微燃機(jī)電站燃?xì)庥嬃块y用步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

吳曉玲 蔣茜 王軍

(航天科工海鷹集團(tuán)有限公司,北京 100074)

微燃機(jī)電站燃?xì)庥嬃块y用步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

吳曉玲 蔣茜 王軍

(航天科工海鷹集團(tuán)有限公司,北京 100074)

燃?xì)庥嬃块y是微燃機(jī)電站的關(guān)鍵部件,其作用是根據(jù)來至上位機(jī)的閥開度指令,由數(shù)字驅(qū)動控制器驅(qū)動兩相混合式步進(jìn)電機(jī)完成對燃?xì)庥嬃块y節(jié)流口開度的控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對微燃機(jī)電站燃?xì)饬髁康目刂?。本文對微燃機(jī)電站用燃?xì)庥嬃块y控制器的結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)字驅(qū)動控制器設(shè)計進(jìn)行了介紹,重點(diǎn)對步進(jìn)電機(jī)的選型方法、細(xì)分驅(qū)動原理和系統(tǒng)定位誤差進(jìn)行了分析,可為后續(xù)研制和實(shí)際調(diào)試提供指導(dǎo)。

微燃機(jī)電站 燃?xì)庥嬃块y 兩相混合式步進(jìn)電機(jī) 細(xì)分驅(qū)動

1 引言

起發(fā)電機(jī)是微燃機(jī)電站系統(tǒng)的重要組成部分，在發(fā)動機(jī)地面試驗(yàn)時用于帶轉(zhuǎn)發(fā)動機(jī)，在發(fā)動機(jī)正常工作時用于發(fā)電輸出電能。因此，在研制階段對起發(fā)電機(jī)進(jìn)行精確電磁計算，是十分必要的。然而，傳統(tǒng)的電機(jī)電磁計算方法都是基于經(jīng)典磁路法，其計算精度有限[1-3]。特別是該起發(fā)電機(jī)為永磁電機(jī)，其磁路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給磁路計算帶來了較大困難，難以得到精確的磁路計算結(jié)果。為了提高計算的準(zhǔn)確程度，需要進(jìn)行電磁場數(shù)值計算和分析。目前，電機(jī)電磁場數(shù)值分析方法主要有：有限元法、邊界元法和有限差分法。其中，最有效、應(yīng)用最廣泛的是有限元法[4-6]。本文對某起發(fā)電機(jī)進(jìn)行了二維電磁場有限元分析，并對電機(jī)定子采用直槽和斜槽結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行對比分析。

2 燃?xì)庥嬃块y系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

燃?xì)庥嬃块y系統(tǒng)由燃?xì)庥嬃块y本體、兩相混合式步進(jìn)電機(jī)、數(shù)字驅(qū)動控制器組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。微燃機(jī)電站用燃?xì)庥嬃块y系統(tǒng)的作用是根據(jù)來至上位機(jī)的閥開度指令，由數(shù)字驅(qū)動控制器驅(qū)動兩相混合式步進(jìn)電機(jī)完成對燃?xì)庥嬃块y節(jié)流口開度的控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對微燃機(jī)電站燃?xì)饬髁康目刂啤?/p>

2.1 燃?xì)庥嬃块y本體

燃?xì)庥嬃块y本體采用美國Woodward公司Swift-12型單路燃?xì)庥嬃块y。燃?xì)庥嬃块y的全行程對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)1.25圈，即對應(yīng)機(jī)械角度450°，要求全行程精度為±0.25%。閥芯裝有回中彈簧，可保證掉電后閥芯處于關(guān)閉位置，且當(dāng)燃?xì)鈮毫Τ^安全范圍時具有自動關(guān)閉功能。

圖1 燃?xì)庥嬃块y系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 數(shù)字驅(qū)動控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，具有較高的定位精確度，且無位置積累誤差[4-6]。步進(jìn)電機(jī)的原理是基于最基本的電磁鐵原理，可用于具有一定精度的開環(huán)位置控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)按結(jié)構(gòu)劃分包括永磁式、磁阻式以及混合式;按相數(shù)劃分包括兩相、三相、四相、五相。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、步距角分辨率高、轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，是目前常用的步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)形式。步進(jìn)電機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)是步距角和最大靜轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)步距角：

其中，θb為步距角，P為定子相數(shù)，Nr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。對于燃?xì)庥嬃块y用兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，P=2，Nr=50，則步距角θb=1.8°。

