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K_T=2 N·m／A，電動勢系數K_e。=100 V·s／rad，電機時間常數T_e=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)，T_e為電機時間常數(s)，K為電動勢系數(V·s／tad)，K_T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n_min：

式中：n_min為****鎖相工作轉速(r／s)，N_min為最小分頻系數，丘為放大器和電機聯合增益[rad／(s·V)]，V_s為電機繞組通電****電壓(V)，m為編碼器刻線數。