（电气工程专业论文）三相永磁陀螺电机控制系统.pdf

a b s t r a c t t h eb m s h l e s sd c ( b l d c ) p e r m a n e n t - m a g n e tm o t o ri su s e df o rg y r o s c o p e t h e g y r o m o t o rs u p p l i e ss t a b l ea n g u l a rm o m e n t u m f o rt h eg y r o s c o p ei sd i s c u s s e di nt h i s p a p e r i t h a sm a n ya d v a n t a g e s t h e r ea r en oe l e c t r i c s p a r ka n de l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e s a n di ti sm o r ee f f i c i e n t i nt h ei n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ，c o m p a r e d w i t h h y s t e r e s i sm o t o r , t h e b l d cm o t o rh a sn o g r a d u a l s t a r t u p e r r o ra n d l o w - f r e q u e n c y r a t ed i s t u r b b a c ke m f v o l t a g ei ss e n s e df r o mt h em o t o rw i n d i n g st od e t e r m i n et h ep r o p e r c o m m u t a t i o np h a s es e q u e n c ew i t h o u th a l le f f e c ts e n s o r s b e c a u s ei th a st h es a m e l e a d i n g o u tw i r ew i t ht h eh y s t e r e s i sm o t o r , i ti sc o m p a t i b l ew i t ht h eh y s t e r e s i sm o t o r i nt h ep r o c e s so fa s s e m b l eg y r o s c o p e t h eb l d cm o t o rc a r lc h a n g et h er a t eo ft h e r o t o re x p e d i e n t l y , a n di m p l e m e n tt h er o t o rm t em o d u l a t i o ni nt h ei n e r t i a ln a v i g a t i o n s y s t e m c o m p a r e d w i t h2 - p h a s e ，3 - p h a s eb l d cc a l ls t a r t - u pm o r ef a v o r a b l yw i t h o u t s t a r t - u pd e a dp o i n t t h el e n g t h a n dr e s i s t a n c eo ft h ew i r e st h a tc o n n e c tt h eg y r o s c o p e w i t ht h ec o n t r o lc i r c u i ti sv a r i a b l e t h e r ei s n ts e l fs t a r t u pt o r q u ew h e nt h eb l d cp e r m a n e n t - m a g n e tm o t o ri s s t a 3 i n u d s t a r t u ps c h e m e s a r ec r i t i c a lw i t hs a n s o r l e s sm o t o rd r i v e r s w h e nt h em o t o ri s i n i t i a l l ys t a t i c ，i ti sg e n e r a t i n gn ob a c k - e m f , b e c a u s e ab a e k - e m fs i g n a li sr e q u i r e d f o rc l o s e dl o o pc o m m u t a t i o n ，t h em o t o rm u s tb es t a r t e d “o p e n l o o p u n t i lav e l o c i t y s u f f i c i e n tt o g e n e r a t e s o m eb a c k - e m fi sa t t a i n e d t oa c c e l e r a t i n gt h er o t