最大靜轉(zhuǎn)矩也叫保持轉(zhuǎn)矩，是在額定靜態(tài)電流下施加在已通電的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上而不產(chǎn)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)矩。一般選擇負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于0.5～0.77倍的最大靜轉(zhuǎn)矩。

此外，選用步進(jìn)電機(jī)時，實(shí)際還要考慮位置控制精度、使用速度范圍、負(fù)載傳動方式，工作溫度及使用環(huán)境等因素。

2.3 數(shù)字驅(qū)動控制器(如圖2)

圖3 整步工作時繞組電流

圖4 細(xì)分驅(qū)動工作時繞組電流

圖5 整步驅(qū)動時繞組電流實(shí)驗(yàn)波形

圖6 4細(xì)分驅(qū)動時繞組電流實(shí)驗(yàn)波形

數(shù)字驅(qū)動控制器以TI公司32位DSP TMS320LF2812為核心，配合H橋集成功率驅(qū)動器LMD18201，通訊接口電路、A /D轉(zhuǎn)換器、以及相應(yīng)的繞組電流采樣電路。

3 系統(tǒng)控制原理

3.1 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動原理

兩相混合式步進(jìn)電機(jī)定子繞組由A、B兩相繞組組成，其順時針旋轉(zhuǎn)時通電規(guī)律為A+、B+、A-、B-，即兩相單四拍整步工作模式，如圖3所示。每拍通電對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的機(jī)械角度為步進(jìn)角，燃?xì)庥嬃块y中采用的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角為1.8°。步進(jìn)電機(jī)采用整步工作時易出現(xiàn)失步和共振現(xiàn)象，為此應(yīng)采用細(xì)分驅(qū)動。

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動是通過對電機(jī)繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)定子合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分。步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動的實(shí)質(zhì)是對兩相繞組電流的細(xì)分控制，即將整步工作時的方波電流細(xì)分為正弦電流，此時兩相繞組電流為相位互差90°的正弦電流，如圖4所示。

為了實(shí)現(xiàn)細(xì)分驅(qū)動，需要對電機(jī)繞組電流進(jìn)行閉環(huán)控制，因此功率驅(qū)動電路應(yīng)采用恒流斬波驅(qū)動。增加細(xì)分?jǐn)?shù)可以降低振動，但實(shí)際到8細(xì)分時效果就變化不大，細(xì)分?jǐn)?shù)過大時會出現(xiàn)步距不均勻現(xiàn)象，且細(xì)分?jǐn)?shù)過大也限制了步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。因此，本系統(tǒng)中細(xì)分?jǐn)?shù)取4。

采用細(xì)分驅(qū)動時的A、B兩相電流為

其中，n為電流細(xì)分后的運(yùn)行拍數(shù)，I為電機(jī)相電流幅值，k為脈沖序列，k=0，…，n-1。

采用細(xì)分驅(qū)動的主要優(yōu)點(diǎn)[7，8]：(1)使步距角減少，步距誤差減少，提高了分辨率和步進(jìn)精度;(2)減少了低頻振蕩，經(jīng)過細(xì)分后，驅(qū)動電流的變化幅度大大減少，使轉(zhuǎn)子到達(dá)平衡位置時的過剩能量大大減少;另一方面可以遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子諧振頻率。因此，細(xì)分驅(qū)動不僅能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，而且還能減弱或者消除振蕩;(3)增加了電機(jī)運(yùn)行的拍數(shù)，可獲得較大的啟動轉(zhuǎn)距。

3.2 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩計算

采用細(xì)分驅(qū)動時A、B兩相繞組為正弦電流，且相位互差90°，則有

A、B兩相繞組產(chǎn)生的磁通為

其中： φA、 φB為A、B兩相繞組產(chǎn)生的磁通。

A、B兩相繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩分別為

A、B兩相繞組合成的電磁轉(zhuǎn)矩為

其中：δ 為負(fù)載角， δ=ωt-θ，即定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場的夾角，=90°時對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩。

3.3 系統(tǒng)定位誤差分析

系統(tǒng)要求燃?xì)庥嬃块y全行程精度為±0.25%，即對應(yīng)角度定位誤差±1.125°。采用的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角為1.8°，步進(jìn)角精度±3%，對應(yīng)步進(jìn)角誤差±0.054°。本系統(tǒng)中取細(xì)分?jǐn)?shù)為4，則細(xì)分后步進(jìn)角為0.45°。

