基于永磁同步電機的航空穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)實現

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

基于永磁同步電機的航空穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)實現

常九健，倪田榮

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

傳統(tǒng)的航空穩(wěn)定平臺一般采用直流有刷電機進行驅動，由于該種電機具有電刷和換向器，存在高空低溫電刷易結霜、電刷易產生電火花等問題，嚴重影響了電機的使用壽命。同時該種電機電刷的摩擦力矩是影響電機力矩平穩(wěn)性的一項重要因素。相對于直流有刷電機而言，永磁同步電機采用電子換相，不存在以上問題，更適合于航空環(huán)境。設計了基于永磁同步電機的伺服系統(tǒng)，研究了矢量控制方式。實驗測試結果表明，基于永磁同步電機的伺服系統(tǒng)各項指標滿足實際系統(tǒng)的要求。

雷達結構；維修度；虛擬維修；交互式評價

0 引言

影響穩(wěn)定平臺性能的因素主要包括機械結構、測量元件和干擾力矩等幾個方面。而干擾力矩又是影響穩(wěn)定平臺精度的主要因素。干擾力矩主要包括軸承的摩擦力矩、電機電刷的摩擦力矩、導電環(huán)的摩擦力矩等[1]。

力矩電機具有轉速低、力矩大和線性度好等優(yōu)點，可以長時間運行在較低的轉速下。現有的航空穩(wěn)定平臺大部分采用直流有刷力矩電機進行驅動[2]。直流有刷電機具有力矩線性度好、控制簡單等優(yōu)點[3]。但是由于電刷的存在，該種電機存在高空低溫電刷易結霜、電刷易產生電火花等問題，嚴重影響電機的使用壽命[4]。同時電刷的摩擦力矩是影響電機力矩平穩(wěn)性的一項重要因素。相對于直流有刷電機而言，永磁同步電機不存在電刷，不存在以上問題[5]。

1 永磁同步電機工作原理和數學模型

永磁同步電機的電流頻率和電機轉速的關系為:

n為電機轉速;f為電流頻率;p為電機的極對數。

當電源頻率不變，負載在一定限度內改變時，電機的轉速就可以保持不變。這是同步電機的基本特點。

永磁同步電機工作原理如圖1所示，當定子繞組中通有頻率為f的交變電流時，定子就會產生一個旋轉磁場。定子產生的旋轉磁場用一對旋轉磁極N1、S1表示。根據N極與S極相互吸引的原理，定子的等效磁極就會和轉子的永磁磁極相互吸引，最終使定子的軸線和轉子的軸線對齊，即δ角為零。定子產生的旋轉磁場以轉速n1旋轉時，定子的旋轉磁場會帶著轉子以相同的轉速n1一起旋轉。當在轉子上逐漸增加負載，即轉子的負載轉矩逐漸增大，此時,定子磁極軸線與轉子磁極軸線間的夾角δ就會相應地被拉大，當負載轉矩減小時，夾角δ又會減小。定子和轉子的兩對磁極間的磁力線就如同彈性的橡皮筋一樣隨著負載的變化不斷地伸縮。盡管負載變化時，定子和轉子磁極軸線之間的夾角δ會變大或變小，但只要負載不超過一定的限度，轉子就始終跟著定子旋轉磁場以同步轉速n1旋轉。

圖1 永磁同步電機工作原理

永磁同步電機的空間矢量如圖2 所示，永磁同步電機的輸出力矩為：

Is為三相電流合成矢量;Ψf為永磁體產生的磁場在繞組中產生的磁鏈矢量；E0為空載電動勢；β為電流Is超前永磁體磁鏈Ψf的角度。

圖2 永磁同步電機空間矢量

對于直流電機而言，磁鏈矢量和電流矢量是相互正交的，通過控制電流矢量的大小就可以控制電機的力矩輸出大小，從而達到電機調速的目的。對于永磁同步電機而言，在同步電機中勵磁磁場和電樞磁通勢的空間角度β不是固定的，它隨著負載的變化而變化，這將引起磁場間復雜的作用關系。因此，不能簡單地通過調節(jié)電樞電流來直接控制電磁轉矩。

2 矢量控制

矢量控制的基本原理是將電機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。具體是通過坐標變換完成的。

通過CLARK變換，將三相靜止坐標系下的變量轉換成兩相靜止坐標系下的變量。

變換矩陣為：

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

通過PARK變換，將將兩相靜止坐標系下的變量轉換成兩相旋轉坐標系下的變量。變換矩陣為：

id,iq為兩相旋轉坐標系下的電流矢量；θ為電機旋轉的電角度。

至此實現了三相靜止坐標到兩相旋轉坐標的轉換。其意義在于通過坐標變換實現了電機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分別對勵磁電流(id)和轉矩電流(iq)進行控制，從而降低了控制的難度。