o ro f s e l f - a c t i n ga i rb e a r i n gb l d c m o t o r ，w h e nm o t o rw a s “o p e nl o o p ”s t a r t - u p ，e x p o n e n t f u n c t i o ni ss u i t a b l ef o rt h es p e e d - u pr a t e t h es t a b i l i t yo ft h es p e e do fr o t a t i o ni sv e r y i m p o r t a n tt ot h eg y r o s c o p em o t o l a h i g h e rp r e c i s i o np h a s e - l o c k e ds e r v oc i r c u i tw i t h p u l s ew i d t h m o d u l a t i o nw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h ec o m m u t a t i o nl o o pa n dt h e s p e e d c o n t r o ll o o pa r ea l s oa n a l y z e dt oc h o o s et h ec o m p o n e n tn e c e s s a r yf o rp r o p e r o p e r a t i o n t h i st y p eb l d cp e r m a n e n t m a g n e tm o t o rc o n t r o ls y s t e mw a sa p p l i e di nah i g h p r e c i s i o ng y r o s c o p e n l ea d v a n t a g e s w e r ee x a m i n e da n dc e r t i f i e d k e vw o r d s ：b l d cm o t o r b a c ke m fp h a s e - l o c k e ds c r v o p u l s ew i d t hm o d u l a t es e l f - a c t i n g a i r b e a r i n g p h a s em a r g i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导卜- 进行的研究t 作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文巾1 i 包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也f i 包含为获得苤鲞盘生或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同i 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作1 r 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：潘珲签字日期：乒啦年，宣月加曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁垄盘鲎一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：潘军 签字日期：上瓣年o 月j p 日 靳签名：钩芝3 贴稠 签字日期：扯，年，卫月2 廖日 第一章绪论 第一章绪论 电机作为机电能量转换装置，其应用范围遍及到国民经济的各个领域以及 人们的日常生活当中。直流电机具有运行效率高和调速性能好的优点，但传统 的直流电机以机械的方法换相，因而存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花、 无线电干扰以及寿命短等缺点。无刷直流电动机是近些年来随着电子技术的发 展而发展起来的一种新型直流电动机，它是现代工业设备、现代科学技术和军 事装备中重要的机电元件之一。无刷直流电动机是以法拉第的电磁感应定律为 基础，而又以新兴的电子技术、数字技术和各种物理原理为技术后盾，可以提 高现有的电动机的多项性能指标和控制指标。 本世纪3 0 年代，就有人开始研制以电子换相的无刷直流电动机，并取得了 一定成果。1 9 5 5 年美国人d 哈里森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动 机机械换向的专利，这就是现代无刷直流电动机的雏形。而后又经过人们多年 的努力，借助霍尔元件来实现换向的直流电动机终于在1 9 6 2 年问世，从而开 创了无刷直流电动机的新纪元。7 0 年代以来，随着电力电子工业的飞速发展， 许多高性能半导体器件相继出现，以及高性能的永磁材料的问世均为直流无刷 电动机的广泛应用奠定了基础”1 。 无刷直流电动机的最大特点，就是没有换相器( 即整流子) 和电刷组成的 机械接触结构，没有机械摩擦。加之，它在转子上采用高性能永久磁铁，具有 很高的气隙磁通密度，降低电机线圈中的电流，而且没有激磁损耗，机电转换 效率高。