系統(tǒng)定位誤差為

其中：步距角誤差Δθb=1.8°*±3%=±0.054°，傳動誤差Δθn=±0.057°，ΔθD=±0.057°。

經(jīng)以上分析，系統(tǒng)定位誤差Δθt＜±1.125°，以滿足系統(tǒng)要求。

4 數(shù)字驅(qū)動控制器硬件設(shè)計及試驗(yàn)

4.1 主控芯片選擇

主控芯片采用TI公司32位定點(diǎn)DSP TMS320LF2812，并外擴(kuò)了12位串行A/D轉(zhuǎn)換器，來完成對步進(jìn)電機(jī)A、B兩相繞組電流、燃?xì)庥嬃块y入口壓力信號的采樣。

4.2 功率主電路設(shè)計

功率主電路采用兩片H橋集成功率驅(qū)動模塊LMD18201，來完成對兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的A、B兩相繞組的驅(qū)動。LMD18201內(nèi)部集成了H橋型Power MOSFET功率橋、柵極驅(qū)動電路、及保護(hù)電路。PWM開關(guān)頻率決定了電機(jī)繞組電流的連續(xù)性，從而也決定了電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。由于步進(jìn)電機(jī)的繞組電感較小，如果頻率不夠高，電機(jī)的低速性能有可能不理想，很容易燒毀功率管，而且由于電流不連續(xù)，電機(jī)可能產(chǎn)生劇烈振蕩。開關(guān)頻率越高，繞組電流的脈動量越小，電流容易連續(xù)，電機(jī)附加損耗減小，系統(tǒng)低速平穩(wěn)性好。從動態(tài)性能看，提高開關(guān)頻率可擴(kuò)大系統(tǒng)頻帶寬度，提高系統(tǒng)的快速性，但開關(guān)頻率的提高會使得功率管的動態(tài)損耗也隨之增大，從而降低功率電路的效率。本系統(tǒng)中采用雙極性PWM控制方式，電流最大脈動量為：

其中，Δimax為電流最大脈動量，La為電機(jī)繞組電感，fPWM為PWM開關(guān)頻率。

對于本系統(tǒng)，Ud=24V，La=2.2mH，Δimax＜Imax×10%=0.3A，則fPWM＞Ud/2La=18.1kHz。本系統(tǒng)取PWM開關(guān)頻率為20kHz。

4.3 繞組電流信號采樣電路設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)細(xì)分控制，需要對繞組電流采樣并進(jìn)行閉環(huán)控制。本系統(tǒng)中通過外擴(kuò)A/D轉(zhuǎn)換器，完成對繞組電流反饋信號的采樣。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為12位，采樣輸入電壓范圍為0～5V。通過采用0.1Ω精密采樣電阻和儀器放大器AD629，并經(jīng)過一階低通濾波，來完成繞組電流的采樣，選取低通濾波器截止頻率為10kHz(PWM開關(guān)頻率的一半)。

4.4 系統(tǒng)試驗(yàn)

利用所設(shè)計的驅(qū)動控制器進(jìn)行了燃?xì)庥嬃块y系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。采用整步驅(qū)動和4細(xì)分驅(qū)動分別進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。整步驅(qū)動和4細(xì)分驅(qū)動時繞組電流實(shí)驗(yàn)波形分別如圖5和6所示。采用整步驅(qū)動時兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行不平穩(wěn)，電機(jī)振動大，易發(fā)生失步現(xiàn)象。采用4細(xì)分驅(qū)動時兩相混合式步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)，電機(jī)振動小，且定位精度高，此時A、B兩相電流接近正弦波，且相位互差90°。

5 結(jié)語

本文對微燃機(jī)電站用燃?xì)庥嬃块y控制器的結(jié)構(gòu)、工作原理、數(shù)字控制器設(shè)計進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)對步進(jìn)電機(jī)的選型方法、細(xì)分驅(qū)動原理和系統(tǒng)定位誤差進(jìn)行了分析，可得如下結(jié)論：(1)采用兩相混合

式步進(jìn)電機(jī)對燃?xì)庥嬃块y進(jìn)行控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，且便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制;(2)采用細(xì)分驅(qū)動技術(shù)，不僅可以提高步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角分辨率和定位精度，而且提高了電機(jī)啟動轉(zhuǎn)距和運(yùn)行平穩(wěn)性。

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北京市科委項(xiàng)目(D131100003313003)。

吳曉玲,女,碩士,主要從事電機(jī)控制相關(guān)工作。蔣茜,女,碩士,主要從事電機(jī)控制相關(guān)工作。王軍,男,碩士,主要從事電機(jī)控制相關(guān)工作。