徐鵬程 曾慶軍 朱春磊 戴曉強(qiáng)，2 趙 強(qiáng)，2 陳堯偉

（1.江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）（2.江蘇舾普泰克自動(dòng)化科技有限公司 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

隨著科技的發(fā)展和國(guó)防的需要，水下航行器應(yīng)用越來越廣泛［1]，水下航行器［2]中最主要的部分是水下推進(jìn)器。隨著電力推進(jìn)裝置的發(fā)展，出現(xiàn)了把電機(jī)本體和動(dòng)力推進(jìn)裝置進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)的導(dǎo)管螺旋槳電機(jī)推進(jìn)器［3]。這種水下推進(jìn)器是集推進(jìn)電機(jī)、減速器、螺旋槳和導(dǎo)流罩以及控制電路于一體的裝置，具有高集成度、控制簡(jiǎn)單、易于安裝、維護(hù)方便、體積小、重量輕、噪聲振動(dòng)小，散熱好、功率密度大、效率高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。由于這種導(dǎo)管螺旋槳電機(jī)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)十分緊湊，其被廣泛應(yīng)用為水下航行器的推進(jìn)裝置，為國(guó)防軍事裝備建設(shè)和海洋開發(fā)發(fā)揮著越來越重要的作用［4～5]。

近年來無刷直流電機(jī)以其功率密度大、效率高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，也成為水下推進(jìn)器的首選類型［6]。無刷直流電機(jī)的基本構(gòu)成包括：電機(jī)本體、電子換相電路和轉(zhuǎn)子位置傳感器三大部分。電機(jī)本體主要由定子和轉(zhuǎn)子組成。電子換相電路一般由驅(qū)動(dòng)部分和控制部分組成。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)傳感器是用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的位置，并向控制器提供位置信號(hào)的一種裝置，因受限于使用環(huán)境和成本等問題，其逐漸被無位置傳感器技術(shù)取代［7～9]。

本文根據(jù)水下推進(jìn)器的設(shè)計(jì)要求，研制了一款新型控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并制作了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的硬件電路板，對(duì)推進(jìn)器進(jìn)行了水下試驗(yàn)以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

2 水下推進(jìn)器結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)

2.1 水下推進(jìn)器結(jié)構(gòu)

本文采用的水下推進(jìn)器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水下推進(jìn)器整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制系統(tǒng)原理

控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，主要由電源電路、過流保護(hù)電路、接口、驅(qū)動(dòng)電路、功率逆變電路、反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路、JY01無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制集成控制器等組成。

圖2 控制系統(tǒng)原理框圖

本文的水下推進(jìn)器采用48V直流供電，由于各模塊需要不同的供電電壓，因此需要設(shè)計(jì)斬波電路給各模塊供電；為了防止逆變電路故障或者電機(jī)堵轉(zhuǎn)等原因?qū)е码娏鬟^大損壞電機(jī)，設(shè)計(jì)了電流采樣電路，一旦電流超過允許值，就會(huì)觸發(fā)JY01控制芯片的過流保護(hù)端口，關(guān)閉所有輸出；接口負(fù)責(zé)將外部控制無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的電壓信號(hào)連接到控制系統(tǒng)，同時(shí)輸出無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)以獲得推進(jìn)器的時(shí)機(jī)轉(zhuǎn)速，此外接口還給推進(jìn)器的電源模塊供電；驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)MOS管，功率逆變電路將直流電逆變成三相方波交流電使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路通過檢測(cè)三相反電動(dòng)勢(shì)過零點(diǎn)，以判斷轉(zhuǎn)子位置［10]；JY01為無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制專用集成控制器，輸入轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速電壓信號(hào)、輸入電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)、輸出三相全橋逆變電路上下橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

驅(qū)動(dòng)電路額定功率1.5kW，供電電壓48VDC，過載保護(hù)；推進(jìn)器額定轉(zhuǎn)速1800rpm且轉(zhuǎn)速可調(diào)；轉(zhuǎn)向控制正/反轉(zhuǎn)切換，推進(jìn)器正向最大推力330N，反向最大推力300N。

3.2 電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路、功率逆變電路原理圖如圖3所示。驅(qū)動(dòng)電路由三個(gè)高速M(fèi)OSTET集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2101組成，驅(qū)動(dòng)由六個(gè)MOSFET組成的三相全橋逆變電路，MA、MB、MC分別連接電機(jī)定子的三相線圈。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路、功率逆變電路原理圖

