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(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

基于永磁同步電機(jī)的航空穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

常九健，倪田榮

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

傳統(tǒng)的航空穩(wěn)定平臺(tái)一般采用直流有刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，由于該種電機(jī)具有電刷和換向器，存在高空低溫電刷易結(jié)霜、電刷易產(chǎn)生電火花等問題，嚴(yán)重影響了電機(jī)的使用壽命。同時(shí)該種電機(jī)電刷的摩擦力矩是影響電機(jī)力矩平穩(wěn)性的一項(xiàng)重要因素。相對(duì)于直流有刷電機(jī)而言，永磁同步電機(jī)采用電子換相，不存在以上問題，更適合于航空環(huán)境。設(shè)計(jì)了基于永磁同步電機(jī)的伺服系統(tǒng)，研究了矢量控制方式。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，基于永磁同步電機(jī)的伺服系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)滿足實(shí)際系統(tǒng)的要求。

雷達(dá)結(jié)構(gòu)；維修度；虛擬維修；交互式評(píng)價(jià)

0 引言

影響穩(wěn)定平臺(tái)性能的因素主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、測(cè)量元件和干擾力矩等幾個(gè)方面。而干擾力矩又是影響穩(wěn)定平臺(tái)精度的主要因素。干擾力矩主要包括軸承的摩擦力矩、電機(jī)電刷的摩擦力矩、導(dǎo)電環(huán)的摩擦力矩等[1]。

力矩電機(jī)具有轉(zhuǎn)速低、力矩大和線性度好等優(yōu)點(diǎn)，可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在較低的轉(zhuǎn)速下?，F(xiàn)有的航空穩(wěn)定平臺(tái)大部分采用直流有刷力矩電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[2]。直流有刷電機(jī)具有力矩線性度好、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[3]。但是由于電刷的存在，該種電機(jī)存在高空低溫電刷易結(jié)霜、電刷易產(chǎn)生電火花等問題，嚴(yán)重影響電機(jī)的使用壽命[4]。同時(shí)電刷的摩擦力矩是影響電機(jī)力矩平穩(wěn)性的一項(xiàng)重要因素。相對(duì)于直流有刷電機(jī)而言，永磁同步電機(jī)不存在電刷，不存在以上問題[5]。

1 永磁同步電機(jī)工作原理和數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)的電流頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為:

n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;f為電流頻率;p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

當(dāng)電源頻率不變，負(fù)載在一定限度內(nèi)改變時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速就可以保持不變。這是同步電機(jī)的基本特點(diǎn)。

永磁同步電機(jī)工作原理如圖1所示，當(dāng)定子繞組中通有頻率為f的交變電流時(shí)，定子就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)用一對(duì)旋轉(zhuǎn)磁極N1、S1表示。根據(jù)N極與S極相互吸引的原理，定子的等效磁極就會(huì)和轉(zhuǎn)子的永磁磁極相互吸引，最終使定子的軸線和轉(zhuǎn)子的軸線對(duì)齊，即δ角為零。定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)帶著轉(zhuǎn)子以相同的轉(zhuǎn)速n1一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)在轉(zhuǎn)子上逐漸增加負(fù)載，即轉(zhuǎn)子的負(fù)載轉(zhuǎn)矩逐漸增大，此時(shí),定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線間的夾角δ就會(huì)相應(yīng)地被拉大，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減小時(shí)，夾角δ又會(huì)減小。定子和轉(zhuǎn)子的兩對(duì)磁極間的磁力線就如同彈性的橡皮筋一樣隨著負(fù)載的變化不斷地伸縮。盡管負(fù)載變化時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子磁極軸線之間的夾角δ會(huì)變大或變小，但只要負(fù)載不超過一定的限度，轉(zhuǎn)子就始終跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)。

圖1 永磁同步電機(jī)工作原理

永磁同步電機(jī)的空間矢量如圖2 所示，永磁同步電機(jī)的輸出力矩為：

Is為三相電流合成矢量;Ψf為永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)在繞組中產(chǎn)生的磁鏈?zhǔn)噶浚籈0為空載電動(dòng)勢(shì)；β為電流Is超前永磁體磁鏈Ψf的角度。

