航天用永磁同步電動機及驅動器設計
解淵，王真，王洪武
中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海，200233
中圖分類號：tm341 文獻標識碼：e
文章編號：1004-7018{2010)07-0069-01
o引言
紅外地球敏感器作為衛星姿態控制系統的光學姿態敏感器，已廣泛用于三軸穩定衛星平臺中。它主要由紅外熱敏探測器、精密光學和轉動掃描機構、電子信息處理系統等部分組成。轉動掃描驅動機構中的永磁同步電動機是其關鍵部件，用于驅動旋轉反射鏡，將地球紅外輻射反射到熱敏探測器，它的穩定性、可靠性和轉動精度將直接影響到紅外地球敏感器的姿態測量精度。此外衛星的在軌使用要求越來越高，對紅外地球敏感器的轉動掃描機構一并提出了更高的要求。
1基本結構和原理
1 1新型永磁同步電動機基本結構
應敏感器的要求，為充分利用空間、減小體積，采用分裝式的結構設計方案。永磁同步電動機結構簡圖如圖1所示。
為了滿足系統的光學光路要求，將電動機設計成中空轉軸的結構形式，保證電動機在運行時不會遮擋系統的光路。同時在結構中增加了迷宮設計，保證電動機潤滑油在運行過程中不易流失，確保了系統長期可靠運行。電動機運行轉速比較低，因此設計成鄉極盤式結構，使其運行在低速大力矩情況下。
電動機的結構緊湊，采用高精度光學編碼器作為位置傳感器，因此具有可靠性高、控制精度高等優點。
1 2工作原理
永磁同步電動機的永磁轉子產生恒定的電磁場，當定子通以三相對稱的正弦波交流電時，產生旋轉磁場。兩種磁場相互作用產生電磁力，從而使轉子旋轉。若改變通人定子三相電源的頻率和相位，就可以改變轉子的轉速和位置。因此，對三相永磁同步電動機的控制也與異步電動機控制相似，可直接采用矢量控制。
在三相水磁同步電動機轉子上同軸安裝一個位置傳感器，可用來測量轉子的位置。通過檢測轉子實際位置也即得到轉子的磁通位置，從而使三相永磁同步電動機的矢量控制較為簡單。控制原理框圖如圖2所示。
2設計特點
2 1低脈動永磁同步電動機極槽配合設計及仿真技術
針對低速高穩速精度的要求，我們采用低速大力矩的直驅式承磁同步電動機。為了實現對轉矩波動系數的要求，該電動機采用了分數槽繞組結構形式。與整數槽繞組相比，定子槽與轉子磁極之間的相對位置在相鄰的極對卜是不同的，故各次齒諧波電勢在各極下屬于同一相昀各槽導線中也是不同相的，因此齒諧波電勢合成為·相的總電勢時會被大大削弱。電動機采用了6列極45槽的分數槽繞組設計．繞組星形電勢圖如圖3所示。同時進行有限元優化仿真設計，在保證運行轉角和轉矩系數的條件下，降低電動機的定位力矩同時，使電動機的運行平穩，性能有所改善？電動機的齒槽轉矩仿真波形如圖4所示。
該電動機設計體現了體積小、重量輕、精度高和可靠性高的特點。針對其負載是光學元件，為了實現高控制精度的要求，采用直接驅動方式，省去了減速機構，具有體積小、重量輕的優點，同時滿足單位電流大出力、轉矩波動系數小以及壽命長等要求。
2 2高精度調速的鎖相控制技術
永磁同步電動機同軸安裝高精度位置檢測元件，以提高抗干擾能力和調速精度一采用高精度調速的鎖相技術，控制器實現高穩速精度驅動要求，以簡單的電路形式達到陜速起動并進入鎖定狀態。在額定狀態長期工作時，電動機速度不受溫度及磨損等影響，有效抑制轉速漂移，從而達到穩速。
3測試結果
我們對永磁同步電動機及驅動器并進行r測試。電動機額定功率5w、額定轉速為60 r/min、輸入電壓為24 v (dc)、調速范圍為10~ 60 r/min。電動機能夠平穩起動，并在額定轉速和額定功率內穩定運行。測試結果如表1所示。目前該電動機及驅動器已成功應用在航天器的紅外地球敏感器中。
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