无刷直流电机的主要优点是没有干扰、寿命长、运行可靠，并且它的 转速不受机械换向装置的限制，可以达到很高的转速。 一般永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机 气隙中产生磁场，其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷或换向电路的作 用，使得这两个磁场的方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直或近 似垂直，从而产生最大转矩而驱动电机转子不停的旋转。直流无刷电动机为了 实现无电刷换向，首先要求把直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢 放在转予上，这与传统的直流永磁电动机的结构刚好相反。 但是，仅仅用恒定的直流电源给定子绕组供电，只能产生固定磁场，它不 能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场持续地相互作用。所以，直流无刷电动 第一章绪论 机除了要有一般电动机需要的转子和定子外，还需要有位置传感器、控制电路 和功率逻辑开关共同构成换向装置，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。 直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产 生的永久磁场在空间上始终保持接近9 0 度的电角度( 注：本文中以下提到的 角度，如无特别指出，都指电角度) 。 位置信号处理电路和控制电路控制着功率逻辑不断转换通电相序，向电机 定子绕组一相一相的依次馈电，实现了绕组电流的不断换向。在三相电机换相 过程中，定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。如果这种 旋转磁场在3 6 0 度电角度范围内有六种磁状态，则每一种磁状态持续6 0 度电 角度。 陀螺电机是陀螺仪中的核心部件之一，陀螺电机的作用是为陀螺仪提供一 个稳定的角动量。对于陀螺电机的主要要求是转速恒定，尽可能减小功耗和稳 定不变的电磁参数。磁滞电机结构简单，转速与频率同步，且有较大的启动转 矩，是目前普遍采用的陀螺电机。但是磁滞电机存在三个缺欠。 首先是效率低，磁滞电机效率较低一般只达到3 0 一6 0 ，损耗转变的发热量 会引起电机及陀螺构件的热飘移，容易形成较大的温度梯度，这样在陀螺运行 过程当中难免造成浮予的重心漂移，产生热漂。而陀螺仪运行过程中浮子的重 心必须严格保持稳定，否则会造成浮子的重心发生变化，从而产生对于陀螺仪 的干扰力矩。 其次是磁滞电机转子具有随机同步的固有特性，随机同步位置取决于每一 次电机的启动，每次电机启动后电机磁滞环的磁极就重新组形并且改变位置。 重新组形一次，磁极的位置就改变一次，因而明显的改变了转子环中在旋转磁 通作用下的所有量值。这种随机重调会使电机的磁滞状态随机变化，产生逐次 启动误差致使每一次启动后工作电流不稳定，这导致了陀螺的热漂移的不稳定 性，这会在影响惯性系统的精度。 再次，磁滞电机固有的同步振荡现象“”，使之进入同步状态以后转速存在 小角度的低频摆动，这种振荡需要使用专门的电路才能控制在较小的范围内而 不能彻底消除，因此影响了应用磁滞电机陀螺仪的惯性导航系统的稳定性指 标。 随着电子技术和高磁能积磁钢的发展，出现了新一代的永磁无刷电机。这 种电机克服了上述缺点。效率可以达到9 0 以上。工作电流也因转子为永久磁 第一章绪论 钢其磁状态稳定不会出现随机变化而能够保持稳定。在上述几个方面，永磁无 刷电机比现有磁滞电机效率高，转速稳定性好，永磁电机转子为永久磁体，没 有磁滞电机的逐次启动误差，同时永久磁体形成的高气隙磁通可以减小电机运 行所需要的输入电流，电机定子采用无铁心线圈结构使电机消除了铁耗，电机 效率提高。为提高陀螺仪以及惯性导航系统的精度创造了有利的条件。 在永磁电机中，永磁转子在受定予磁场拖动旋转过程中，气隙磁通又不断 切割定子线圈，产生感应电动势。这个感应电动势本身反应了转子与定子的相 对位置信息。利用反电势提供的转子位置信息控制电机绕组换相通电，这样构 成的反电势控制的永磁无刷电机主要特点是，利用产生转矩的定子绕组兼作位 置传感器，采用反电势换相，减少电机引出线从而简化了陀螺仪结构。 通常的无 刷直流电机装 有专门的位置 传感器，用来 检测转子的位 置。作为陀螺 电机，希望其 结构尽量简 单、紧凑尤其 是尽量减少引 出线的游丝数 量，以达到尽 可能减少干扰力矩的目的和稳定可靠的要求，因此应避免采用专门的位置传感 器，以减少多个位置传感器的电源线和输出引线。简单可行的方法，是利用定 子绕组中感应反电势作为位置信息，来控制电子换相电路。定予绕组中的反电 势是时间的周期函数，如图1 1 所示。反电势隐含着转予的位置信息。尤其是 反电势的过零点，对应的是磁场轴线与绕组轴线重合的位置。所以利用过零点 的信息，来导通或切断某一相驱动电路，同样可以实现电子换相。这样，定子 绕组起到了位置传感器和功率输入的双重作用，从而节省永磁电机中位置传感 器的费用和引线，简化电机的结构。