低轉(zhuǎn)速小負(fù)載無刷直流電動機(jī)穩(wěn)速控制
周士兵，楊曉宇，崔維鑫，劉學(xué)明
(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海200083)
摘要：根據(jù)無刷直流電動機(jī)的工作原理，針對圓錐掃描式紅外地平儀對電機(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，對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計，通過研究、分析、仿真和測試，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)測量與控制的高精度提供了技術(shù)保證。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動機(jī)；鎖相環(huán)；紅外地平儀
中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)06—0048—03
0引言
無刷直流電動機(jī)既具有交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動機(jī)的運(yùn)行效率高、無勵磁損耗及調(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)角的測量精度來標(biāo)定。影響紅外地平儀測量精度的因素很多，電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性對于紅外地平儀姿態(tài)測量精度來說極為重要�？紤]到低轉(zhuǎn)速、小負(fù)載、轉(zhuǎn)動平穩(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刷直流電動機(jī)作為負(fù)載驅(qū)動機(jī)構(gòu)。
本文以轉(zhuǎn)速為1 r／s、負(fù)載約70 g、轉(zhuǎn)動慣量約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
無刷直流電動機(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關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置。無刷直流電動機(jī)通電后，在位置傳感器的信號控制下，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置定子繞組不斷換流，產(chǎn)生一個步進(jìn)式的旋轉(zhuǎn)磁場，在該旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，永磁轉(zhuǎn)子就連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)起來。
對于文中研究的目標(biāo)電機(jī)，電機(jī)繞組為三相，有六個通電狀態(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，電動勢系數(shù)Ke。=100 V·s／rad，電機(jī)時間常數(shù)Te=0.1 s，電機(jī)內(nèi)阻R=155Ω。
無刷直流電動機(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)時間常數(shù)(s)，K為電動勢系數(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)動系統(tǒng)設(shè)計
2．1電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)原理
電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采用鎖相環(huán)電路對電機(jī)進(jìn)行頻率和相位鎖定，反饋信號由安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子上的光柵編碼器電路給出。電機(jī)光柵碼盤一周有4096刻線細(xì)碼、6刻線粗碼，電機(jī)每轉(zhuǎn)動一周，光柵編碼電路輸出4 096個時鐘脈沖和6個時鐘脈沖兩路信號。
電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)由鑒相器、電機(jī)驅(qū)動橋路和電機(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)計的鎖相環(huán)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)原理如圖2所示。
2．2分頻器設(shè)計
根據(jù)電機(jī)光柵編碼器電路的設(shè)計及電機(jī)1 r／s的轉(zhuǎn)動速度可知，其輸出高頻信號頻率為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，電機(jī)響應(yīng)必然跟不上驅(qū)動輸入量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)動又會變得不穩(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)動的速度反饋信號。
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：n min為****鎖相工作轉(zhuǎn)速(r／s)，N min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)]，V s為電機(jī)繞組通電****電壓(V)，m為編碼器刻線數(shù)。 |
