永磁同步電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

吳 春，齊 蓉，李兵強(qiáng)，蘭根龍

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710129)

0引 言

舵機(jī)是飛行器飛行控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制舵面的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)器的升降、滾轉(zhuǎn)、偏航。目前廣泛使用的液壓舵機(jī)具有出力大、靈敏度高、工作安全平穩(wěn)的特點(diǎn)，但整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大、成本高。而隨著電力電子器件、高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片、稀土材料的發(fā)展，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)勢(shì)越來(lái)越突出，日益引起人們的重視［1］。

永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，與傳統(tǒng)電勵(lì)磁電機(jī)相比，在同等功率條件下具有明顯的體積、質(zhì)量、性能優(yōu)勢(shì)［2-5］，非常適用于航空航天領(lǐng)域。本文主要研究永磁同步電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

假設(shè)磁場(chǎng)在氣隙中呈正弦分布，忽略磁場(chǎng)諧波和磁路飽和影響，不計(jì)磁滯、渦流損耗，定子繞組為Y型連接，繞組電流為對(duì)稱的三相正弦波電流，在兩相旋轉(zhuǎn)的上，建立永磁同步電動(dòng)機(jī)d-q坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型［5］。PMSM電壓方程:

PMSM磁鏈方程:

PMSM轉(zhuǎn)矩方程:

PMSM運(yùn)動(dòng)方程:

式中:ud、uq分別為定子在 d、q軸電壓;id、iq分別為定子在d、q軸電流;Ld、Lq分別為定子在 d、q軸電感;ψf為永磁體勵(lì)磁磁鏈;ψd、ψq分別為定子在 d、q軸上的磁鏈;r為定子電阻;Te、TL分別為電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;p為電機(jī)極對(duì)數(shù);ω為轉(zhuǎn)子電角速度，ωr為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度，ω=pωr;B為摩擦系數(shù)。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用三閉環(huán)矢量控制策略。三環(huán)依次為位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)，均采用PID控制，永磁同步電動(dòng)機(jī)空間矢量控制采用id=0控制策略［5］。永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)三閉環(huán)矢量控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 永磁同步電動(dòng)機(jī)三閉環(huán)矢量控制結(jié)構(gòu)圖

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由永磁同步電動(dòng)機(jī)、三相逆變電路、轉(zhuǎn)子位置速度傳感器、舵面位置傳感器/控制驅(qū)動(dòng)電路、通信接口、電源變換電路等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)母線電壓為115 V(DC)，控制器電源為28 V(DC)，隔離芯片選用數(shù)字隔離芯片 ADUM1401;功率器件選用分立 IGBT，型號(hào)為IRG4PSC71UD;減速器的減速比為256∶1。

3．1轉(zhuǎn)子位置速度采集

這里采用旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置與速度的檢測(cè)，選用 Tamagawa公司的 Singlsyn系列型號(hào)為TS2223N12E102的磁阻型旋轉(zhuǎn)變壓器，如圖3所示。該型旋轉(zhuǎn)變壓器體積小、安裝使用方便、工作溫度范圍寬、可靠性高，并可與電機(jī)一體化設(shè)計(jì)。

圖3 旋轉(zhuǎn)變壓器

解碼芯片選用 AD2S1210。AD2S1210輸入為旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦信號(hào)，輸出為被測(cè)旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)軸位置和角速度數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)DSP的外部數(shù)據(jù)總線或SCI通信接口直接讀入，使用方便、測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，被廣泛用于現(xiàn)代伺服控制系統(tǒng)中［6］。AD2S1210的分辨率可由外部引腳設(shè)置，有 10、12、14、16 bit四種模式，這樣的設(shè)計(jì)擴(kuò)大了測(cè)速范圍和提高了測(cè)量精度。在激勵(lì)頻率為8．192 MHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的最大跟蹤速率分別為1 50 000 r/min、60 000 r/min、30 000 r/min、7 500 r/min。由于永磁同步電動(dòng)機(jī)是2對(duì)極的高速電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)14 000 r/min，因此選用12 bit的分辨率，1LSB對(duì)應(yīng)位置的0．087 9°和機(jī)械轉(zhuǎn)速的14．652 0 r/min。AD2S1210還可以實(shí)現(xiàn)并行或串行兩種輸出模式，本系統(tǒng)采用并行輸出，即DSP通過(guò)16外部數(shù)據(jù)總線，一次型讀入轉(zhuǎn)子位置和速度信息，從而縮短了讀取時(shí)間。圖4為AD2S1210芯片的外圍電路。

