低转速小负载无刷直流电动机稳速控制

  周士兵，杨晓宇，崔维鑫，刘学明

(中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)

  摘要：根据无刷直流电动机的工作原理，针对圆锥扫描式红外地平仪对电机转速稳定性的特殊要求，建立了电机转速的数学模型，对电机驱动系统各环节进行设计，通过研究、分析、仿真和测试，得出电机****控制方法，实现了电机转速的高稳定性，为卫星姿态测量与控制的高精度提供了技术保证。

  关键词：无刷直流电动机；锁相环；红外地平仪

  中图分类号：TM33  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)06—0048—03

0引言

    无刷直流电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗及调速性能好等诸多特点，其应用已遍及各个技术领域。

    圆锥扫描式红外地平仪的性能主要由卫星姿态角的测量精度来标定。影响红外地平仪测量精度的因素很多，电机转速的稳定性对于红外地平仪姿态测量精度来说极为重要。考虑到低转速、小负载、转动平稳及控制灵活的特性，圆锥扫描式红外地乎仪上一般使用无刷直流电动机作为负载驱动机构。

    本文以转速为1 r／s、负载约70 g、转动惯量约250 g·cm的电机为例，根据其低转速小负载的特点，对其稳速控制进行研究。

1电机转速数学模型的建立

    无刷直流电动机除了由定子和转子组成的电机本体以外，还要有由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换向装置。无刷直流电动机通电后，在位置传感器的信号控制下，根据转子的位置定子绕组不断换流，产生一个步进式的旋转磁场，在该旋转磁场的作用下，永磁转子就连续不断地旋转起来。

对于文中研究的目标电机，电机绕组为三相，有六个通电状态，定子绕组为星形联接。电机转矩系数K_T=2 N·m／A，电动势系数K_e。=100 V·s／rad，电机时间常数T_e=0.1 s，电机内阻R=155Ω。

    无刷直流电动机系统结构图如图1所示。

   

式中：n(S)为电机转速(r／s)，U(S)为电源电压(V)，T₁(S)为电机负载阻转矩(N·m)，T_e为电机时间常数(s)，K为电动势系数(V·s／tad)，K_T为转矩系数(N·m／A)，R为电机内阻(Ω)。

    根据已知的电机参数，由式(1)可得：

2驱动系统设计

2．1电机驱动系统原理

    电机驱动系统采用锁相环电路对电机进行频率和相位锁定，反馈信号由安装在电机转子和定子上的光栅编码器电路给出。电机光栅码盘一周有4096刻线细码、6刻线粗码，电机每转动一周，光栅编码电路输出4 096个时钟脉冲和6个时钟脉冲两路信号。

    电机驱动系统的主要环节由鉴相器、电机驱动桥路和电机组件组成。电机组件包括电机、光栅编码器，代替了锁相环压控振荡器的作用。文中设计的锁相环电机驱动系统原理如图2所示。

2．2分频器设计

    根据电机光栅编码器电路的设计及电机1 r／s的转动速度可知，其输出高频信号频率为4 096 Hz，考虑到电机电感及机械系统惯量的存在、响应时间常数、负载转矩的影响，如果直接用4 096 Hz作为鉴相器的反馈信号，电机响应必然跟不上驱动输入量4 096 Hz频率的高频变化，但当频率降低到一定程度后，电机转动又会变得不稳定，因此有必要把电机输出频率进行一定的分频之后再输入到鉴相器，作为电机转动的速度反馈信号。

    按图2所示的单环电机锁相环稳速系统，根据低速限制与环路的关系，电机****锁相工作转速n_min：

式中：n_min为****锁相工作转速(r／s)，N_min为最小分频系数，丘为放大器和电机联合增益[rad／(s·V)]，V_s为电机绕组通电****电压(V)，m为编码器刻线数。