ４　０　ｌ　ｌ　Ｍ３　Ｍ５　０　０　ｌ　２．４电机线圈绕组滤波电路的设计　电机在换相时，由于绕组上的电压高频通断，因　此会产生尖峰脉冲干扰，这种干扰反过来又会影响　电机转动的平稳性。为了滤除干扰，在电机绕组的　两端设计滤波电路，通过－二［■——　对滤波电路的参数进行优－＋　ｃｆ　化，达到电机转速稳定性＼　苹　＼黟　＼蒜歙．　－二［　——　的最优化。电机绕组滤波　图４无刷直流电动机　电路原理如图４所示。　三相绕组滤波电路原理图　通过软件彷真，滤波电路参数ｃ　的变化对其中　一组绕组ＭＡ上工作电压的影响，如图５所示。　ｔ／ｍｓ　（ａ）Ｃｆ＝０．０４７　ｐ．Ｆ　一　奉　低维普资讯 http://www.cqvip.com

……　／　露　　苗Ⅱ．Ｑｖ０言芑ｌ＾Ｉ重…………●……翻ｆ嚏　瓣扛　Ｑｖ　＋圣蛙晕　陬　：Ｉ擎敷　……………………………………………………议铸电棚舢年第６期　！一＿－　…．：：一……　…～—　—Ｌ＿Ｊ—、—　—、～　测试点　（ｂ）稳定度曲线　（ｃ）Ｃｆ＝４．７“｝’　图６无刷直流电动机各测试点曲线图　图５滤波参数Ｃ，取不同值时的绕组电压波形图　根据分析和仿真可知，绕组ＭＢ、ＭＣ上电压波　度最大值为｝　，数量级达到了１０－３完全满足航　形与ＭＡ绕组相同。通过对软件仿真和实测结果进　天产品的设计和使用要求。　行综合分析，滤波电路电容ｃ　取值０．４７　时，电　４结语　机定子绕组上电压受干扰最小，电机转动最平稳。　本文对航天用低转速小负载无刷直流电动机驱　３试验结果分析　动系统进行了研究，采用锁相环技术对无刷直流电　无刷直流电动机驱动系统设计实现后，通过用　动机控制系统进行了设计，实现了电机低速转动时　示波器测试电机光栅编码电路输出信号周期的稳定　的高平稳性，测试结果表明电机驱动系统设计合理　性以对电机转速稳定性进行评价。　可行。由于无刷直流电动机驱动系统是采用速度信　在电机一周上均匀选取１６个固定点，用示波器　号反馈的单环系统，因此，如果能在电机驱动系统中　测试电机光栅编码电路在该点输出的细码脉冲的信　增加电机位置反馈，形成内环和外环的双环反馈，可　号周期，每个｛贝０试点测试时间为１０　ｍｉｎ，分别记录各　望进一步提高电机的转速稳定度。　测试点脉冲周期的最大值和最小值，并由最大值和　参考文献　最小值计算出该点的电机稳定度。无刷直流电动机　［１］张琛．直流无刷电动机原理及应用［Ｍ］．北京：机械工业出版　各测试点细码脉冲周期最大值、最小值及稳定度曲　社，１９９６：１—２４．　线如图６所示。　［２］谭建成．电机控制专用集成电路［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　１９９８：１７３—１８４．　电机光栅编码电路的输出信号理论上周期为　［３］　童诗白，华成英．模拟电子技术基础［Ｍ］．北京：高等教育出版　２４４．１４０　６２５　ｓ，通过测试和计算，电机转速的稳定　社，２００３．　［４］　胡寿松．自动控制原理［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９８４．　［５］　Ｇａｒｔｈ　Ｎａｓｈ．Ｐｈａｓｅ～ｌｏｃｋｅｄ　ｌｏｏｐ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：ＡＮ５３５。１９９４．　作者简介：周士兵（１９７１一），男，硕士，主要研究方向为卫星红　（ａ）细码脉冲最小周期、最大周期　外地球敏感器、智能控制研究。　（上接第４７页）件开关模式。原因在于：　Ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｐａｔｔｅｒｎｓ［Ｍ］．Ｔｅｘａｓ　莲　（１）硬件开关模式合成一个新矢量，只需软件　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，１９９９．　荦ｊ开关模式开关频率的２／３倍，大大降低开关损耗；　［２］　陈伯时．电力拖动自动控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　２００４．　负；　（２）内嵌ＳＶＰＷＭ状态机完成了很多工作，减　［３］李磊．基于ＴＭＳ３２０Ｆ２４０的ＳＶＰＷＭ波的软件实现方法［Ｊ］．电　凳；少了软件工作量；　气传动自动化，２００３（４）：１３～１５．　（３）同样中断周期　下，Ｅｈ：ｆ：￣－件开关模式使　［４］　刘和平．ＴＭｓ３２ＯＬｆ、２４ＯｘＤｓＰｃ语言开发与应用［Ｍ］．北京：航　鎏；零矢量拆分成更细的等分，最终电流谐波好于硬件　空航天大学出版社，２００３．　［５］赵镜红，张俊洪，杨涛．基于ＤＳＰ的ＳＶＰＷＭ的研究［Ｊ］．中小　霸　开关模式，但是以高的开关频率为代价；　型电机，２００２（４）：４１—４４．　；　（４）当同等开关频率条件时，硬件开关模式可　［６］姬宣德．由软件方法决定开关模式的ＳＶＰＷＭ技术［Ｊ］．微特　攘　以具有更短的中断周期　，电机电流谐波好于软件　电机，２００８，３６（４）：５２—５４．　莉　开关模式（软件开关模式的开关频率等于硬件开关　模式的开关频率）。　作者简介：姬宣德（１９８０一），男，讲师，主要研究方向为电力电　　：；参考文献　子与电力传动。　一　［１］　１’Ｉ公司．Ｓｐａｃｅ—Ｖｅｃｔｏｒ　ＰＷＭ　Ｗｉｔｈ　ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ／Ｆ２４ｘ　Ｕｓｉｎｇ