北京永光高特微電機有限公司
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無刷直流電動機航空電動鎖控制系統研究

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3599

  摘要:介紹了一種由無刷直流電動機和蝸輪蝸桿機構組成的航空電動鎖控制系統。采用了由電機自身所具有的轉子Hall位置傳感器輸出脈沖信號,實現直線位置間接測量與控制,高性能AT89C51單片機作為核心控制單元,并采用硬件和軟件位移限位保護,提高了系統的可靠性。實驗分析表明,基于轉子Hall位置傳感器信號進行位置、速度雙閉環控制的無刷直流電動鎖控制器設計是可行的。

0引  言

   無刷直流電動機(以下簡稱BLDCM)具有體積小、重量輕、控制性能好、無火花干擾、效率高等優點,在眾多工業領域中應用廣泛,也是新一代航空、航天和航海用電機的重要發展方向。目前,國外高性能作戰飛機的電驅動控制系統正在用BLDCM取代有刷直流電動機。航空電動鎖通常用在飛機上需要自動定位、鎖緊、雙向驅動且具有一定推力的直線運動場合,如飛機座艙蓋的開啟、力臂的調節、折疊機構等。目前,航空電動鎖常采用有刷直流電動機及蝸輪蝸桿與絲杠螺母的傳動機構。由于有刷直流電動機存在電刷和換向器問題,其故障多、維護性差、壽命短。為了解決航空電動鎖的可靠性,實現任意位置的定位控制,本文介紹了一種基于BLD—CM和蝸輪蝸桿機構組成的航空電動鎖控制系統。該系統具有快速動態響應,可滿足電動鎖頻繁開/閉時的正/反轉、定位及限位要求,有一定的實用性。

1蝸桿傳動與電機數學模型

1.1蝸桿傳動

   蝸桿傳動由蝸桿和蝸輪組成,常用于傳遞空間,交錯90°兩軸間的運動或作動,如減速器、分度及往復運動機構等。其優點是傳動比大,結構緊湊,傳動平穩,在一定條件下可實現自鎖。航空電動鎖由鎖體和鎖銷組成,電機驅動蝸輪轉動,通過蝸桿推動鎖銷作雙向直線運動,實現電動鎖開/閉動作。

   將嚙合節點處的齒間法向力分解為三個互相垂的分力:圓周力、軸向力和徑向力。蝸桿上軸向力供一定的推力,其大小為: 式中:F為蝸桿上的軸向力;T1、T2分別為蝸桿、蝸輪軸上的轉矩;i為傳動比;η為傳動效率;d為蝸輪的分度圓直徑。

   系統要求實現電動鎖的位置精確控制,利用電機旋轉角度及傳動機構傳動比換算,可得到電動鎖盲線位置行程算式: 式中:s為電動鎖運行直線位置;θ為電機轉過的電角度;p為蝸桿螺距;L為絲桿線數。

1.2電機數學模型

   由于BLDCM的氣隙磁場、反電勢以及電流是非正弦的,因此采用直、交軸坐標變換已不是有效的分析方法。利用電動機本身的相變量來建立數學模型既簡單又有較好的準確度。為了便于分析,假定:

   (1)三相繞組完全對稱,氣隙磁場為方波,定子電流、轉子磁場分布皆對稱;

   (2)忽略齒槽、換相和電樞反應的影響;

   (3)電樞繞組定子內表面均勻連續分布;

   (4)磁路不飽和,不計渦流和磁滯損耗。

根據以上假設,BLDCM三相定子電壓平衡方程式可用下列狀態方程表達:

     (1)式中:Ma、Mb、Mc為定子繞組三相電壓;ia、ib、ic為定子繞組三相電流;ea、eb、ec為定子繞組三相電動勢;LA、LB、Lc為每相繞組的自感;LAB、LAc、LBA、LBc、LCA、LcB為每兩相繞組間互感。

 假定三相對稱,則有:LAB=Lac=LBA=LBc=LCA=M   (2)        LA=LB=Lc=L  (3) 式中:M為定子繞組間互感;L為定子繞組自感。

 式(1)可改寫成:     (4)

三相繞組為星形連接且沒有中線,則有:ia+ib+ic=0   (5)   將式(4)、式(5)聯立可得:

   (6)電磁轉矩表達式為:  (7)式中:Te為電磁轉矩;ω為電機角速度。電機機械運動方程為: (8)

式中:TL為負載轉矩;J為轉動慣量。

2控制系統設計

2.1控制系統框圖

   航空電動鎖用BLDCM控制系統結構框圖如圖1所示。其工作原理是,開/閉鎖信號引發單片機中斷,系統首先采集位置給定信號,三相轉子Hall位置信號(HA、HB、Hc)經邏輯倍頻后的SN信號送至單片機,由主H單片機通過脈沖計數及傳動比換算,實現鎖銷位置速度的檢測與反饋。由單片機程序對電機的位置速度進行間接雙閉環控制,生成PWM信號,再與三相轉子Hall位置信號進行邏輯合成,經放大驅動電路和三相橋式逆變器,完成BLDCM的

電子換相和正/反轉,實現開/閉鎖控制。系統還設有過流保護電路和左右門限位保護。其中左右門限分機械限位和電氣限位兩種。

    圖1系統結構框圖

   電氣限位方法是在鎖體左右極限位置安裝鎖定型Hall傳感器CS3075,通過檢測鎖銷左右兩端安裝的永磁體來敏感推桿的極限位置,再結合軟件有效控制電機的運動范圍。當AT89C51檢測到該鎖銷到達極限位置時(上升沿),立即產生中斷響應,單片機軟件將通過中斷程序立即使電機降速停車(只允許反向運行),實現了準確的限位保護。