由于反电势控制的陀螺电机是依靠过零点 来判断转子位置的，如果外加的电压是恒压源，则导通绕组的反电势在导通过 第一章绪论 程中将被# f 3 n 电压所淹没，所以应向电机定子中加入恒流源激励，或者在电机 的过零点附近位置使驱动电路关断，以便读出电路的反电势信号。 反电势控制的永磁陀螺电机分为两相永磁电机和三相永磁电机两种方案。 在陀螺仪的应用中，三相永磁电机与两相永磁电机这两种电机相比，三相永磁 电机具有如下优点： 1 、 无理论死点。实现反电势控制的永磁陀螺电机的主要技术难点为启动问 题，两相永磁电机在启动时存在固有的理论死点，而三相永磁电机由于 是三相定位可以克服理论死点问题。 2 、电机与控制线路之间的引线可以适当调整。在该电机的实际应用中，电 机的控制线路一般安装在控制机箱内，与陀螺仪之间有一段连线，在两 相电机的连接中对此接线长度和电阻有严格的要求，否则，会造成电机 不能起动的现象。而三相永磁电机控制线路采用了变频启动的方法，则 对引线的长度和电阻无严格要求。 3 、三相永磁电机在陀螺仪中的引线与三相磁滞电机完全兼容。这使得陀螺 仪可以由应用磁滞电机顺利过渡到应用永磁电机，而不用改变导电游 丝、传感器等陀螺仪结构。这为工程应用提供了很大方便。 综上所述，反电势控制的陀螺永磁电机与磁滞电机相比具有效率高，并且 克服了磁滞电机所固有的低频转速振荡的优点；电机没有逐次启动时磁滞角的 随机变化可以获得良好的逐次启动性能；永磁电机可以方便调节转速，从而使 惯导系统可以实现转子速度调制技术( h 调制) ，从而为提高惯性导航系统的精 度奠定了技术基础。以上这些良好得特性，可以使陀螺仪性能有较大提高，使 三相无刷永磁电机成为陀螺仪中较为理想的电机形式。 通过前面的分析，三相永磁无刷直流电动机在陀螺仪中有优越的性能，能 够提高惯性导航系统的性能，进而满足国防建设和民用导航设备的迫切需求。 本课题的主要研究内容是研制三相永磁无刷直流电动机的控制系统，主要 研究内容如下： 1 、分析永磁无刷直流电机控制系统的系统组成和特点，继承两相永 磁陀螺电机的优点，发挥永磁电机在陀螺仪中的优势。 2 、针对陀螺仪中使用的动压气体轴承的启动特点，分析启动策略和 方法，提高永磁陀螺电机的启动可靠性。 3 、分析高精度速度稳定的控制方法，实现高精度速度锁相伺服控制。 4 第一章绪论 4 、 5 、 进行系统分析，为控制系统取得最大的相位稳定裕度，保证系统 稳定工作。 用。 实现永磁无刷电机的控制系统，并实现在惯性导航系统中实际应 第二章反电势控制三相永磁电机的工作艨理 第二章反电势控制三相永磁电机的工作原理 在永磁无刷电机的控制回路中，控制回路根据转子的位置信息，来控制电 子换相电路，驱动与电枢绕组相连的功率器件，使电枢绕组依次馈电，从而使 电机定子产生旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子不断转动，反电势提供 的位置信息相应地不断变化，控制系统读取该变化量不断调整电枢绕组的通电 状态，使其在某一磁极下的导体中的电流方向始终保持不变，完成电子换相功 能。 2 1 无刷永磁电机的等效电路 在无刷直流电动机中，通过反电 势信息和电子控制线路在转子旋转 过程中，各项绕组按照一定规律轮 流导通，实现了无接触式电子换相。 其内部的电磁过程与一般的有刷直 流电机中的电磁现象本质相同。 在无刷电机的绕组中通过电流 时可以产生转矩的平均值为。1 ： m = k 。i 。 ( 2 1 ) k 。为电机的转矩系数，i 。为电机 的电枢电流。在电磁转矩的作用下， 电机的永磁转子转动同时，电枢绕 组中感应出反电势，可以用下式描述。 e 。= k 。珊 图2 - i 永磁电机一相绕组等效电路图 ( 2 - 2 ) e 。为反电势的幅值，l ( e 为反电势系数，。为电机的角速度。 对应的电路电压平衡方程为： v 叫。地鲁城 ( 2 _ 3 ) 6 第二章反电势控制三相永磁电机的工作原理 式中，v t 为加在无刷直流电机电刷上的电压，r 。为电机电枢的绕组电阻，l 。 为电机电枢的电感。其等效电路如图2 - 1 所示。 假设，电机转子在不带负载、不记摩擦和阻尼的情况下，定子的电流全部 用于加速电机转子，则其转矩平衡方程为： m ：，竺( 2 5 ) 式中，m 为转矩，j 为转子的转动惯量，m 为角速度。依据定子转矩与定子电 一k 。d t i ( 1 n 为转矩系数，将上式代入电机的电压平衡方程并且考虑到上述反电势方 ”罢警+ 等窘“。 式中k 。为反电势系数，对上式进行拉普拉斯变换，有 驰) = 芝，吣) + 芝( 卅e m ) 则电机的传递函数为： 鬻= 耍五1i 1 k o ( r 。s + 1 ) ( r d + 1 ) ( 2 _ 6 ) 喇。等 筹n 疋 式中，t 。为电机的机械时间常数，t 。为电机的电气时间常数。可以看出电 机为二阶环节。 在永磁电机处于脉冲调宽状态下7 - 作时，其输入波形是高频的窄方波脉冲， 而且电机定子采用空心线圈，加之气隙大而且永磁体的导磁率低，因此可以忽 略电机电枢的电感量，上式的电机模型可以简化为一阶惯性环节，如下式： 型：! ( 2 7 ) k ( j ) k 。( f 。s + 1 ) 舯一5 最 第二章反电势控制三相永磁电机的工作原理 其传递函数方框图如2 - 2 所示。 图2 - 2 无刷直流电机的方框图 2 2 转矩系数与反电势系数的等值性 在转子永磁体上作用有电磁力，拖动电机转子旋转。