電源電路原理圖如圖4所示。VCC為48V直流電輸入，采用MAX5035C和2940專用電源模塊將48VDC斬波成12VDC和5VDC，分別給驅(qū)動(dòng)電路和JY01芯片供電。

圖4 電源電路原理圖

反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路原理圖如圖5所示。當(dāng)檢測(cè)到非導(dǎo)通相的過零點(diǎn)，再滯后30°就是導(dǎo)通相的換相時(shí)刻。

圖5 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路原理圖

圖6 JY01控制芯片

如圖6所示，JY01為無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制專用集成芯片，具有應(yīng)用方便、外圍電路簡(jiǎn)單、噪音小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。JY01共有16個(gè)管腳，其中有6個(gè)SVPWM波輸出引腳，連接驅(qū)動(dòng)電路；有3個(gè)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)輸入引腳，通過反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路輸出的電壓信號(hào)判斷轉(zhuǎn)子位置，計(jì)算換相時(shí)間；VR為電機(jī)調(diào)速引腳，輸入電壓為0～5V，隨著電壓增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加；F0/EL引腳為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)引腳，在無刷無霍爾電機(jī)控制方面啟動(dòng)力矩設(shè)定是否合適決定了電機(jī)是否能順利啟動(dòng)，啟動(dòng)力矩小了電機(jī)不動(dòng)或啟動(dòng)困難，啟動(dòng)力矩過大電機(jī)抖動(dòng)厲害或偶爾在啟動(dòng)時(shí)有反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，所以必須設(shè)定一個(gè)合適的啟動(dòng)力矩值；Is為過流保護(hù)引腳，JY01有過載保護(hù)和電流異常保護(hù)功能，當(dāng)Is腳電壓達(dá)到0.1V時(shí)，過載監(jiān)控啟動(dòng)，并進(jìn)入恒流狀態(tài)，保持驅(qū)動(dòng)電流的恒定，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電流不再隨著VR端的電壓升高而升高，也不會(huì)隨著負(fù)載的增大而增大，在此狀態(tài)JY01會(huì)繼續(xù)為電機(jī)提供持續(xù)恒定的驅(qū)動(dòng)功率，保持電機(jī)的正常運(yùn)行；Z/F引腳為轉(zhuǎn)向控制腳，JY01具有軟換向功能此功能在很多應(yīng)用中起到了的保護(hù)了功率管和電機(jī)作用，提高了運(yùn)行的可靠性的使用壽命，當(dāng)電機(jī)正在向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)Z/F電平發(fā)生變化，驅(qū)動(dòng)首先停止輸出，讓電機(jī)自由停止后，再向另一個(gè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)；M引腳為轉(zhuǎn)速信號(hào)輸出腳，輸出轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)，可用于計(jì)算電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。

4 實(shí)物與測(cè)試

圖7為水下推進(jìn)器實(shí)物圖，推進(jìn)器長(zhǎng)392mm，重10kg；圖8為控制系統(tǒng)電路板實(shí)物圖，電路板采用疊加式結(jié)構(gòu)，上層為功率電路，下層為控制電路，有利于節(jié)省空間和屏蔽干擾。圖9為進(jìn)行推進(jìn)器水下測(cè)試，圖中的推力測(cè)試架根據(jù)等臂杠桿的原理設(shè)計(jì)制作［11～12]，推進(jìn)器的安裝如圖a所示，圖b中的推力計(jì)顯示推進(jìn)器推力的數(shù)值大小。

圖7 水下推進(jìn)器實(shí)物圖

圖8 控制系統(tǒng)硬件電路板實(shí)物圖

推進(jìn)器水下測(cè)試結(jié)果如下。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)繪制的推力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖10所示，螺旋槳順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的推力分別表示推進(jìn)器正向和反向的推力。從圖中可以看到，推進(jìn)器正向的推力最大可達(dá)360N，反向推力最大可達(dá)310N，均達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)且略有超過。

圖9 推進(jìn)器水下測(cè)試

圖10 推力與轉(zhuǎn)速關(guān)系

5 結(jié)語

本文介紹了一種用于水下機(jī)器人的導(dǎo)管螺旋槳電機(jī)推進(jìn)器的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)與制作了推進(jìn)器控制系統(tǒng)的硬件電路，并進(jìn)行了推進(jìn)器水下測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠使推進(jìn)器的正向最大推力達(dá)到360N，反向最大推力達(dá)到310N，均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)且略有超過。