2.2硬件系統

   BLDcM采用三相Y型,由三相橋式逆變器供電,主功率管采用MOSFET器件IRF840(耐壓500V,電流8 A),前置驅動采用IR2130芯片。由AT89C51產生PWM斬波,用可編程邏輯芯片GAl20V8實現換相邏輯綜合,輸出6路PWM調制信號,送IR2130輸人端。

   電動鎖控制器主要控制功能由單片機中的軟件程序完成。電機開始按照給定的方向運行時,單片機采集給定位置速度信號和實際位置速度信號,位置速度雙閉環程序采用PI控制,并輸出占空比可調的PWM控制脈沖,使電機加速運行,同時實時計數速度合成信號SN的脈沖數,計算鎖銷的實際行程,實現其直線位置閉環控制。

   單片機的輸入信號有開/閉鎖查詢信號ZF(高電平開鎖,低電平閉鎖),左右門限中斷信號L、R,位置速度反饋信號SN;輸出信號為PWM信號。GAL20V8邏輯電路的輸入信號有三相轉子Hall位置信號和故障信號BH;輸出信號有6路調制信號S1~S6、位置速度反饋信號SN和Hall片的故障信號Hall—FAULT。

   由于系統采用270 V航空高壓直流電源,如果系統輔助控制電源直接采用DC/DC電源變換模塊,則電源種類多、體積大、重量重、成本高。為此,系統控制電源采用了單端反激式開關電源,使用單片集成開關電源專用芯片TOP224Y來實現,電路如圖2所示。

    圖2電源變換電路

   其中,瞬態電壓抑制器VDl和超快恢復二極管VD2構成的鉗位電路可防止高電壓對TOP224Y的損壞。輸出整流濾波電路由整流二極管D1和濾波電路C4、L4、C5,構成。單片開關電源采用外部誤差放大器TL431和光電耦合器(PC817)構成電壓穩定的閉環反饋回路。高頻隔離變壓器初級由270 V直流電供電,次級有兩路繞組,經整流和高頻濾波后生成隔離的5 V和15 V。5 V給主單片機數字電路等芯片供電,15 V給IR2130及外圍器件供電,270 V是用于電機工作電源。

2.3軟件設計

   電動鎖控制器中AT89C51單片機的軟件由主程序、位置記憶程序、位置速度PI運算程序、中斷程序和定時器計數程序等組成。

   主程序完成的任務有:系統參數初始化,系統過流、過壓、欠壓判斷及處理,電機位置給定值與實際值的獲取、調節規律以及位置定位控制等。

3仿真與結果分析

   依據航空電動鎖控制系統的數學模型,在電機電壓、反電勢計算、電磁轉矩測量和機械運動等模塊,的基礎上構建了BLDCM仿真模型。另結合PWM波信號產生模塊及蝸輪蝸桿傳動機構模塊,可建立BLDCM控制系統的仿真模型,如圖3所示。

    圖3 BLDCM控制系統仿真模型

   系統仿真參數:電機額定電壓270 V;額定轉速5 000 r/min;極對數2;轉動慣量0.017 2 kg ?㎡;電感與互感之差0.76 mH;反電勢系數0.18 V ? s/rad;電阻O.35 Ω;加額定負載0.09 N ? m;傳動比36:1;絲桿線數2;蝸桿螺距2 mm。針對電動鎖銷打開過程(電機正轉),采用位置轉速雙閉環控制時,電機電流、轉速、鎖銷位置仿真結果如圖4所示。

   由仿真結果可以看出:電機先在較大的相電流下以最大的加速度起動,并快速達到5 000 r/min的穩態轉速,如圖4b所示。位置增加到達右門限后,系統迅速減速,位置依然增加,但為非線性增加,當電機速度為零時,到達鎖銷全開位置,距離機械右門限位置還有大約1 mm,鎖銷遇到門限信號后的減速過程是為了消除機械的末端沖擊。位置響應仿真曲線如圖4c所示,圖中1、2分別代表位置給定、位置響府曲線。

        

(a)電機相電流仿真曲線      (b)電機轉速仿真曲線     (c)鎖銷位置響應仿真曲線

                            圖4系統開鎖過程仿真結果

  系統要求給定電動鎖行程15 mm,仿真時給定階躍信號15 mm。給定輸入后,系統跟隨響應,并在要求的時間2 s內運行達到給定位置,實現電動鎖的開/閉鎖運動。

實驗過程中,計算同一位置點的重復誤差小于1/54mm。圖5為電機某時刻的電流測試波形,圖中1、2、3分別代表A、B、C三相電流,4為母線電流。實測與分析結果一致,驗證了模型

的正確性及系統的可靠性。

   圖5實測電流波形

4結  語

   基于BLDCM和蝸輪蝸桿機構的航空電動鎖控制系統,若采用電機自身轉子Hall位置信號來實現直線位置間接測量,能較好地實現位置、速度雙閉環控制。

   從實用性和控制精度上看,該方法在工程上是可行的。如果加大行程,則可廣泛應用于飛機座艙蓋的開啟、醫療電動座椅、玻璃升降器等工程領域。  

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