力的大小与定子上电 流的大小和气隙磁密度及导体长度成正比。在磁场中每一根导体都对总的合力 提供一个分量。由于转子的结构决定了力矢量作用于转子半径的力臂上，因而 形成电磁转矩。设永磁转子的磁通保持常量，所以电磁转矩与电枢电流成正比， 有 t 。= k t ld 式中，t m 为转矩，k t 为转矩系数，i a 为定子电流。 在供给电机的电枢回路恒定电压，并且电机带有恒定负载而且处于稳定的 工作点时，转子中所产生的机械功率为电磁转矩与角速度的乘积 p o = 乙c o = 巧i o c o 而转子的电输入功率为 p ：= i 挪， 式中，p 。为电输入功率，i 。和u 。分别为电枢绕组的得电流和电压。 第二章反电势控制三相永磁电机的工作原理 输入电压近似等于反电势的幅值，输入功率有 只= k 。c o 。 由于转子的上的机械功率应等于电输入功率 = 只= k 。i 。= k ，c o 有 k 。= k t ( 2 8 ) 故在永磁直流电机中，转矩系数与反电势系数是成正比的，在采用国际单 位制时，k 。与k 在数值上是近似相等的”。为了得到这两个数值，仅测量其中 一个就可以了。至于选择哪一个参数进行测量，可以根据现有设备灵活处理。 但是，当可以使用力矩测试仪测量转矩系数时，它能够在电机的负载状态下， 观测电机的性能。比较适用于测量转矩系数转换到反电势系数。 2 3 利用反电势控制换相原理 电机定子绕组通电后，与转子磁钢所产生的磁场相互作用，产生的转动力 矩驱动转子转动，从而决定了电机的运动过程。转子磁钢转动后，其磁力线反 过来又切割定子绕组，在定子绕组中产生感应电动势( 即反电势) ，反过来又影 响电机内部电动势的平衡关系。 设转子磁场的空间分布函数为正弦函数，则磁链为： 掣= 中j s i n r a t 式中：o 。为每极气隙磁通，u 为转子转速，n 为电机定子绕组的匝数。 转予的反电势e 为 e a = 罾= c o n q bc o s 耐+ n 警s i n c o t 转子的永磁体的磁通不随着时间变化，所以d 中s d t 为零，则上式可以写 成： e = c o n c h # c o s a ) t ( 2 - 93 由( 2 9 ) 式可见，由于转子磁场的空间分布函数不是恒定值，而是转子角 第二章反电势控制三相永磁电机的工作原理 度的函数，因此反电势信号与转子转角之间存在固定的函数关系，可以使用反 电势的幅值代表转子的位置信息，尤其转子转角为9 0 度位置时反电势的幅值 为零。 但是，绕组的反电势隐含在电枢的激励电压之中，难以直接检测。对于三 相六状态导通的无 刷直流电机而言， 在任意时刻总有一 相绕组不导通，其 相电压等于总的感 应电动势。在忽略 电枢反应对气隙磁 场的影响时，绕组 中总的感应电动势 等于反电势，而反 电势的过零点就发 生在绕组的不导通 图2 - 3 三相无刷电动机电路的反电势波形 期间。若用电压比较器检测到某一相不导通期间的反电势的过零时刻，即可间 接地获得反电势的过零点。可以使用反电势的过零点作为位置信号控制定子电 流的正确换相。 2 4 电机电枢的换相过程 在三相无刷电机中，每一相定子的位置相差1 2 0 度电角度。电机转子由永 久磁钢组成。最简单的情况是单磁铁，具有两个磁极。永久磁铁与线圈产生的 磁场之间相互作用产生转矩。但是定子磁场与转子磁场必须在处于合适的空间 位置时才能产生正向转矩。理想的情况下，定子磁场超前转子磁场9 0 度可以 产生最大转矩。为了保持转子的连续运转，定子产生的磁场必须不断地换相， 使定子磁场超前转子磁场9 0 度或者接近9 0 度的电角度，不断的牵引转子接近 定子相应的磁极。 无刷永磁电机正常工作的关键是探知转予的位置，根据转子的位置给与定 子适当的通电相位，以使转子获得最大的转动力矩。对于陀螺电机不宜采用位 置传感器检测转子位置的办法。而是利用电机永磁转子旋转时，切割磁力线而 第二章反电势控制三相永磁电机的工作原理 产生的反电势信号，判断其过零点，即可测知转子位置，控制线路根据反电势 信号改变电机绕组的通断状态达到对转子施加力矩使转子旋转的目的。 图2 _ 4 三相星形接法的换流原理图 电机一旦启动成功，在电动转矩的控制下，旋转了的转子磁场切割定子绕 组，在各相绕组上产生感应反电势，当其转速不变时，该反电势也是正弦波， 相位与转矩保持一致。由于每一相绕组在一个周期内只通电1 2 0 度，一个完整 的周期为3 6 0 度，而在另外的2 4 0 度期间输出电路的晶体管不导通，故其反电 势不受外加电压的影响。三相反电势波形如图2 3 所示。 表一电机的步序与开关状态的对应关系 状态号输出状态 ( 步序) k 1k 2 k 3k 4k 5k 6 复位 o f fo no f fo no f fo n 1o f f o f fo no no f fo f f 2o f f o f fo no f fo no f f 3o n o f fo f fo f f o no f f 4o n o f fo f fo f fo f fo n 5o f f o no f fo f f o f fo n 6o f f o no f f o no f fo f f 第二章反电势控制三相永磁电机的工作原理 反电势控制的三相永磁电机的工作原理与两相反电势无刷永磁电机的工作 原理相同，只是定子绕组的分布形式不同。控制线路的动作由定位、启动、反 电势换相及锁相速度控制电路等几部分组成。 