3 系統(tǒng)組成和系統(tǒng)設計

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

圖3 控制系統(tǒng)

3.1 主控電路

選用美國德州儀器公司生產的TM S320F28335芯片作為主控單元。它具有以下優(yōu)點:①主頻150MHz 32 位內核,單精度浮點運算單元，運算速度很好地滿足了新一代飛控機對數據處理速度的要求;②片上集成256 k字節(jié)的閃存,方便自啟動,無需外部擴展,從而減小了控制系統(tǒng)的尺寸;③內帶UART 以及增強的CAN 總線接口,方便與不同上位機協議通信的硬件設計,系統(tǒng)將采集好的數據通過UART上傳給飛控機;④內含豐富的中斷源, 能夠及時處理各種突發(fā)事件,提高了系統(tǒng)的可靠性,同時也便于以后的升級。

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轉換芯片AD7864，它的轉換模擬輸入電壓為±5 V，或±10V，輸出數據位為12位。AD7864的開始轉換引腳CONVST和DSP的/ADCSOCAon引腳相連，通過配置DSP的PWM周期寄存器，在每個PWM周期開始的時候進行A/D轉換，將AD7864的BUSY引腳和DSP的IO32～IO63中的任意一個IO口相連，當模數轉換完成后，可以使DSP產生外部中斷，進入中斷程序進行處理。

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，電流測量范圍為0～±56 A，電流飄移<30μA，傳感器響應時間<200μs。

3.4 IPM模塊

采用的智能功率模塊是美國MSK公司的MSK4301，其內部為三相全橋電路，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。同時為了安全考慮，模塊還有過流保護，輸出使能保護等功能。

3.5 旋轉變壓器解碼電路

旋轉變壓器解碼芯片采用AD公司的AD2s80，具有16位數據輸出，分辨率可以達到0.005°，最大跟蹤速率為62 400r/min。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計是控制系統(tǒng)的重要組成部分, 合理組織系統(tǒng)軟件結構可提高可讀性、可移植性、可擴展性以及可靠性等。系統(tǒng)采用C 語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模塊。主程序是個循環(huán)體完成各種初始化、接收飛控系統(tǒng)指令以及故障檢測。中斷由CPU 定時器0每200μs 產生一次, 中斷程序完成數據的采集處理, 控制算法的實現。采用位置、速度和電流三閉環(huán)全數字控制, 其優(yōu)點是調試方便, 控制策略改動容易?？紤]到飛控機的控制周期短, 控制算法不應消耗大量時間。對電流環(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 實驗測試

在實驗測試中，分別采用相同功率等級的直流有刷電機和永磁同步電機的伺服系統(tǒng)進行機載實驗測試。在實驗中穩(wěn)定平臺的穩(wěn)定角度同為10°，圖5和圖6分別是直流電機伺服系統(tǒng)和永磁同步電機伺服系統(tǒng)的指向誤差采集數據。采用直流電機的伺服系統(tǒng)，穩(wěn)定精度為0.1°(RMS)，而采用永磁同步電機的伺服系統(tǒng)，穩(wěn)定精度為0.03°(RMS)。從實驗結果中可以看出,永磁同步電機由于沒有電刷干擾力矩的影響，在低速定點的過程中，指向精度要比有刷電機的指向精度高一些。

圖5 直流電機伺服系統(tǒng)指向精度測試

圖6 永磁同步電機伺服系統(tǒng)指向精度測試

6 結束語

研究了基于永磁同步電機的航空穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)的原理和實現。基于永磁同步電機的伺服系統(tǒng)可以解決直流有刷電機容易產生電火花，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)定平臺中對直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)進行對比，測試實驗結果表明，交流伺服系統(tǒng)不存在機械換向結構造成的干擾力矩，在低速情況下比直流電機伺服系統(tǒng)的定位精度高。

[1] 劉樾，5DOF運動仿真試驗器的姿態(tài)指向對準和誤差分析[J].精密測試.2012(2):17-23.

[2] 胡發(fā)煥，邱小童，蔡咸健．基于場效應管的大功率直流電機驅動電路設計[J].電機與控制應用，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調速裝置[J].計算機工程與設計，2009，30(21):4884-4887.

[4] 劉貴如，王陸林．BTN7970在直流電機驅動系統(tǒng)中的應用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2010(8):44-46.

[5] 胡發(fā)煥，楊杰，邱小童．大功率直流電機驅動電路的設計[J].機械與電子，2009(10):77-80.

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，研究方向為雷達伺服控制;倪田榮男，(1976-)，四川內江人，高級工程師，研究方向為航空穩(wěn)定平臺伺服控制。