低轉速小負載無刷直流電動機穩速控制
周士兵，楊曉宇，崔維鑫，劉學明
(中國科學院上海技術物理研究所，上海200083)
摘要：根據無刷直流電動機的工作原理，針對圓錐掃描式紅外地平儀對電機轉速穩定性的特殊要求，建立了電機轉速的數學模型，對電機驅動系統各環節進行設計，通過研究、分析、仿真和測試，得出電機****控制方法，實現了電機轉速的高穩定性，為衛星姿態測量與控制的高精度提供了技術保證。
關鍵詞：無刷直流電動機；鎖相環；紅外地平儀
中圖分類號：TM33 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)06—0048—03
0引言
無刷直流電動機既具有交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，又具備直流電動機的運行效率高、無勵磁損耗及調速性能好等諸多特點，其應用已遍及各個技術領域。
圓錐掃描式紅外地平儀的性能主要由衛星姿態角的測量精度來標定。影響紅外地平儀測量精度的因素很多，電機轉速的穩定性對于紅外地平儀姿態測量精度來說極為重要。考慮到低轉速、小負載、轉動平穩及控制靈活的特性，圓錐掃描式紅外地乎儀上一般使用無刷直流電動機作為負載驅動機構。
本文以轉速為1 r／s、負載約70 g、轉動慣量約250 g·cm的電機為例，根據其低轉速小負載的特點，對其穩速控制進行研究。
1電機轉速數學模型的建立
無刷直流電動機除了由定子和轉子組成的電機本體以外，還要有由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關共同構成的換向裝置。無刷直流電動機通電后，在位置傳感器的信號控制下，根據轉子的位置定子繞組不斷換流，產生一個步進式的旋轉磁場，在該旋轉磁場的作用下，永磁轉子就連續不斷地旋轉起來。
對于文中研究的目標電機，電機繞組為三相，有六個通電狀態，定子繞組為星形聯接。電機轉矩系數KT=2 N·m／A，電動勢系數Ke。=100 V·s／rad，電機時間常數Te=0.1 s，電機內阻R=155Ω。
無刷直流電動機系統結構圖如圖1所示。
式中：n(S)為電機轉速(r／s)，U(S)為電源電壓(V)，T1(S)為電機負載阻轉矩(N·m)，Te為電機時間常數(s)，K為電動勢系數(V·s／tad)，KT為轉矩系數(N·m／A)，R為電機內阻(Ω)。
根據已知的電機參數，由式(1)可得：
2驅動系統設計
2．1電機驅動系統原理
電機驅動系統采用鎖相環電路對電機進行頻率和相位鎖定，反饋信號由安裝在電機轉子和定子上的光柵編碼器電路給出。電機光柵碼盤一周有4096刻線細碼、6刻線粗碼，電機每轉動一周，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。
電機驅動系統的主要環節由鑒相器、電機驅動橋路和電機組件組成。電機組件包括電機、光柵編碼器，代替了鎖相環壓控振蕩器的作用。文中設計的鎖相環電機驅動系統原理如圖2所示。
2．2分頻器設計
根據電機光柵編碼器電路的設計及電機1 r／s的轉動速度可知，其輸出高頻信號頻率為4 096 Hz，考慮到電機電感及機械系統慣量的存在、響應時間常數、負載轉矩的影響，如果直接用4 096 Hz作為鑒相器的反饋信號，電機響應必然跟不上驅動輸入量4 096 Hz頻率的高頻變化，但當頻率降低到一定程度后，電機轉動又會變得不穩定，因此有必要把電機輸出頻率進行一定的分頻之后再輸入到鑒相器，作為電機轉動的速度反饋信號。
按圖2所示的單環電機鎖相環穩速系統，根據低速限制與環路的關系，電機****鎖相工作轉速nmin：
式中：nmin為****鎖相工作轉速(r／s)，Nmin為最小分頻系數，丘為放大器和電機聯合增益[rad／(s·V)]，Vs為電機繞組通電****電壓(V)，m為編碼器刻線數。
由式(3)可得：
對于文中研究的目標電機，nmin=1 r／s，Vs=24 V，K=4 rad／(s.V)，m=4 096，Te=O 1 s，可計算出最小分頻系數Nmin：
考慮到分頻器件一般以2為冪底，并兼顧電機轉動的平穩性及電機的響應速度，可取Nmin為16，則電機轉速反饋信號4 096 Hz脈沖經16分頻后得到256 Hz脈沖信號，作為鎖相環的反饋信號，而鎖相環的標準時鐘信號可由此確定為256 Hz，由晶體振蕩電路產生。文中設計電路選用的分頻器為12位二進制串行計數器CD4040，鎖相環為cD4046。
2．3電機驅動橋路的設計
電機繞組換相設計采用傳統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場效應管。電機驅動橋路電路原理圖如圖3所示。
圖3中，H1、H2和H3為電機光柵碼盤粗碼產生的信號，頻率為6 Hz，相位差120。，ENABLE為鎖相環輸出信號，作為3—8譯碼器的使能端控制信號。
根據電機驅動橋路電路原理可得電機繞組換相順序，如表1所示。
2．4電機線圈繞組濾波電路的設計
電機在換相時，由于繞組上的電壓高頻通斷，因此會產生尖峰脈沖干擾，這種干擾反過來又會影響電機轉動的平穩性。為了濾除干擾，在電機繞組的兩端設計濾波電路，通過對濾波電路的參數進行優化，達到電機轉速穩定性的****化。電機繞組濾波電路原理如圖4所示。  通過軟件彷真，濾波電路參數Gf的變化對其中一組繞組MA上工作電壓的影響，如圖5所示。
根據分析和仿真可知，繞組MB、Mc上電壓波形與MA繞組相同。通過對軟件仿真和實測結果進行綜合分析，濾波電路電容Cf取值O．47μF時，電機定子繞組上電壓受干擾最小，電機轉動最平穩。
3試驗結果分析
無刷直流電動機驅動系統設計實現后，通過用示波器測試電機光柵編碼電路輸出信號周期的穩定性以對電機轉速穩定性進行評價。
在電機一周上均勻選取16個固定點，用示波器測試電機光柵編碼電路在該點輸出的細碼脈沖的信號周期，每個測試點測試時間為10 min，分別記錄各測試點脈沖周期的****值和最小值，并由****值和最小值計算出該點的電機穩定度。無刷直流電動機各測試點細碼脈沖周期****值、最小值及穩定度曲線如圖6所示。
電機光柵編碼電路的輸出信號理論上周期為244．140 625μs，通過測試和計算，電機轉速的穩定
度****值為6.627/1000，數量級達到了10-3，完全滿足航天產品的設計和使用要求。
4結語
本文對航天用低轉速小負載無刷直流電動機驅動系統進行了研究，采用鎖相環技術對無刷直流電動機控制系統進行了設計，實現了電機低速轉動時的高平穩性，測試結果表明電機驅動系統設計合理可行。由于無刷直流電動機驅動系統是采用速度信號反饋的單環系統，因此，如果能在電機驅動系統中增加電機位置反饋，形成內環和外環的雙環反饋，可望進一步提高電機的轉速穩定度。
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