电机采用星形接法换相电路为三相，它的导通角为1 2 0 度，在启动定位阶 段为三相导通，在反电势控制阶段为两相导通。在正常工作状态下导通状态为 六步导通p j 。 在三相位的定子线圈中，其中相接通电源电压正极、第二相接她，而第 三相不导通。三相的定子不断的转换接通电源负端或者接电源正端，使定子磁 场始终超前与永久磁铁产生的转子磁场，定子绕组的接通方式有六种可能的状 态，对于转子的每一个可能的位置都有与之对应的定子导通状态。当转子的空 间位置接近换相点时，输出转换逻辑切换输出开关晶体管转入下一个输出状 态。电机的接法和换相原理图如图2 4 所示，图中将桥式接法的晶体管简化成 为了开关形式。 其导通过程如下： l 、当t = o 度时，电流由电源正端通过k 1 至a 相、b 相，通过k 5 流回电源 负端。 2 、当t = 6 0 度时，电流由电源正端通过k 1 至a 相、c 相，通过k 6 流回电 源负端。 3 、当t = 1 2 0 度时，电流由电源正端通过k 2 至b 相、c 相，通过k 6 流回电 源负端。 4 、当t = 1 8 0 度时，电流由电源正端通过k 2 至b 相、a 相，通过k 4 流回电 源负端。 5 、当t = 2 4 0 度时，电流由电源正端通过k 3 至c 相、a 相，通过k 4 流回电 源负端。 6 、当t = 3 0 0 度时，电流由电源正端通过k 3 至c 相、b 相，通过k 5 流回电 源负端。 当t = 3 6 0 度时，又重复当t = o 度时的过程。 电机的各个相位的导通状态见表一。 第三章电机启动方法分析 第三章电机启动方法分析 永磁电机属于同步电机，它只有在定子的合成磁场与转子磁极同步运转时 才有正的平均转矩。如果永磁电机处在非同步状态下，在定子磁场旋转的一个 周期内转子获得的电磁平均转矩为零，故转子在启动过程中没有净电磁转矩致 使电机不能自行启动，必须依靠相应的电路使电机转子启动。尤其对于采用动 压气体轴承这样的陀螺电机，它的大转动惯量、高启动摩擦力、高运转速度使 得转子启动更加困难，加之惯性导航平台的安全性对于陀螺仪启动特性提出了 严格的要求，因此启动可靠性对于永磁陀螺电机至关重要，必须采取相应的技 术措施保证启动可靠性。 3 1 反电势控制的三相永磁电机的启动过程 反电势换相的永磁无刷电机，在启动的初始阶段，电机转子是静止的或者 速度很低，也就没有反电势产生或者反电势的信号幅值很低，不能提供可靠的 足够大的反电势信号。闭环的换相电路需要依靠反电势信号作为转子的定位信 息，因此在这时不能利用反电势信号作为换相电路的控制信号，否则会因线路 干扰和反电势的错误判断造成启动困难，甚至启动失败。在这种情况下，比较 适宜的办法是采用反电势控制开环变频启动的办法，不依靠反电势检出而以步 进的方式启动转子，直接使电机定子电流换相进行电机的初始加速。也就是， 在电机转子静止或者低速运转时，不用反电势信号作为转子的位置信号，而是 由控制电路在不知道转子位置的情况下，通电定位后缓慢的增加定子的激磁频 率启动转子，直到速度足够高能够产生可靠的反电势信号，再由反电势信号控 制电机定子电流的换向。 电机转子从静止到启动完成的过程可以分以下几步： 第一步：电路保持复位，电路在最开始时将电源电压全部加在定子的三相 线圈上，这使得永磁转子对准第一变换状态的中心而停在某一磁极的位置上， 郎超前3 0 度( 电角度) 。这样可以获得足够大的首次加速力矩加速转子。 第二步：电路复位释放，向压控振荡器的滤波环节送入一定的电流，使压 控振荡器的输入电压逐步提高，也就使压控振荡器的振荡频率逐步提高，这样 第三章电机启动方法分析 对转子形成一个频率逐步提高的旋转磁场，这一过程中转子按照电路中振荡器 的递增频率加速，电机转子逐步被加速。 第三步：当电机达到一定转速的时候，通过定时电路，使反电势采样电路 接入电荷泵依照反电势采样的频率向滤波环节的电容器充放电，使压控振荡器 的频率锁定在电机的反电势频率上，进入反电势的闭环控制阶段，得到正确的 控制电机通电步序和位置，使得电机以最高的转矩加速，完成启动过程。 这样启动办法有如下优点：首先，采用三相位同时通电进行转子定位，与 两相电机的单相通电相比较，在输入电流相同的情况下。三相通电的定位力矩 大，转子经过的角度小。电机转子在任意位置上都是两相排斥一相吸引，使得 电机可以定位准确，启动顺利。其次，采用开环启动在电机刚刚运转时电机的 转速很低，反电势的幅度很小，再加上电机到控制线路的引线对它的干扰和衰 减会使控制线路逻辑混乱，若此时采用反电势控制闭环控制很容易造成电路以 电路本身的延迟频率自激振荡，电机无法工作。采用开环启动对于电机启动是 比较好的解决办法。 3 2 启动定位时间的计算 永磁电机在启动之前由控制电路产生的一个延时时间内进行启动定位，使 转子锁定在固定的位置上，保证转子在初始位置与加速的第一通电步序上的电 角度，以获得最大的启动力矩。这时三相电机定子绕组两相接到电源正端，一 相接到电源的负端。电机的启 动力矩曲线如图3 1 所示。蓝 线表示了定子单独通以直流 电时的力矩特性。在延时时间 内，转子从某一位置l 向稳定 平衡点0 转动，经过若干次摆 动后，转子将进入0 点附近区 域。启动定位过程是一个衰减 振荡的过程，摩擦转矩越太振 荡衰减越快，进入启动稳定区 域的时间越短，因此需要有足 够的延时时间，保证转子达到 j t m r o el l v 7 图3 1 电机静态通电转矩示意图 1 4 第三章电机启动方法分析 预期的启动位置“。 