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航行器操舵系統的無刷直流電動機設計

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.fupoqq9.cn瀏覽數:295

航行器操舵系統的無刷直流電動機設計

摘要:介紹了航行器操舵系統的無刷直流電動機結構,對無刷直流電動機設計進行了詳細的分析和計算,給出了

試驗結果。試驗結果表明。該無刷直流電動機的性能優良.完全滿足航行器操舵系統的要求。

1  引  言

   航行器操舵系統的主要功能是將航行器自動駕駛儀的偏航、滾動和俯仰操舵指令進行邏輯綜合,功率放大,驅動操舵電機帶動舵面轉動,控制航行器偏航、俯仰和橫滾運動,保證航行器穩定、快速、準確完成設計彈道,簡稱為三通道操舵系統。

   目前航行器操舵系統原電動機是有刷直流電機,它的可靠性低,維修不方便,噪聲大,動態響應慢,為了克服原操舵系統的缺點,需要設計新型航行器操舵系統。而稀土永磁無刷直流電動機(BLDCM)是隨著電力電子器件及新型永磁材料而迅速成熟起來的新型機電一體化電機,它的結構簡單,運行可靠,維護方便,調速特能優良,特別適用于航行器操舵系統這樣高性能調速伺服驅動場合。

   因為三個通道結構相同,文中僅以單通道為例來說明BLDCM的設計、分析和計算。

2  BLDCM系統結構

稀土永磁無刷直流電動機的基本結構如圖1所示,由稀土永磁電動機、轉子位置傳感器、測速電路、控制電路和逆變器主電路5部分組成。轉子位置傳感器用來測量轉子的位置,控制電路根據位置傳感器和測速電路檢測的信號,進行運算,控制逆計數器三相逆變橋的6個IGBT功率管的開通與關斷,驅動稀土無刷電動機正轉、反轉、制動、過流保護、過壓保護等。

 圖1BLDCM結構圖

3 BLDCM系統的設計計算    

3.1土永磁無刷電動機設計    

稀土永磁無刷電動機的轉子上安裝稀土永磁體,定子鐵心嵌放多層對稱繞組。    

轉子結構,轉子磁鋼可采用高磁能密度的釤鈷2:17稀土永磁材料,轉子磁極結構采用一對極,細長型,表面粘貼瓦片式稀土永磁磁鋼,外加不銹鋼緊固圈的結構方式,保證轉子結構的整體性。    

定子結構,定子鐵心采用低損耗、厚度為0.2mm的WTG200硅鋼片,定子繞組采用三相整距繞組,繞組接法采用星型接法。

3.2轉子位置傳感器設計

轉子位置傳感器由定子和轉子組成,轉子與電機轉子同軸,以跟蹤電機轉子位置,定子固定在端蓋上?;魻柶骷x用美國Allegro公司的3144型霍爾開關式位置傳感器,控制二相導通星型三相6狀態無刷舵電機,3個霍爾元件在空間彼此相隔120°(電角度),永磁體的極弧寬度為180°(電角度),當舵電機旋轉時,3個霍爾元件交替輸出3個寬度為180°,相位差為120°的矩形方波。這3個信號送到控制電路,進行量比編碼、邏輯組合,形成功率管的通斷邏輯。

3.3逆變器主電路設計

操舵電路中的逆變器主電路為三相星形6狀態連接,如圖2所示,當轉子每轉過60°(電角度)時,逆變器開關管之間進行一次換流,定子磁狀態改變一次。電機有6個磁狀態,每一個狀態都是二相繞組導通,每相繞組中流過電流的時間相當于轉子旋轉120°(電角度),每個開關管的導通角為120°。二相導通型三相6狀態無刷直流電動機的三相繞組與各開關管導通順序見圖3。

          

圖2三相星形6狀態逆變器主電路         圖3 二相導通星型三相6狀態繞組開關管導通順序圖

 

在該逆變器中開關管選采用對管結構,即上管采用PNP型,下管采用NPN型。全部選用IR公司產品,其中:NPN先用IRF640,PNP選用IRF9640。

 在逆變器主電路的設計中,應該考慮到以下幾方面的問題:

 a.功率管的保護環節    

 額定電壓為38 V,在逆變器的工作過程中,每個管子所承受的反向電壓為額定電壓,而IRF640和IRF9640的反向耐壓為200 V,是額定耐壓的5倍。盡管如此,使功率器件在開關的過程中更安全,設計中在直流母線上增加了保護環節一RC緩沖器。

  電容C:按下面經驗公式選?。?/span> (1) 式中,tr,和tf分別是最大的漏極電壓上升時間和最大的漏極電流下降時間。VDs為漏極與源極之間的電壓。

   假設toN。是整個周期的70%,調制頻率為25kHz,則 吸收電阻按下面公式取值 (2)

檢驗放電電流: (3)這個電流小于 ,因此取R=300Ω計算電阻功率損耗: (4)

電容C1的作用主要是實現直流電源的低通濾波,形成低內阻硬特性的直流電壓源,同時與繞組感性負載交換無功功率。

 b.紋波和干擾的抑制

 操舵電路中,開關二極管的電流、電壓值快速上升或者下降,電感電壓,電容電流也迅速變化,這些都構成干擾源。干擾的表現是輸出電壓有紋波,輸出電流也有高次諧波。在操舵電路中上、下直舵機組件、橫舵機組件的逆變器公用一個電源,從電源的輸入端來看,相當于有9個橋臂同時工作,如果3套逆變器之間沒有解藕,就會相互干擾,甚至使逆變器無法正常工作,為此在每個電源的輸入端加濾波器,如圖4所示。為了抑制逆變器電源發射EMI,所加濾波器使其在B級規定的范圍內,則L1、L2、L3的計算如下:

  圖4操舵電路中的輸入濾波器

   選擇共模扼流線圈的配套電容C1=C2=0.1μF,假設截止頻率f0—30 kHz,則:

   選用常模扼流圈的配套電容C1一0.1μF,假設截止頻率f0=60 kHz,則:

   通過以上的措施,可以保證3套逆變器在同一電源供電的情況下,各自獨立的工作,而避免相互串擾藕合。

3.4控制電路設計

   驅動電路和控制電路是作為一個整體來設計的。它是無刷直流電動機正常運轉,實現各種調速伺服功能的核心部件。專用無刷電機控制芯片的體積小,可靠性高,因此選用MOTOROLA公司的MC33035。

   MC33035專用集成控制電路的主要功能,轉子位置傳感器譯碼電路;帶內部補償的內部基準電源;頻率可以設定的鋸齒波振蕩器;誤差放大器;脈寬調制(PWM)比較器;能有效驅動三相MOSFET功率管;欠壓保護;過熱保護等;逐個脈沖過流保護等功能,60°/300°(電角度)或者120°/240°(電角度)選擇。

   控制電路如圖5所示,圖中V1、V2、V3為逆變橋高位控制信號,V2、V4、V6為逆變橋低位控制信號,SA、SB、SC接傳感器信號。

 圖5控制電路圖

   該電路的典型控制功能包括PWM開環速度控制,使能控制(啟動或停止),正、反轉控制和能耗制動控制等。

3.5測速電路設計

   電子測速器選用MC33039芯片作V/F轉換,構成閉環調速系統。

4  結  論

   舵電機加上減速機構測試結果,總的時間響應小于8 ms;在額定電壓下,電機的空載轉速為9 800r/min;電機的輸出功率不低于30 W。

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