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航行器操舵系统的无刷直流电动机设计

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:154

航行器操舵系统的无刷直流电动机设计

摘要:介绍了航行器操舵系统的无刷直流电动机结构,对无刷直流电动机设计进行了详细的分析和计算,给出了

试验结果。试验结果表明。该无刷直流电动机的性能优良.完全满足航行器操舵系统的要求。

1  引  言

   航行器操舵系统的主要功能是将航行器自动驾驶仪的偏航、滚动和俯仰操舵指令进行逻辑综合,功率放大,驱动操舵电机带动舵面转动,控制航行器偏航、俯仰和横滚运动,保证航行器稳定、快速、准确完成设计弹道,简称为三通道操舵系统。

   目前航行器操舵系统原电动机是有刷直流电机,它的可靠性低,维修不方便,噪声大,动态响应慢,为了克服原操舵系统的缺点,需要设计新型航行器操舵系统。而稀土永磁无刷直流电动机(BLDCM)是随着电力电子器件及新型永磁材料而迅速成熟起来的新型机电一体化电机,它的结构简单,运行可靠,维护方便,调速特能优良,特别适用于航行器操舵系统这样高性能调速伺服驱动场合。

   因为三个通道结构相同,文中仅以单通道为例来说明BLDCM的设计、分析和计算。

2  BLDCM系统结构

稀土永磁无刷直流电动机的基本结构如图1所示,由稀土永磁电动机、转子位置传感器、测速电路、控制电路和逆变器主电路5部分组成。转子位置传感器用来测量转子的位置,控制电路根据位置传感器和测速电路检测的信号,进行运算,控制逆计数器三相逆变桥的6个IGBT功率管的开通与关断,驱动稀土无刷电动机正转、反转、制动、过流保护、过压保护等。

 图1BLDCM结构图

3 BLDCM系统的设计计算    

3.1土永磁无刷电动机设计    

稀土永磁无刷电动机的转子上安装稀土永磁体,定子铁心嵌放多层对称绕组。    

转子结构,转子磁钢可采用高磁能密度的钐钴2:17稀土永磁材料,转子磁极结构采用一对极,细长型,表面粘贴瓦片式稀土永磁磁钢,外加不锈钢紧固圈的结构方式,保证转子结构的整体性。    

定子结构,定子铁心采用低损耗、厚度为0.2mm的WTG200硅钢片,定子绕组采用三相整距绕组,绕组接法采用星型接法。

3.2转子位置传感器设计

转子位置传感器由定子和转子组成,转子与电机转子同轴,以跟踪电机转子位置,定子固定在端盖上。霍尔器件选用美国Allegro公司的3144型霍尔开关式位置传感器,控制二相导通星型三相6状态无刷舵电机,3个霍尔元件在空间彼此相隔120°(电角度),永磁体的极弧宽度为180°(电角度),当舵电机旋转时,3个霍尔元件交替输出3个宽度为180°,相位差为120°的矩形方波。这3个信号送到控制电路,进行量比编码、逻辑组合,形成功率管的通断逻辑。

3.3逆变器主电路设计

操舵电路中的逆变器主电路为三相星形6状态连接,如图2所示,当转子每转过60°(电角度)时,逆变器开关管之间进行一次换流,定子磁状态改变一次。电机有6个磁状态,每一个状态都是二相绕组导通,每相绕组中流过电流的时间相当于转子旋转120°(电角度),每个开关管的导通角为120°。二相导通型三相6状态无刷直流电动机的三相绕组与各开关管导通顺序见图3。

          

图2三相星形6状态逆变器主电路         图3 二相导通星型三相6状态绕组开关管导通顺序图

 

在该逆变器中开关管选采用对管结构,即上管采用PNP型,下管采用NPN型。全部选用IR公司产品,其中:NPN先用IRF640,PNP选用IRF9640。

 在逆变器主电路的设计中,应该考虑到以下几方面的问题:

 a.功率管的保护环节    

 额定电压为38 V,在逆变器的工作过程中,每个管子所承受的反向电压为额定电压,而IRF640和IRF9640的反向耐压为200 V,是额定耐压的5倍。尽管如此,使功率器件在开关的过程中更安全,设计中在直流母线上增加了保护环节一RC缓冲器。

  电容C:按下面经验公式选取: (1) 式中,tr,和tf分别是最大的漏极电压上升时间和最大的漏极电流下降时间。VDs为漏极与源极之间的电压。

   假设toN。是整个周期的70%,调制频率为25kHz,则 吸收电阻按下面公式取值 (2)

检验放电电流: (3)这个电流小于 ,因此取R=300Ω计算电阻功率损耗: (4)

电容C1的作用主要是实现直流电源的低通滤波,形成低内阻硬特性的直流电压源,同时与绕组感性负载交换无功功率。

 b.纹波和干扰的抑制

 操舵电路中,开关二极管的电流、电压值快速上升或者下降,电感电压,电容电流也迅速变化,这些都构成干扰源。干扰的表现是输出电压有纹波,输出电流也有高次谐波。在操舵电路中上、下直舵机组件、横舵机组件的逆变器公用一个电源,从电源的输入端来看,相当于有9个桥臂同时工作,如果3套逆变器之间没有解藕,就会相互干扰,甚至使逆变器无法正常工作,为此在每个电源的输入端加滤波器,如图4所示。为了抑制逆变器电源发射EMI,所加滤波器使其在B级规定的范围内,则L1、L2、L3的计算如下:

  图4操舵电路中的输入滤波器

   选择共模扼流线圈的配套电容C1=C2=0.1μF,假设截止频率f0—30 kHz,则:

   选用常模扼流圈的配套电容C1一0.1μF,假设截止频率f0=60 kHz,则:

   通过以上的措施,可以保证3套逆变器在同一电源供电的情况下,各自独立的工作,而避免相互串扰藕合。

3.4控制电路设计

   驱动电路和控制电路是作为一个整体来设计的。它是无刷直流电动机正常运转,实现各种调速伺服功能的核心部件。专用无刷电机控制芯片的体积小,可靠性高,因此选用MOTOROLA公司的MC33035。

   MC33035专用集成控制电路的主要功能,转子位置传感器译码电路;带内部补偿的内部基准电源;频率可以设定的锯齿波振荡器;误差放大器;脉宽调制(PWM)比较器;能有效驱动三相MOSFET功率管;欠压保护;过热保护等;逐个脉冲过流保护等功能,60°/300°(电角度)或者120°/240°(电角度)选择。

   控制电路如图5所示,图中V1、V2、V3为逆变桥高位控制信号,V2、V4、V6为逆变桥低位控制信号,SA、SB、SC接传感器信号。

 图5控制电路图

   该电路的典型控制功能包括PWM开环速度控制,使能控制(启动或停止),正、反转控制和能耗制动控制等。

3.5测速电路设计

   电子测速器选用MC33039芯片作V/F转换,构成闭环调速系统。

4  结  论

   舵电机加上减速机构测试结果,总的时间响应小于8 ms;在额定电压下,电机的空载转速为9 800r/min;电机的输出功率不低于30 W。

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