无刷直流电动机航空电动锁控制系统研究摘要：介绍了一种由无刷直流电动机和蜗轮蜗杆机构组成的航空电动锁控制系统。采用了由电机自身所具有的转子Hall位置传感器输出脉冲信号，实现直线位置间接测量与控制，高性能AT89C51单片机作为核心控制单元，并采用硬件和软件位移限位保护，提高了系统的可靠性。实验分析表明，基于转子Hall位置传感器信号进行位置、速度双闭环控制的无刷直流电动锁控制器设计是可行的。 0引 言 无刷直流电动机(以下简称BLDCM)具有体积小、重量轻、控制性能好、无火花干扰、效率高等优点，在众多工业领域中应用广泛，也是新一代航空、航天和航海用电机的重要发展方向。目前，国外高性能作战飞机的电驱动控制系统正在用BLDCM取代有刷直流电动机。航空电动锁通常用在飞机上需要自动定位、锁紧、双向驱动且具有一定推力的直线运动场合，如飞机座舱盖的开启、力臂的调节、折叠机构等。目前，航空电动锁常采用有刷直流电动机及蜗轮蜗杆与丝杠螺母的传动机构。由于有刷直流电动机存在电刷和换向器问题，其故障多、维护性差、寿命短。为了解决航空电动锁的可靠性，实现任意位置的定位控制，本文介绍了一种基于BLD—CM和蜗轮蜗杆机构组成的航空电动锁控制系统。该系统具有快速动态响应，可满足电动锁频繁开／闭时的正／反转、定位及限位要求，有一定的实用性。 1蜗杆传动与电机数学模型 1．1蜗杆传动 蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，常用于传递空间，交错90°两轴间的运动或作动，如减速器、分度及往复运动机构等。其优点是传动比大，结构紧凑，传动平稳，在一定条件下可实现自锁。航空电动锁由锁体和锁销组成，电机驱动蜗轮转动，通过蜗杆推动锁销作双向直线运动，实现电动锁开／闭动作。 将啮合节点处的齿间法向力分解为三个互相垂的分力：圆周力、轴向力和径向力。蜗杆上轴向力供一定的推力，其大小为： 系统要求实现电动锁的位置精确控制，利用电机旋转角度及传动机构传动比换算，可得到电动锁盲线位置行程算式： 1．2电机数学模型 由于BLDCM的气隙磁场、反电势以及电流是非正弦的，因此采用直、交轴坐标变换已不是有效的分析方法。利用电动机本身的相变量来建立数学模型既简单又有较好的准确度。为了便于分析，假定： (1)三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称； (2)忽略齿槽、换相和电枢反应的影响； (3)电枢绕组定子内表面均匀连续分布； (4)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 根据以上假设，BLDCM三相定子电压平衡方程式可用下列状态方程表达：
假定三相对称，则有：LAB=Lac=LBA=LBc=LCA=M (2) LA=LB=Lc=L (3) 式中：M为定子绕组间互感；L为定子绕组自感。 式(1)可改写成： 三相绕组为星形连接且没有中线，则有：ia+ib+ic=0 (5) 将式（4）、式（5）联立可得：
式中：TL为负载转矩；J为转动惯量。 2控制系统设计 2．1控制系统框图 航空电动锁用BLDCM控制系统结构框图如图1所示。其工作原理是，开／闭锁信号引发单片机中断，系统首先采集位置给定信号，三相转子Hall位置信号(HA、HB、Hc)经逻辑倍频后的SN信号送至单片机，由主H单片机通过脉冲计数及传动比换算，实现锁销位置速度的检测与反馈。由单片机程序对电机的位置速度进行间接双闭环控制，生成PWM信号，再与三相转子Hall位置信号进行逻辑合成，经放大驱动电路和三相桥式逆变器，完成BLDCM的 电子换相和正／反转，实现开／闭锁控制。系统还设有过流保护电路和左右门限位保护。其中左右门限分机械限位和电气限位两种。 电气限位方法是在锁体左右极限位置安装锁定型Hall传感器CS3075，通过检测锁销左右两端安装的永磁体来敏感推杆的极限位置，再结合软件有效控制电机的运动范围。当AT89C51检测到该锁销到达极限位置时(上升沿)，立即产生中断响应，单片机软件将通过中断程序立即使电机降速停车(只允许反向运行)，实现了准确的限位保护。 2．2硬件系统 BLDcM采用三相Y型，由三相桥式逆变器供电，主功率管采用MOSFET器件IRF840(耐压500V，电流8 A)，前置驱动采用IR2130芯片。