圖4 AD2S1210芯片的外圍電路

3．2舵面位置信號(hào)采集

舵面位置通過(guò)測(cè)量滾珠絲杠的直線移動(dòng)位置來(lái)間接測(cè)量。測(cè)量的傳感器選用UD19-±50mm型線性位移差分變壓器(LVDT)，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)芯片采用AD698［7］。AD698將LVDT的位移信息轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性或雙極性的直流電壓，該電壓經(jīng)調(diào)理、濾波、限幅后進(jìn)入DSP的ADC通道。圖5為AD698的外圍電路。

3．3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路由隔離電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成。DSP控制信號(hào)先通過(guò)8數(shù)據(jù)總線傳送器SN74LVC245ADW，再經(jīng)磁隔離芯片ADUM1401，傳至IGBT驅(qū)動(dòng)與保護(hù)芯片IR21141S，驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)［8］。圖6為IR21141S驅(qū)動(dòng)芯片的外圍電路。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本系統(tǒng)包括一臺(tái)2．2 kW、額定電壓115 V、額定轉(zhuǎn)速12 000 r/min，極對(duì)數(shù)為2的永磁同步電動(dòng)機(jī)，位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)的中斷頻率分別是200 Hz、1 000 Hz、10 kHz。當(dāng)斷開(kāi)位置環(huán)，僅調(diào)試電流環(huán)，驗(yàn)證電機(jī)的高速和低速特性，分別如圖7、圖8所示。

圖7 速度給定為14 000 r/min響應(yīng)圖

圖8 速度給定為60 r/min響應(yīng)圖

從圖7、圖8可以看出，電機(jī)具有較快的響應(yīng)速度，穩(wěn)態(tài)跟蹤平穩(wěn)。圖8中速度在60 r/min上下波動(dòng)，是由于傳感器的最小分辨率為14 r/min，并且其自身有±1LSB的誤差，因此在60 r/min附近有±14 r/min的波動(dòng)。如果設(shè)置AD2S1210的輸出為14 bit或16 bit，分辨率提高，低速跟蹤性能將更好，波動(dòng)更小。

在模擬舵面的負(fù)載臺(tái)上，加上額定1．8 N·m負(fù)載，系統(tǒng)的位置跟蹤如圖9、圖10所示。可以看出，電機(jī)具有良好的位置跟蹤性能，響應(yīng)速度快，穩(wěn)態(tài)跟蹤平穩(wěn)。圖11為該系統(tǒng)永磁同步電動(dòng)機(jī)和控制驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖。

5結(jié) 語(yǔ)

基于DSP 2812和驅(qū)動(dòng)芯片IR21141S，設(shè)計(jì)了永磁同步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本套伺服系統(tǒng)速度、位置都具有較好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度，完全可以滿足電動(dòng)舵機(jī)性能要求。

［1］ 汪軍林，解付強(qiáng)，劉玉浩．導(dǎo)彈電動(dòng)舵機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．飛航導(dǎo)航，2008(3):42-46．

［2］ 李永東，張猛．高性能交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)現(xiàn)狀［J］．伺服控制，2008(1):34-37．

［3］ 金如麟，譚茀娃．永磁同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景［J］．上海大中型電機(jī)，2001(3):9-13．

［4］ 褚立新，林輝．空間變速掃描用高精度永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服系統(tǒng)仿真研究［J］．微電機(jī)，2009，42(6):59-62．

［5］ 唐任遠(yuǎn)．現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997．

［6］ 鄧力，盧剛，李聲晉．基于AD2S80A的雙路RDC測(cè)角系統(tǒng)及接口設(shè)計(jì)［J］．微特電機(jī)，2009，37(8):12-14．

［7］ 王敬亭，廖力清，凌玉華．AD698型LVDT信號(hào)調(diào)理電路的原理與應(yīng)用［J］．國(guó)外電子元器件，2005(9):63-64．

［8］ 陳志強(qiáng)，宋凡峰．基于IR2214芯片的大功率IGBT晶體管驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)［J］．江蘇電器，2008(7):10-14．