圖2 永磁同步電機(jī)空間矢量

對(duì)于直流電機(jī)而言，磁鏈?zhǔn)噶亢碗娏魇噶渴窍嗷フ坏模ㄟ^控制電流矢量的大小就可以控制電機(jī)的力矩輸出大小，從而達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的。對(duì)于永磁同步電機(jī)而言，在同步電機(jī)中勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞磁通勢(shì)的空間角度β不是固定的，它隨著負(fù)載的變化而變化，這將引起磁場(chǎng)間復(fù)雜的作用關(guān)系。因此，不能簡(jiǎn)單地通過調(diào)節(jié)電樞電流來直接控制電磁轉(zhuǎn)矩。

2 矢量控制

矢量控制的基本原理是將電機(jī)的電流矢量分解成直軸電流矢量和交軸電流矢量分別加以控制。具體是通過坐標(biāo)變換完成的。

通過CLARK變換，將三相靜止坐標(biāo)系下的變量轉(zhuǎn)換成兩相靜止坐標(biāo)系下的變量。

變換矩陣為：

iα,iβ為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流矢量;iA,iB,iC為三相靜止坐標(biāo)系下的電流矢量。

通過PARK變換，將將兩相靜止坐標(biāo)系下的變量轉(zhuǎn)換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的變量。變換矩陣為：

id,iq為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流矢量；θ為電機(jī)旋轉(zhuǎn)的電角度。

至此實(shí)現(xiàn)了三相靜止坐標(biāo)到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。其意義在于通過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的三相交變電流到兩相相互解耦的直流電流控制。這樣就可以模仿直流電機(jī)分別對(duì)勵(lì)磁電流(id)和轉(zhuǎn)矩電流(iq)進(jìn)行控制，從而降低了控制的難度。

3 系統(tǒng)組成和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著微電子技術(shù)和功率電子技術(shù)的飛速發(fā)展，伺服控制器從模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制，而數(shù)字控制在精度、可靠性以及靈活性等方面的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)了交流伺服系統(tǒng)的快速發(fā)展。系統(tǒng)為全數(shù)字控制系統(tǒng)，其組成框圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)

3.1 主控電路

選用美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的TM S320F28335芯片作為主控單元。它具有以下優(yōu)點(diǎn):①主頻150MHz 32 位內(nèi)核,單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元，運(yùn)算速度很好地滿足了新一代飛控機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理速度的要求;②片上集成256 k字節(jié)的閃存,方便自啟動(dòng),無需外部擴(kuò)展,從而減小了控制系統(tǒng)的尺寸;③內(nèi)帶UART 以及增強(qiáng)的CAN 總線接口,方便與不同上位機(jī)協(xié)議通信的硬件設(shè)計(jì),系統(tǒng)將采集好的數(shù)據(jù)通過UART上傳給飛控機(jī);④內(nèi)含豐富的中斷源, 能夠及時(shí)處理各種突發(fā)事件,提高了系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)也便于以后的升級(jí)。

3.2 電流及速度采集電路

電流及速度采集電路采用AD公司的A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7864，它的轉(zhuǎn)換模擬輸入電壓為±5 V，或±10V，輸出數(shù)據(jù)位為12位。AD7864的開始轉(zhuǎn)換引腳CONVST和DSP的/ADCSOCAon引腳相連，通過配置DSP的PWM周期寄存器，在每個(gè)PWM周期開始的時(shí)候進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將AD7864的BUSY引腳和DSP的IO32～I(xiàn)O63中的任意一個(gè)IO口相連，當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成后，可以使DSP產(chǎn)生外部中斷，進(jìn)入中斷程序進(jìn)行處理。

3.3 磁阻電流傳感器

采用電流傳感器為CSNX25,是磁阻型電流傳感器，電流測(cè)量范圍為0～±56 A，電流飄移<30μA，傳感器響應(yīng)時(shí)間<200μs。

3.4 IPM模塊

采用的智能功率模塊是美國(guó)MSK公司的MSK4301，其內(nèi)部為三相全橋電路，最高可以承受75 V的直流電壓，最大的輸出電流為29 A，最高的PWM斬波頻率為100kHz。同時(shí)為了安全考慮，模塊還有過流保護(hù)，輸出使能保護(hù)等功能。