由AT89C51产生PWM斩波，用可编程逻辑芯片GAl20V8实现换相逻辑综合，输出6路PWM调制信号，送IR2130输人端。 电动锁控制器主要控制功能由单片机中的软件程序完成。电机开始按照给定的方向运行时，单片机采集给定位置速度信号和实际位置速度信号，位置速度双闭环程序采用PI控制，并输出占空比可调的PWM控制脉冲，使电机加速运行，同时实时计数速度合成信号SN的脉冲数，计算锁销的实际行程，实现其直线位置闭环控制。 单片机的输入信号有开／闭锁查询信号ZF(高电平开锁，低电平闭锁)，左右门限中断信号L、R，位置速度反馈信号SN；输出信号为PWM信号。GAL20V8逻辑电路的输入信号有三相转子Hall位置信号和故障信号BH；输出信号有6路调制信号S1～S6、位置速度反馈信号SN和Hall片的故障信号Hall—FAULT。 由于系统采用270 V航空高压直流电源，如果系统辅助控制电源直接采用DC／DC电源变换模块，则电源种类多、体积大、重量重、成本高。为此，系统控制电源采用了单端反激式开关电源，使用单片集成开关电源专用芯片TOP224Y来实现，电路如图2所示。 其中，瞬态电压抑制器VDl和超快恢复二极管VD2构成的钳位电路可防止高电压对TOP224Y的损坏。输出整流滤波电路由整流二极管D1和滤波电路C4、L4、C5，构成。单片开关电源采用外部误差放大器TL431和光电耦合器(PC817)构成电压稳定的闭环反馈回路。高频隔离变压器初级由270 V直流电供电，次级有两路绕组，经整流和高频滤波后生成隔离的5 V和15 V。5 V给主单片机数字电路等芯片供电，15 V给IR2130及外围器件供电，270 V是用于电机工作电源。 2．3软件设计 电动锁控制器中AT89C51单片机的软件由主程序、位置记忆程序、位置速度PI运算程序、中断程序和定时器计数程序等组成。 主程序完成的任务有：系统参数初始化，系统过流、过压、欠压判断及处理，电机位置给定值与实际值的获取、调节规律以及位置定位控制等。 3仿真与结果分析 依据航空电动锁控制系统的数学模型，在电机电压、反电势计算、电磁转矩测量和机械运动等模块，的基础上构建了BLDCM仿真模型。另结合PWM波信号产生模块及蜗轮蜗杆传动机构模块，可建立BLDCM控制系统的仿真模型，如图3所示。 系统仿真参数：电机额定电压270 V；额定转速5 000 r／min；极对数2；转动惯量0．017 2 kg •㎡；电感与互感之差0．76 mH；反电势系数0．18 V • s／rad；电阻O．35 Ω；加额定负载0．09 N • m；传动比36：1；丝杆线数2；蜗杆螺距2 mm。针对电动锁销打开过程(电机正转)，采用位置转速双闭环控制时，电机电流、转速、锁销位置仿真结果如图4所示。 由仿真结果可以看出：电机先在较大的相电流下以最大的加速度起动，并快速达到5 000 r／min的稳态转速，如图4b所示。位置增加到达右门限后，系统迅速减速，位置依然增加，但为非线性增加，当电机速度为零时，到达锁销全开位置，距离机械右门限位置还有大约1 mm，锁销遇到门限信号后的减速过程是为了消除机械的末端冲击。位置响应仿真曲线如图4c所示，图中1、2分别代表位置给定、位置响府曲线。 (a)电机相电流仿真曲线 （b）电机转速仿真曲线 (c)锁销位置响应仿真曲线 图4系统开锁过程仿真结果 系统要求给定电动锁行程15 mm，仿真时给定阶跃信号15 mm。给定输入后，系统跟随响应，并在要求的时间2 s内运行达到给定位置，实现电动锁的开/闭锁运动。 实验过程中，计算同一位置点的重复误差小于1/54mm。图5为电机某时刻的电流测试波形，图中1、2、3分别代表A、B、C三相电流，4为母线电流。实测与分析结果一致，验证了模型 的正确性及系统的可靠性。 4结 语 基于BLDCM和蜗轮蜗杆机构的航空电动锁控制系统，若采用电机自身转子Hall位置信号来实现直线位置间接测量，能较好地实现位置、速度双闭环控制。 从实用性和控制精度上看，该方法在工程上是可行的。如果加大行程，则可广泛应用于飞机座舱盖的开启、医疗电动座椅、玻璃升降器等工程领域。
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