这样，稳定的电流将产生稳定的磁场，使转子固定在某个位置上。定位的 时间的长短与电机转子的转动惯量、摩擦力矩有关。利用电机负载的差分方程 可以估计电机的定位时间。 假设，磁场引起的转矩在较小的角度范围内与转子的转角位置成正比，则 转子转矩为： 瓦= 一女口一d 出2 _ _ 0 2 0 式中，j 为转动惯量，k 是转矩系数 擦力的情况，有： ( 3 - 1 ) 0 为转子的转角。考虑启动力矩、摩 j d 2 0 + r + ：, d o k o0 d f 。d f 整理上式，有 堡+ 二塑+ 主护：0 d t ljd tj 式中，r 为包含摩擦损耗和涡流损耗在内的损失因子。 的解中，自然响应振荡频率f 为： 压 ，：业 上述二阶微分方程 ( 3 2 ) 因此，定位时间应大于自然振荡频率的倒数，保证电机转予定位可靠。 3 3 动压陀螺电机的启动斜率控制 对于启动阶段的电机转子，在通过直流电时所产生的力矩为正弦形式。在 转子转过电机定子极靴后，电磁力所产生的加速力矩为负值，而使电机转子减 速甚至停转，这对于启动过程非常不利。应该使驱动转子启动的旋转磁场具有 与转子加速速率相同或近似的启动斜率和曲线形状。 使用开环的斜坡启动的办法，虽然可以很好的完成永磁电机的启动过程。 但是在启动过程中间，需要根据具体的电机仔细地调整电机的启动加速斜率， 第三章电机启动方法分析 以适应每一不同的电机的加速斜率。陀螺仪中使用的动压气体轴承电机，动压 支撑与滚珠轴承支撑的电机在启动时显著区别就是摩擦力矩剧烈的变化。尤其 启动阶段电机转子处于尚未浮起的状态，转子与安装轴之间没有空气润滑，其 静摩擦力很大而且不够稳定，对于启动过程不利，而且电机初始加速时间长对 于动压轴承有较大的磨损，因此需要寻找合适的启动加速速率，能够在给定电 流的情况下适应转子的加速速度，以使转子尽快浮起减小在启动过程中对于动 压轴承的磨损。 电机的力矩平衡公式如下： m t m y - m f 刘 式中m 。为电流产生的力矩，m f 为摩擦力矩，m p 为负载力矩，j 为转动惯量， u 为角速度。 对于陀螺电机来说，负载力矩m p 主要为动压电机的风阻，而摩擦力为 m r = u 为摩擦系数，n 为正压力 n = m 一 m 为转子的质量，k 为动压电机气体浮力与转速之间的转换系数。则显然 有 m , - 砌一k l c o ) 一k ：“警 _ 3 ) 其中，k 为动压电机气 体浮力与转速 之间的转换系 数，k 。为动压 电机风阻与功 率之间的转换 系数。 在动压电 机启动过程 中，转子的风 阻远低于电机 电僦 定位阶段 删 警沙 指数启动方法 j 矽 图3 - 2 永磁陀螺电机加速速率曲线示意图 时间t 第三章电机启动方法分析 正常工作时的风阻值。在( 3 - 3 ) 式的一阶微分方程中，忽略风阻项( 即令k 。 等于零) 且电力矩为恒定值时，转速。的解为： ，女 脚：竺 丝托宁一1 )( 3 4 ) ，腑l 由( 3 - 4 ) 式可以看出，对于动压陀螺电机的启动加速速率应随着时间的增 加具有正的指数形式的加速曲线，而不是线性的加速曲线。在电机的启动阶段， 控制线路不知道转子的实际位置时，只有以符合上述指数形式的速率加速时， 才可能可靠的启动电机，减少动压气体轴承的磨损。 其物理解释为电机在刚刚启动时，气体动压轴承处于无润滑的干磨状态， 其摩擦力远远高于电机动压轴承浮起后的摩擦力。随着电机转子的不断加速， 动压轴承的浮起力逐步增加，在同等的电力矩作用下，转子的角加速度呈指数 形式逐步提高。因此，动压陀螺电机在变频启动过程中应采用指数形式的加速 方式。动压陀螺电机的加速曲线如图3 2 所示，实践证明了采用指数启动的方 法可以大大提高动压陀螺电机启动的成功率。 3 4 永磁电机启动的理论死点问题 无刷永磁电机使用两相定位、或者三相半桥式定位方法时，当转子位于定 子磁场中的某些位置时，定子对转子产生的启动力矩为零，电机如果在这几个 点上启动，会出现启动死点使电机无法启动“。假设转子磁钢所产生的磁感应 强度在电机气隙中是按正弦规律分布的，可以由下式表示 b = b u s i n 0 式中，b 为磁钢产生的磁感应强度，b _ 为磁感应强度的最大值。 如果在转子某一相中通以持续的直流电，所产生的转矩为 = z d l b m r i s i n 口 ( 3 5 ) 式中，z 。为每相绕组的有效导体数，l 为绕组中导线的有效长度，r 为电机 中气隙的半径，i 绕组的相电流。 从上式可以看出在某一相电枢中通以不变的直流电流后，它和转子磁场的 作用所产生的转矩也将随着转子位置的不同而按正弦规律变化，在直流电压的 情况下转子所得到的平均转矩为零。在直流无刷电机的三相位半桥导通的情况 第三章电机启动方法分析 下，实际上通过的是 三分之一周期的矩形 波电流。该电流和转 子磁场作用所产生的 转矩也只是正弦曲线 上的三分之一周期的 一段，而且这一段曲 线与绕组开始通电时 的转子相对位置有 关。如果在两相位正 弦波相交的位置换 l 1 m 一0 o = , 3 0 l 斗 a 柑 图3 _ 3 启动转矩波动示意图 相，转子刚好处于载流导体的比较强的气隙磁场中，使晶体管输出电流换相则 可以产生最大转矩，转子所得到的转矩脉动小平均值较大。一般以这一交叉点 作为晶体管换相的基准点，如图3 - 3 中的0 。