3.5 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路

旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片采用AD公司的AD2s80，具有16位數(shù)據(jù)輸出，分辨率可以達(dá)到0.005°，最大跟蹤速率為62 400r/min。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)的重要組成部分, 合理組織系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)可提高可讀性、可移植性、可擴(kuò)展性以及可靠性等。系統(tǒng)采用C 語(yǔ)言按模塊化編寫軟件, 主要包括通信模塊、位置信息采集與處理模塊、電流信息采集與處理模塊、控制算法模塊以及故障檢測(cè)模塊。主程序是個(gè)循環(huán)體完成各種初始化、接收飛控系統(tǒng)指令以及故障檢測(cè)。中斷由CPU 定時(shí)器0每200μs 產(chǎn)生一次, 中斷程序完成數(shù)據(jù)的采集處理, 控制算法的實(shí)現(xiàn)。采用位置、速度和電流三閉環(huán)全數(shù)字控制, 其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)試方便, 控制策略改動(dòng)容易。考慮到飛控機(jī)的控制周期短, 控制算法不應(yīng)消耗大量時(shí)間。對(duì)電流環(huán)和速度環(huán)僅作限流和限速。位置環(huán)作為外環(huán), 決定了伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能, 采用PID。系統(tǒng)的中斷程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，分別采用相同功率等級(jí)的直流有刷電機(jī)和永磁同步電機(jī)的伺服系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)載實(shí)驗(yàn)測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定角度同為10°，圖5和圖6分別是直流電機(jī)伺服系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的指向誤差采集數(shù)據(jù)。采用直流電機(jī)的伺服系統(tǒng)，穩(wěn)定精度為0.1°(RMS)，而采用永磁同步電機(jī)的伺服系統(tǒng)，穩(wěn)定精度為0.03°(RMS)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出,永磁同步電機(jī)由于沒有電刷干擾力矩的影響，在低速定點(diǎn)的過程中，指向精度要比有刷電機(jī)的指向精度高一些。

圖5 直流電機(jī)伺服系統(tǒng)指向精度測(cè)試

圖6 永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)指向精度測(cè)試

6 結(jié)束語(yǔ)

研究了基于永磁同步電機(jī)的航空穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)。基于永磁同步電機(jī)的伺服系統(tǒng)可以解決直流有刷電機(jī)容易產(chǎn)生電火花，使用壽命短、存在干擾力矩等問題。建立了基于高性能DSP+IPM的交流伺服控制系統(tǒng)，并在相同的航空穩(wěn)定平臺(tái)中對(duì)直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，交流伺服系統(tǒng)不存在機(jī)械換向結(jié)構(gòu)造成的干擾力矩，在低速情況下比直流電機(jī)伺服系統(tǒng)的定位精度高。

[1] 劉樾，5DOF運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)器的姿態(tài)指向?qū)?zhǔn)和誤差分析[J].精密測(cè)試.2012(2):17-23.

[2] 胡發(fā)煥，邱小童，蔡咸?。趫?chǎng)效應(yīng)管的大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2011，38 ( 4):21-24.

[3] 趙軒，韓毅，秦緒鑫，等．基于 PWM 控制的模型車用小型直流電機(jī)調(diào)速裝置[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30(21):4884-4887.

[4] 劉貴如，王陸林．BTN7970在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010(8):44-46.

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Designing the Airborne Stabilization Platform Based on the PMSM Servo System

CHANGJiujian,NITianrong

(China Electronics Techology Group Gorporation No.38 Research Institute,Hefei 230088,China)

The brush DC motor was widely used on the airborne stabilization platform. But due to the brush of the motor, the frost on the brush will stop the motor when the temperature is below zero, and due to the brush, this kind of motor can't meet the long work time of airborne stabilization platform. Compare with the brush DC motor, the permanent magnet synchronou motor(PMSM) can avoid these problems. In this paper, the PMSM servo system for the airborne stabilization platform was studied, and the results show that, the PMSM servo system can meet the requirment of the airborne stabilization platform.

radar structure；maintenance difficulty；virtual maintenance；interactive evaluation

2014-05-12

TN957;TN273.3

A

1001-2257(2014)11-0038-04

常九健男，(1984-)，河北張家口人，工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)伺服控制;倪田榮男，(1976-)，四川內(nèi)江人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹娇辗€(wěn)定平臺(tái)伺服控制。