等于零的点。在这时，电动机三 相绕组轮流通电时所产生的总转矩最大，若晶体管的导通时间提前或滞后，则 将导致转矩的脉动值增加，平均值减小而且效率降低甚至产生负力矩。因此， 在直流电机正常运行的过程中，应尽可能的将这个换相点调整到两个相位切换 的位置上，即日。等于零的点。 + 图3 4 三相星形接法的换流原理图 图3 4 中f a 、f b 、f c 分别为a 、b 、c 三相位电流产生的电磁力，f h 为合 力方向。 在。为0 度和1 8 0 度电角度时( 3 5 ) 式等于零。则电机的瞬时力矩等于零。一 第三章电机启动方法分析 如果电机在这个位置处于启动阶段时，对电机施加启动电流而转子无启动转 矩，会造成电机不能启动，在这一点上产生启动死点。 为避免启动死点，需要在电机启动之前进行三相位全桥启动通电定位。在 电机进入启动阶段之前，电机先进入复位状态，k 2 、k 4 、k 6 导通，电机的三相 绕组同时导通，这样，三个互相相差1 2 0 度的电流中，至少有两相绕组电流所 产生的磁场，对于转子的作用角度不等于o 度或1 8 0 度，电机的各相绕组所产 生启动力矩的矢量和不会等于零，可以保证电机的可靠的初始定位，电机电流 方向如图3 4 所示。当电机定子定位在某一磁极上保证了电机转子的初始位置， 启动的第一步使转子获得最大的平均启动力矩，开始转子的启动过程。 第四章脉冲调宽式转速锁相控制 第四章脉冲调宽式转速锁相控制 陀螺驱动电机是用来带动陀螺转子作高速而稳定的旋转，从而使陀螺转子 产生动量矩的重要部件，其性能直接影响陀螺仪的整体性能。陀螺电机的最关 键的指标之一是速度稳定度，因此陀螺电机必须实现高精度稳速。 在反电势控制的无刷永磁电机中，稳速系统的控制形式有两种：即电流稳 速和调宽稳速。电流稳速是输入的频率信号转换成电压信号，将此电压信号与 设定的基准电压信号相比较，最后将电路的输出构成压控电流源的形式直接控 制电机电枢绕组的供电电流，构成速度负反馈回路。 调宽稳速是使用相位比较电路，对从反电势中取出的速度频率信号与基准 频率信号进行相位比较，比较后得到的波形送入驱动级对输出电压进行开关调 制，从而改变输出电路的有效值，达到稳定电机转速的目的。对于以上两种陀 螺电机稳速方式相比较，陀螺电机的工作电压比较高，采用电流控制的线性工 作方式必然造成输出级功率晶体管的功耗增高，对于使用这些陀螺仪的惯性导 航系统的电源和散热方面难以接受。另外，陀螺电机的稳速精度极高，采用电 压信号为稳速基准时，其稳定度受到温度和器件噪声的影响，难以满足到陀螺 仪要求的速度稳定度。而采用脉冲调宽式稳速方法具有效率高，电路功耗小， 频率稳定度高的优点适用于陀螺电机。 4 。1 宽度调制速度控制中的控制特性 陀螺电机的单相感应电势为 e = e ，s i n c o t ( 4 1 ) 其中为感应电势的幅值，与电机的结构有关，可以用如下式表示： e 。= o k 。 其中，k 。为反电势系数。 由于永磁陀螺电机定子没有极靴结构，可以忽略电机电感，可以认为下列 电压平衡方程： u = i r + e 堑璺里壁壁塑塞塞堑望塑! ! 丝型 其中，u 为外加电压：r 为绕组电阻。 电流为 u e 对于三相电机，电磁功率可以由下式表示 己= 瓦3 序2 e 抛 p m _ 去洳d l _ 去它陬- - e 2)dox(4-2) ，o e + a m 弓。昙j 。u j d c o t ：堕 昙一2 占。 4 3 焉：( = u s - 2 ，d c o t 阻。， = 等陇。一圭等蚓 、一。 式中，e 。，为控制角，0 。n 为导通角。上式引入变量g l 和g ：如下式 铲s i n ( o o + 冬) s i n 譬 u 。= e 。，为电压基准值 口 p b = 兰鱼为功率基准值 d = 旦u b 为电压相对值 p 户= 。 功率相对值 则( 4 - 3 ) 和( 4 - 4 ) 变为 户= o ( o e 一2 9 ，) 幺= 2 9 1 b r 一= 19 2 由图卜1 可以看出，同样的导通角o 若处在反电势的幅值最大处所得 到的电磁功率最大。在设计电路时，也尽可能的做到这一点。理想的情况是满 足下式 吼+ 譬= 考 在上述情况下，借助吒消去晚可以得到 匕= 2 吣n 譬一圭( 痂屯) 上式代表了电压在不同的导通角下的调宽控制特性，表示出了电磁功率p 。 与导通角0 。之间的关烈“，可以看出电磁功率p 。随着控制量o 。的增大而增 大。 求上式对8 。的导数有 老玑。s 誓。s 氏 洚s ， 上式由姒t l a b 做出的曲线如图4 - 1 所示。 从图4 - 1 可以看出电磁功率的导数有一极值，在导通角小处电磁功率随着 导通角的增大而增大，达到最大值后又随着导通角的增大而减小，直到为零。 这时转子已经处于极间的区域，导通角的增大已不能十分有效的产生转矩，会 使电机工作效率降低。为了提高稳速精度，应尽可能的增大导通角，但是导通 第四章脉冲调宽式转速锁相控制 角过大会降低电 机的电磁效率，导 通角过大，驱动电 压还会覆盖到反 电势的过零点上 而影响反电势信 息的读出，因此需 要综合选择电机 的导通角使电机 具有最佳的电磁 效率和高的稳速 精度。 4 2 锁相速度伺服系统 图4 1电磁功率导数值与导遁角关系曲线 电机转速稳定的控制是速度伺服控制的形式之一。速度闭环控制能够使它 的输出量始终跟随输入量的变化。当输入量保持恒定时，系统的